СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ПОЛИМЕРНОЙ ОСНОВЕ, АРМИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ
METHOD OF PRODUCING POLYMER-BASED, CARBON FIBRE-REINFORCED COMPOSITE MATERIALS

Данное изобретение относится к способу получения композиционных материалов на основе термопластичных полимеров, а именно, к способу получения композита на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, армированного углеродными волокнами. Для большинства высокомолекулярных термопластов традиционные методы формования, такие как экструзия, литье под давлением и т.д., затруднены из за их высокой вязкости, т.к. они не переходят в вязкотекучее состояние даже при температурах, превышающих температуру плавления. Следовательно, важной проблемой, требующей решения, является невозможность использования жидкофазных методов формования при создании композитов на основе этих полимеров.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка твердофазного деформационного метода формования композиционных порошков на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, наполненного углеродными волокнами, со степенью наполнения не более 30 мас.%, обеспечивающего равномерное распределение наполнителя в объеме материала-матрицы, с последующим этапом горячего прессования для изготовления объемных образцов и готовых изделий.
Известен способ получения композиционного материала на полимерной основе, армированного углеродными волокнами (патент UA 41868 U1, 10.06.2009, Д1), а именно способ получения композитов на основе термопластичного полимера, армированного углеродными волокнами, со степенью наполнения не более 30 мас.%, включающий формование композита и получение монолитных образцов из композиционного порошка, которое реализуется методом термопрессования.
Отличием заявленного изобретения является то, что в качестве термопласта используется сверхвысокомолекулярный полиэтилен, а формование композита осуществляется твердофазным деформационным методом, позволяющим распределять наполнитель в объеме материала матрицы и добиваться определенной длины волокон, со следующим этапом термопрессования.
Наиболее широко используемым методом твердофазного формования является обработка в планетарных мельницах, который позволяет наилучшим образом распределить материал-наполнитель по объему. Главным недостатком этого метода является его применимость только к дисперсным наполнителям (порошки, гранулы). В случае использования волокнистых наполнителей, таких как углеродные волокна, которые очень нестойки под воздействием ударных нагрузок, использование высокоэнергонапряженных мельниц приведет к полному механическому разрушению волокон. Расчет для системы СВМПЭ-углеродные волокна показал, что при длине волокон менее 0,8 мм они перестают нести на себе нагрузку и происходит их вырывание из объема материала матрицы, а образовавшиеся поры могут служить концентраторами напряжений и источниками зарождения трещин. Следовательно, для достижения упрочняющего эффекта от армирования волокнами необходимо строго контролировать степень дисперсности используемых волокон, что в случае применения планетарных мельниц практически невозможно. Предложенный метод отличается тем, что для придания волокнам необходимой длины и одновременного их распределения по объему композиционного порошка используется твердофазный метод формования композиционных порошков в ножевой мельнице.
Таким образом, настоящее изобретение относится к способу получения композиционных материалов на основе термопластичных полимеров, а именно, к способу получения композита на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, армированного углеродными волокнами, со степенью наполнения не более 30 мас.%, причем формование композита осуществляется твердофазным деформационным методом, который заключается в совместном помоле порошка термопласта и углеродных волокон в ножевой мельнице, а получение монолитных образцов из композиционного порошка реализуют методом термопрессования, в частности, при температуре 160°С и давлении 60 МПа.
Так как обеспечение адгезии наполнителя к полимеру является принципиальным моментом при создании композиционных материалов, предварительно проводили модификацию поверхности углеродных волокон. Анализ поверхностей модифицированных волокон и их механических характеристик при испытаниях на растяжение выявил, что наиболее оптимальным вариантом является окисление кислородом воздуха при температуре 500°С в течение 10 минут, результатом которого является хорошо развитая поверхность углеродных волокон.
В то же время использование метода деформационного синтеза возможно и в случае использования не модифицированных или модифицированных любыми другими известными способами углеродных волокон.
Предложенный способ реализуется следующим образом: навески порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена и предварительно окисленных углеродных волокон в необходимом процентном соотношении загружают в ножевую мельницу и обрабатывают в течение определенного промежутка времени, необходимого для достижения требуемой длины углеродных волокон и их равномерного распределения по объему композиционного порошка. Длину волокон и равномерность их распределения можно контролировать, проводя отбор проб в процессе помола и исследуя их методом электронной или оптической микроскопии. Для ускорения процесса деформационной обработки, углеродные волокна могут быть нарезаны на куски длиной 5-7 см. В случае с композитами, содержащими графит, сначала смешивают порошки СВМПЭ и графита в течение 15-20 минут, затем добавляют углеродные волокна.
Ниже приведены конкретные примеры получения композиционного материала предложенным способом.
Пример 1: Порошки сверхвысокомолекулярного полиэтилена и графита берут в следующих процентных соотношениях: графит 6 мас.%, СВМПЭ - 94 мас.%, и загружают в ножевую мельницу. Общая масса порошков - не более 30 грамм. Смешение производят в течение 15 минут при водяном охлаждении барабана во избежание перегрева порошков. Электронно-микроскопические исследования показали, что этого времени достаточно для равномерного распределения графита по объему. После этого добавляют углеродные волокна после термического окисления кислородом воздуха при 500°С в течении 10 минут в количестве 4 мас.% и смешивают в течении 5 минут, в результате чего средняя длина углеродных волокон становиться равной 5 мм. Далее из полученного композиционного порошка формируют монолитные образцы методом термопрессования при 160°С и давлении 60 МПа с последующим охлаждением до комнатной температуры.
Пример 2: В порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена добавляют 4 мас.% углеродного волокна нарезанного на куски длиной примерно 5 см, обработанного аналогично примеру 1. В отличие от примера 1 в данном случае требуется меньшее время деформационной обработки, и при времени помола 3 минуты средняя длина волокон в порошковом композите составляет 1 мм. Монолитные образцы получают по режимам, указанным в примере 1.
Пример 3. Отличается от примера 2 тем, что содержание волокна увеличивают вдвое, т.е. до 8 мас.%, в данном случае, для достижения длины волокон 1 мм требуется более длительное деформационное воздействие, поэтому смешение проводят в течение 6 минут. Полученный композиционный порошок компактируют методом термопрессования аналогично примеру 1.