Способ получения композиционного материала с ориентированными углеродными нанотрубками
METHOD FOR PRODUCTION OF COMPOSITE MATERIAL WITH ORIENTED CARBON NANOTUBES

Изобретение относится к области производства композиционных материалов, состоящих из армирующего материала, полимерной матрицы и наполнителя, в роли которого выступают углеродные нанотрубки и может быть использовано при создании композиционных материалов с повышенной прочностью за счет использования однородного постоянного электрического поля, разрушающего агломераты углеродных нанотрубок и ориентирующего нанотрубки.
Известен способ получения композиционного армированного материала, позволяющий ориентировать углеродные нанотрубки под углом 90° относительно направления укладки армирующих волокон воздействием электрического поля частотой от 0 до 30 кГц и напряженностью от 20 до 150 В/мм (Патент РФ №2468918. опубликованный 10.12.2012).
Недостатком данного способа является то, что углеродные нанотрубки будут ориентированы перпендикулярно направлению укладки, что сделает их концентраторами напряжений в случае приложения силы вдоль армирующего материала, а кроме того, углеродные нанотрубки в данном случае требуют предварительной обработки ультразвуком в растворителе с последующим удалением растворителя.
Известен способ получения слоистого углеродного композиционного материала с высоким сопротивлением к расслаиванию включает пропитку слоистого углеродного материала полимерным связующим, которое содержит углеродные нанотрубки, ориентированными в магнитном поле (патент РФ 2380232, опубликовано 27.01.2010 г.).
Недостатками данного способа является то, что он требует модифицированных углеродных нанотрубок, а кроме того, ориентирует нанотрубки в направлении, перпендиклярном слоям, что может стать концентратором напряжений.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ получения композиционного материала с ориентированными углеродными нанотрубками, позволяющий создать полимерный нанокомпозиционный материал с ориентированными нанотрубками с помощью электрического поля (патент CN 1843905 A, опубликовано 11.10.2006 г.).
Недостатками известного способа, в том числе технической проблемой является то, что в нем не используются волокна или какой-либо другой армирующий материал, кроме углеродных нанотрубок, что не позволяет добиться большей прочности на разрыв.
В основу заявленного изобретения был положен технический результат - повышение прочности на разрыв за счет использования однородного постоянного электрического поля, разрушающего агломераты углеродных нанотрубок и ориентирующего нанотрубки вдоль направления движения армирующего материала, то есть вдоль направления приложения силы.
Технический результат достигается тем, что в способе получения композиционного материала с ориентированными углеродными нанотрубками, заключающемся в создании полимерного композиционного материала с ориентированными нанотрубками с помощью электрического поля, армирующий материал пропускается через пропиточную ванну, содержащую полимерное связующее и углеродные нанотрубки в направлении вектора напряженности однородного постоянного электрического поля, возникающего при подаче постоянного электрического тока, разрушающего агломераты углеродных нанотрубок и ориентирующего нанотрубки вдоль направления движения армирующего материала.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема установки, где 1 - армирующий материал, 2 - пропиточная ванна, 3 - обкладки, 4 - ориентирующий блок, 5 - ролики, 6 - оправка, 7 - емкость со связующим, 8 - шпулярник, 9 - оси, 10 - углеродные нанотрубки, 11 - полимерное связующее.
На фиг. 2 приведена принципиальная схема ориентирующего блока, где 12 - трансформатор, 13 - диодный мост.
Способ получения композиционного материала с ориентированными углеродными нанотрубками заключается в создании полимерного композиционного материала с ориентированными нанотрубками с помощью электрического поля, при этом армирующий материал 1 пропускается через пропиточную ванну 2, содержащую полимерное связующее 11 и углеродные нанотрубки 10 в направлении вектора напряженности однородного постоянного электрического поля, возникающего при подаче постоянного электрического тока, разрушающего агломераты углеродных нанотрубок 10 и ориентирующего нанотрубки вдоль направления движения армирующего материала 1.
Способ получения композиционного материала с ориентированными углеродными нанотрубками реализуется следующим образом.
Армирующий материал 1 (нити, ленты, волокна) проходит в пропиточную ванну 2, в которой установлены обкладки 3, соединенные с ориентирующим блоком 4, после чего проходит через ролики 5 и наматывается на оправку 6.
Армирующим материалом 1 может быть волокно, например угольное, нити, например, стеклонити, различные ленты. Полимерным связующим 11 могут быть различные смолы, как то: эпоксидные смолы, полиэфирные смолы, полиамидные смолы, лаки, например, бакелитовые.
Для реализации изобретения были выбраны эпоксидно-диановая смола в качестве связующего, стеклонить в качестве армирующего материала.
В таблице показаны значения
Проведенные эксперименты показывают, что указанный способ позволяет повысить прочность до 1,68 раза.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в формуле изобретения обеспечивает заявленный технический результат, то есть создание композиционных материалов с повышенной прочностью за счет использования однородного электрического поля, разрушающего агломераты углеродных нанотрубок и ориентирующего нанотрубки.