Влияние плазмы ВЧЕ-разряда на физико-механические свойства волокон и композиционных материалов

УДК 677.494:621.693

Е. А. Сергеева, И. А. Гришанова, И. Ш. Абдуллин

ВЛИЯНИЕ ПЛАЗМЫ ВЧЕ-РАЗРЯДА НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЛОКОН И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ключевые слова: волокно, полимер, композит, модификация, структура, прочность,

адгезия, матрица.

Рассмотрен процесс модификации многофиламентных высокомодульных армирующих полиэтиленовых волокон с целью получения композиционных материалов (КМ). Установлено, что при обработке в плазме ВЧЕ-разряда пониженного давления наблюдаются изменения физического состояния волокон, их капиллярности и, как следствие, механических свойств КМ. При этом максимальная нагрузка, которую может выдержать КМ возрастает в 2-2,5 раза.

Keywords: fibre, polymer, composite, modification, structure, durability, adhesion, matrix.

Modification process of multifilament high modulus reinforcing polyethylene fibres for the purpose of composite materials (CM) reception is considered. It is established that at processing of fibres in plasma of lowered pressure HFC-category the changes of a physical condition, capillary properties and, as consequence, mechanical properties of CM are observed. Thus the maximum loading which can sustain CM increases in 2-2,5 times.

Цель работы заключалась в получении полимерного волокнистого композиционного материала с высокими механическими характеристиками. Объектом исследования являлись многофиламентные модифицированные полиэтиленовые волокна марки D800 с молекулярной массой 1.5-106 г/моль (производство - Китай) для получения волокнистого полимерного композиционного материала (ВПКМ). В исследуемом волокне значения диаметров филаментов находились в пределах 17-22 мкм, а количество филаментов - от 210 до 240 единиц. В качестве матрицы выбрана эпоксидная смола ЭД-20 на основе диглицедилового эфира бифенола А, отвержденную полиэтиленполиамином (ПЭПА).

Для изготовления микрообразцов композиционного материала (КМ) в чашечки из алюминиевой фольги диаметром 10 мм заливали на воздухе смолу, в центре которых находилось натянутое волокно. Длина участка волокна, погруженного в матрицу, составляла 4 мм. Затем в течение суток КМ выдерживали на воздухе при нормальных условиях, далее выдерживали в термостате с температурой 80° С в течение четырех часов.

Для исследования механических свойств волокон и для определения силы, необходимой для выдергивания волокна из матрицы использована разрывная машина РМ-50. Для оценки прочности волокна с матрицей выбран метод wet-pull-out (to wet -смачивать). Метод позволяет совместить оценку характера взаимодействия полимерной матрицы с многофиламентным волокном при условии его смачивания материалом матрицы с одновременным измерением прочности полученного соединения [1].

Получение принципиально новых материалов в настоящее время основано на объемном сочетании двух или более химически разнородных компонентов, с четкой границей раздела между ними [2,3]. Основным фактором, определяющим свойства ВПКМ, является адгезия. Для повышения прочности субстрата с адгезивом необходимо, с одной стороны, повысить степень поперечного сшивания и жесткость граничного слоя, а с другой - возможность взаимной диффузии на границе фаз [4].

Согласно литературным источникам, повышение адгезионной способности субстрата достигается за счет увеличения прочности самих волокон, а также подвижности, гибкости макромолекулярных цепей. Благодаря этому, увеличиваются возможность диффузионных процессов в межфазной зоне и, как следствие, площадь молекулярного контакта между адгезивом и субстратом. Более того, наличие двойных связей, радикалов, свободных валентностей повышают реакционную способность макромолекул и являются источниками высокоэнергетических межфазных связей [5,6].

Модификация и строение многофиламентных волокон способствуют их смачиванию и пропитке за счет капиллярного подъема матрицы по зазорам между филаментами, что делает их перспективными для использования в композиционных материалах.

Микрофотографии волокон в исходном состоянии и после модификации в ВЧЕ-разряде пониженного давления представлены на рис.1, 2.

Рис. 2| - Микрофотография

модифицированного волокна

Данные рисунки свидетельствуют о том, что при воздействии плазмы ВЧЕ-разряда в волокне наблюдаются изменения структуры, появление утолщений по длине волокна типа «бамбук». По-видимому, частично происходят релаксационные процессы в аморфной фазе полимера, в результате чего происходят изменения физических и механических свойств волокон.

Гистограмма молекулярно-массового распределения волокна в исходном состоянии и после модификации представлена на рис. 3.

Рис. 1 - Микрофотография исходного волокна

Число образцов 22

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

О

0.0122 0.0126 0.01Х 0.0134 0.0138 0.0142 0.0146 Масса, г

Рис. 3 - Гистограмма молекулярно-массового распределения волокон Б 800: 1 -исходная масса волокон на длине образца, равной 33 м; 2 - масса волокон после обработки в плазме ВЧЕ - разряда

Данная гистограмма свидетельствует о значительной полидисперсности массы на исследуемой длине волокна в исходном состоянии. После обработки в плазме ВЧЕ-разряда молекулярно-массовое распределение полимера стремится к наиболее вероятностному распределению (подчиняется закону нормального распределения).

На рис. 4 представлена микрофотография разрушенного КМ на основе

модифицированного волокна Б 800.

Этот рисунок

свидетельствует, что после модификации волокна улучшается пропитка волокна материалов матрицы и увеличивается площадь их межфазного взаимодействия, а разрушение носит когезионный характер.

В таблице 1 показана зависимость прочности КМ от режимов обработки.

Изменением физического состояния волокна

(надмолекулярной структуры макромолекул), молекулярной подвижности и гибкости макромолекул можно объяснить увеличение адгезионной прочности композиционного материала на основе обработанных в низкотемпературной плазме волокон Б 800 по сравнению с исходными волокнами.

Рис. 4 - Микрофотография участка

модифицированного волокна, выдернутого из матрицы

Таблица 1 - Значения максимальной нагрузки, выдержанной КМ при выдергивании волокна из матрицы

Режимы обработки Капиллярность, Н, мм о, МПа

I, А и, кВ ^ с

- - - - 247

0,65 4,5 180 63 480

0,5 2,5 180 44 430

0,5 4,5 180 24 457

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1 Молекулярно-массовое распределение волокон свидетельствует о значительной дисперсии массы по длине волокна.

2 Установлено, что при обработке в плазме ВЧЕ-разряда волокна Б 800 происходит изменение структуры волокон: происходит релаксация напряжений в аморфной фазе.

3 Плазменная обработка волокна повышает прочность его соединения с матрицей более чем в два раза за счет гидрофилизации поверхности волокон и улучшения их адгезионных свойств.

Литература

1. Сергеева, Е.А. Исследование адгезионной способности ВВПЭ волокон, обработанных плазмой

ВЧ-разряда / Е.А. Сергеева, И.Ш. Абдуллин, Н.В. Корнеева, В.В. Кудинов, Е.И. Мекешкина-

Абдуллина // Вестник Казанского технол. ун-та. - 2009. №1. - С.27-32.

2. Горбаткина, Ю.А. Адгезионная прочность в системах полимер-волокна / Ю.А. Горбаткина. -М.: Химия, 1987.

3. Справочник по композиционным материалам: в 2х кн./Кн 1./ под ред. Дж. Любина; пер с англ. А.Б. Геллера, М.М. Гельмонта; под ред. Б.Э. Геллера. - М.: Машиностроение, 1988.

4. Абдуллин, И.А. Композиционные материалы с полимерной матрицей : учеб. пособие / И.А.Абдуллин [и др.] - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та. - 2007. - 144 с.

5. Аздгезивы и адгезионные соединения. Пер с англ. // ред. Л. Х. Ли. - М.: Мир, 1988.

6. Абдуллин, И.Ш. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. / И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин, Н.Ф. Кашапов. - Казань.: Изд-во Казан. госуд. унта. - 2000. - 348с.

© Е. А. Сергеева - канд. хим. наук, доц., докторант каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, katserg@rambler.ru; И. А. Гришанова - канд. техн. наук, доц. каф. моды и технологий КГТУ; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, аbdullin_I@kstu.ru.