Влияние плазменной обработки на адгезионные свойства стекловолокон к полимерным связующим

ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ

УДК 678

А. С. Парсанов, Н. М. Тимошин, Ю. А. Тимошина ВЛИЯНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ НА АДГЕЗИОННЫЕ СВОЙСТВА СТЕКЛОВОЛОКОН

К ПОЛИМЕРНЫМ СВЯЗУЮЩИМ

Ключевые слова: Композиционный материал, прочность, стекловолокно, матрица, адгезия.

Получены экспериментальные зависимости изменения поверхностных и адгезионных свойств стекловолокон от мощности разряда и продолжительности плазменной модификации.

Keywords: Composite material, glass fiber, matrix, adhesion.

Experimental dependences of the surface and adhesion properties of glass on the power discharge and duration of plasma modification.

В настоящее время рост производства стекловолокна объясняется его

многофункциональностью и широким

применением в различных отраслях промышленности: в авиакосмической технике, в транспортном машиностроении, в судостроении, в электро- и вычислительной технике, в строительстве и др. В наибольших объемах стекловолокно используется в производстве композиционных изоляционных материалов, которые обеспечивают защиту при длительном воздействии высоких температур и вибрации в течение всего срока эксплуатации.

Однако в технологическом процессе производства стекловолокнистых материалов неотъемлемой частью является нанесение технических замасливателей и аппретов на волокно, что может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на некоторые свойства получаемых материалов. Замасливатели различных типов используются для исключения слипания, растрескивания и спутывания волокон во время их производства, намотки и транспортировки. Но вместе с этим использование замасливателей приводит к повышению инертности поверхности волокнистых

материалов, что оказывает негативное влияние на адгезионную прочность производимых

композиционных материалов на основе стекловолокон. Поэтому существует

необходимость активации поверхности

стекловолокон и удаление лишних составляющих замасливателя с их поверхности для повышения адгезионной способности волокон к полимерным матрицам.

В последнее время для модификации текстильных волокон и материалов различной структуры наиболее часто начали применять высокочастотные (ВЧ) разряды. Плазменная модификация позволяет эффективно изменять поверхностные, физические и механические свойства волокнистых материалов. Кроме того, плазменная технология относится к экологически чистым процессам, и в отличие от традиционных

методов обработки, электрофизические методы, в том числе плазменные, более эффективны и требуют вложения лишь единовременных инвестиций [1].

Для экспериментальных исследований использовали ровинг марки ЕС 2400-350 производства ООО «П-Д Татнефть-Алабуга Стекловолокно» (Россия, РТ).

Для модификации стекловолокон применялась экспериментальная плазменная установка ВЧЕ разряда пониженного давления (рис. 1).

•Г

Рис. 1 - Схема экспериментальной ВЧЕ установки: 1 - рамка для фиксации образца; 2 - ВЧ электроды; 3 - колпак вакуумной камеры; 4 - консоль для открытия колпака; 5 -вакуумная камера; 6 - система подачи и регулирования плазмообразующего газа; 7 -ВЧ генератор; 8 - откачная система

Обработку образцов волокнистых материалов проводили следующим образом: образцы необходимо подвесить на стеклянную раму (1) и установить между электродами установки (2), расположенными в вакуумной камере (5), закрыть колпак вакуумной камеры. Посредством откачной системы (8) производится предварительная откачка воздуха из вакуумной камеры. Далее

через систему подачи (6) в разрядную камеру подается плазмообразующий газ и устанавливается необходимое давление. Режимы модификации в плазме устанавливаются с помощью регулирования подаваемой мощности, давления в камере, расхода плазмообразующего газа, продолжительности обработки.

Для установления закономерностей воздействия ВЧ плазмы на образцы стекловолокон, их обработка проводилась при изменении входных параметров установки в следующих пределах: мощность разряда - от 1,0 до 2,0 кВт, время обработки - от 60 до 360 секунд. Из ранее проведенных исследований [2] следует, что для ВЧ плазменной обработки капиллярно-пористых и волокнистых материалов оптимальное значение давления в рабочей камере составляет 26,6 Па, расход плазмообразующего газа - 0,04 г/с. С целью повышения показателей смачиваемости стекловолокнистых материалов при их обработке плазмой ВЧЕ разряда в качестве плазмообразующего газа применяли аргон.

Степень смачиваемости поверхности стекловолокон оценивалась определением краевого угла смачивания, а также временем растекания капли по поверхности материала. Поиск режима плазменной модификации, в котором наблюдается достижение наименьших значений краевого угла смачивания и времени растекания капли, осуществлялся варьированием мощности разряда плазменной модификации. Зависимость краевого угла смачивания стекловолокон от мощности разряда плазменной модификации представлена на рисунке 2.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что наименьшее значение краевого угла смачивания поверхности модифицируемого волокнистого материала достигается при мощности разряда плазменной модификации равной 1,4 кВт. При обработке волокон в данном режиме значение краевого угла смачивания уменьшилось в 2,5 раза по сравнению с исходными образцами и составило 38°. Растекание капли по поверхности образцов, обработанных плазмой ВЧЕ разряда, происходит практически мгновенно.

с I i,i 1.4 1.6 1,8 г

Мощность мзгала. кВт

Рис. 2 - Зависимость краевого угла смачивания стекловолокон от мощности разряда плазменной модификации

Далее для определения оптимального режима плазменной модификации было произведено варьирование параметра продолжительности модификации. Экспериментально полученная зависимость краевого угла смачивания стекловолокон от продолжительности плазменной модификации представлена на рисунке 3.

О 120 ------

м о -I------

О 60 120 ISO 210 300 360

Bpesu обработки, с

Рис. 3 - Зависимость краевого угла смачивания стекловолокон от продолжительности плазменной модификации

Анализ полученных результатов

экспериментов показывает, что минимальное значение краевого угла смачивания для стекловолокнистых материалов наблюдаются при продолжительности плазменной модификации равной 240 с. При данной продолжительности плазменной обработки происходит уменьшение краевого угла смачивания в 2,9 раза.

Таким образом, экспериментально определен оптимальный режим обработки стекловолокна потоком плазмы ВЧЕ разряда, в котором наблюдается наибольшее увеличение степени смачиваемости стекловолокон: Wр = 1,4 кВт; t = 240 с; Р=26,6 Па; G=0,04 г/с; плазмообразующий газ - аргон.

Повышение показателей смачиваемости волокон соответствует улучшению условий взаимодействия жидкой среды с

модифицированным материалом, а,

следовательно, приводит к увеличению адгезионных свойств. Для установления влияния плазменной модификации на изменение показателей смачиваемости стекловолокон эпоксидной матрицей, а также на повышение прочности связи стекловолокон с эпоксидным связующим использовали метод wet-pull-out [3]. В качестве связующего использовали эпоксидную смолу ЭД-20 с отвердителем ПЭПА (полиэтиленполиамин). Пропитка материалом матрицы производилась в воздушной среде.

Для оценки адгезионной прочности основным критерием качества связи компонентов рассматривалась сила разрушения связи стекловолокна с эпоксидной матрицей (рис. 4). Значение силы разрушения определялось количеством силы, требуемой для выдергивания образца волокна из отвержденного материала матрицы (разрушающая нагрузка) при постоянной глубине заделки волокна. Эксперименты

проводили с образцами до и после плазменной модификации в оптимальном режиме. Пропитка матрицей проводилась в воздушной среде. Испытания проводились на разрывной испытательной машине РМ-50.

256 210

220

200

1В0

160 МО 120 100 ао 60 10 20 0 1

л

а 02 04 0.6 0.8 1 1,2 1.1 1.6 1.8 2 Удлиненными)

Рис. 4 - Характер кривой разрушения микрокомпозита: 1 - образец с исходным стекловолокном; 2 - образец с модифицированным стекловолокном

Нормированная величина разрушающей нагрузки определяется отношением разрушающей нагрузки матрицы композита к глубине заделки матрицы. Глубина заделки матрицы во всех образцах была постоянной и равна 2 мм.

В таблице 1 приведены значения пересчета значений разрушающей нагрузки матрицы в нормированную величину разрушающей нагрузки микрокомпозита. Также производили оценку смачиваемости стекловолокон эпоксидным связующим путем определением высоты поднятия матрицы по волокнистому материалу (табл. 1).

Таблица 1 - Влияние плазменной модификации на смачиваемость стекловолокон эпоксидным связующим и нормированную величину разрушающей нагрузки матрицы

микрокомпозита

Режим обработки Смачиваемость волокон эпоксидной матрицей, мм Нормированная величина разрушающей нагрузки, Н/мм

Без обработки 8 77

Wр = 1,4 кВт; г = 240 с; Р = 26,6 Па; Саргон=0,04 г/с 12 98

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что смачиваемость модифицированных стекловолокон эпоксидной матрицей возросла в 1,5 раза по сравнению с исходными образцами. Нормированная величина разрушающей нагрузки микрокомпозита, для производства которого использовались стекловолокна, обработанные плазмой ВЧЕ

разряда пониженного давления в оптимальном режиме, возросла в 1,3 раза по сравнению с исходным немодифицированным образцом.

На основе полученных результатов исследования поверхностных и адгезионных свойств модифицированных стекловолокнистых материалов потоком плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления подтверждено, что эффект плазменной обработки зависит от технологических параметров плазменной обработки, а именно мощности разряда и времени модификации. Обработка стекловолокон потоком плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления в оптимальном режиме в плазмообразующей среде аргона позволяет эффективно увеличивать показатели смачиваемости стекловолокон. При данных параметрах плазменной обработки обеспечивается необходимая энергия ионов, что позволяет ионам плазмообразующего газа внедряться в приповерхностную область модифицируемых образцов, что приводит к изменению поверхностных свойств

стекловолокон. В данном случае после очищения волокна от механических примесей и замасливателя происходит некоторое нарушение сплошности поверхностного слоя и образование более развитого рельефа поверхности волокна, что вызывает существенное увеличение смачиваемости поверхности волокон по сравнению с немодифицированными образцами. В ходе обработки стекловолокон потоком плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления происходит распыление и удаление с поверхности волокон компонентов технических замасливателей, что приводит к повышению показателей смачиваемости стекловолокон.

Таким образом, можно сделать вывод, что модификация стекловолокнистых материалов потоком плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления приводит к увеличению смачиваемости субстрата адгезивом и повышению их адгезионной прочности, что в свою очередь является необходимым условием для получения композиционных материалов с повышенной прочностью. Кроме того, плазменные технологии относятся к экологически чистым процессам и требуют вложения лишь единовременных инвестиций, поэтому применение данного метода является перспективным в процессе регулирования свойств стекловолокнистых материалов, а также производства волокнистых композиционных материалов с повышенной адгезионной прочностью.

Литература

1. Сергеева, Е.А. Влияние плазменной обработки на физико-механические свойства волокон из сверхвысокомолекулярного полиэтилена / Е.А. Сергеева, Ю.А. Букина, А.Р. Ибатуллина // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - №17. - С. 116119.

2. Сергеева, Е.А. Гидрофилизация поверхности тканей на основе волокон из сверхвысокомолекулярного полиэтилена с помощью плазменной обработки / Е.А. Сергеева, Ю.А.

Букина, И.П. Ершов // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - №17. -С. 110-112.

3. Кудинов, В.В. Оценка физико-химического взаимодействия между волокном и матрицей при

получении композиционных материалов методом wet-pull-out. / В.В. Кудинов, И.К. Крылов, Н.В. Корнеева, В.И. Мамонов, М.В. Геров // ФХОМ. - 2007. - №6. - С. 68-72.

© А. С. Парсанов, к.т.н., доцент каф. ТХНВИ КНИТУ, aparsanov@yandex.ru; Н. М. Тимошин, ассистент той же кафедры, dolsky88@yandex.ru; Ю. А. Тимошина, к.т.н., ассистент каф. ПНТВМ КНИТУ, ybuki@mail.ru

© N. M. Timoshin, candidate of Technical Sciences, associate professor of the department «The technology chemical and natural fibers and articles», KNRTU, aparsanov@yandex.ru; N. M Timoshin, assistant of the department «The technology chemical and natural fibers and articles», KNRTU, dolsky88@yandex.ru; Y. A. Timoshina, candidate of technical science, assistant of the department «Plasma chemical and nanotechnology of high molecular materials», KNRTU, ybuki@mail.ru.