ПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
POLYMER COMPOSITE MATERIAL AND METHOD OF OBTAINING THEREOF

Изобретение относится к полимерным композиционным материалам, в частности к углепластикам на основе полисульфона, которые применяются в авиа-, вертолето- и автомобилестроении.
Известно, что свойства композитов определяются не только свойствами армирующих волокон и матриц, но и их взаимодействием на границе раздела, в первую очередь, прочностью сцепления волокна с матрицей [Э.С. Зеленский, А.М. Куперман, Ю.А. Горбаткина, В.Г. Иванова - Мумжиева, А.А. Берлин. Армированные пластики - современные конструкционные материалы. // Рос.хим. ж. (Ж. Рос.хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2001, т.XLV. - №2. - с.56-74]. При получении углепластиков проблемой является образование пустот в материале из-за недостаточной смачиваемости углеродного наполнителя полимерной матрицей [Справочник по композиционным материалам. Кн.1. - Под ред. Дж. Любина. - Пер. с англ. - М.: Машиностроение. - 1988. - с.142]. Это приводит к ухудшению прочностных характеристик, в частности прочности на сжатие.
Известны полимерные композиции [Патент РФ №2201423 от 27.03.2003 г. Полимерное связующее и высокопрочные термостойкие композиционные материалы на его основе. Авторы: Глухова С.С., Гуняев Г.М., Давыдова И.Ф., Минаков В.Т. Каблов Е.Н., Кавун Н.С., Панина Т.В., Пономарев И.И., Раскутин А.Е., Румянцев А.Ф., Сидоренко В.И.], полученные на основе полимерного связующего (аппрет) и стеклоткани или углеродного наполнителя. Предварительно получают связующее - олигомер путем взаимодействия тетранитрила ароматической тетракарбоновой кислоты и ароматического бис-о-цианамина при температуре 170-180°С. Связующее получают в порошкообразном виде.
Основным недостатком приведенного решения является сложность процесса синтеза связующего. Неполная степень превращения мономеров во время синтеза может привести к выделению побочных низкомолекулярных продуктов реакции при совмещении связующего с наполнителем при повышенной температуре, а следовательно, к образованию пустот в композиционном материале, что будет приводить к ухудшению прочностных характеристик материала. Кроме того, порошкообразные аппреты могут недостаточно равномерно покрывать поверхность наполнителя.
Известен способ аппретирования углеродного волокна [Патент РФ №2054015. Способ аппретирования углеродного волокна для производства полисульфонового углепластика Опубл. 1996 г. Авторы: Головкин Г.С., Шибанов А.К., Степанова М.И.]. Способ включает смешение с растворителем блоксополимера, состоящего из звеньев бисметакрилоилоксидиэтиленгликольфталата и бисметакрилоилокси-триэтиленгликольфталата, пропитку углеродного наполнителя с последующей сушкой для удаления растворителя и полимеризации пленки аппрета на волокне, отличающийся тем, что смешение осуществляют в воде с одновременным воздействием ультразвукового излучения при частоте от 15 до 44 кГц и длительности воздействия от 5 до 14 минут.
Недостатками способа являются использование водных растворов блоксополимеров для смачивания гидрофобных поверхностей углеродного волокна и необходимость дальнейшей полимеризации на поверхности наполнителя. Следствием может быть неравномерное смачивание наполнителя, а следовательно, ухудшение свойств получаемого углепластика.
Наиболее близким к предлагаемому решению является полимерный композиционный материал [Патент РФ №2057767. Опубл. 10.04.1996. Головкин Г.С., Шибанов А.К., Степанова М.И., Антонов В.В. Полимерный композиционный материал] на основе полисульфоновой матрицы и углеродных армирующих волокон. Для получения аппрета углеродной ленты мономеры - метакриловую кислоту, диэтиленгликоль, бензолсульфокислоту в виде смеси в воде наносят на поверхность углеродных волокон и осуществляют их сополимеризацию при температуре 115-125°С в течение 1 часа. Для получения полимерного композита осуществляют сборку пакета из заготовок углеродной ленты и пленочного полисульфона в различных соотношениях, прессуют пакет при 295°С в течение 45 минут при давлении 2,0 МПа.
Основным недостатком предлагаемого решения является использование водной среды для нанесения на углеродную ленту смеси мономеров. Так как углеродные волокна и ленты являются гидрофобными, добиться равномерного распределения водного раствора смеси мономеров сложно. В результате полимеризации также возможна неполная конверсия мономеров, что может привести к образованию и выделению воды на других этапах получения полимерного композита, что приведет к образованию пор и снижению прочностных характеристик. Наличие в водной среде бензолсульфокислоты может также приводить к накоплению ионов, что может ухудшить диэлектрические свойства.
Задача настоящего изобретения заключается в получении композиционного материала на основе полисульфона, армированного углеродными волокнистыми наполнителями с улучшенной прочностью на сжатие и разработка способа его получения.
Поставленная задача достигается тем, что композиционный материал, армированный углеродными наполнителями, получают предварительной обработкой углеродной ленты (волокна) аппретирующим материалом - полигидроксиэфиром на основе бисфенола А с молекулярной массой 50-60 тыс. в виде 3-7% растворов в легколетучих органических растворителях (хлороформ, тетрагидрофуран, промышленный растворитель 646 и др.). Такая обработка термопластичным аппретом - полигидроксиэфиром повышает смачиваемость наполнителя полисульфоном, позволяет снизить температуру прессования на 30-40°С, а также многократно проводить при необходимости термообработку без изменения свойств аппрета. Углеродный наполнитель покрывают аппретирующим составом путем распыления либо окунания, затем высушивают до постоянного веса и собирают пакет, чередуя наполнитель с пленкой полисульфона, и прессуют на гидропрессе при давлении 1,0-2,0 МПа при температуре 250-260°С в течение 30-40 минут.
Пример 1. Получение полимерного композиционного материала на основе промышленного полисульфона ПС-Н в качестве матрицы и армирующих углеродных лент предварительным аппретированием наполнителей. Готовят аппретирующий состав: 5%-й раствор термопластичного полигидроксиэфира на основе бисфенола А с молекулярной массой 50-60 тыс.в хлороформе, которым пропитывают углеродные ленты или волокна. Пропитанный наполнитель высушивают до постоянного веса, собирают пакет из слоев пленочного полисульфона и аппретированной углеродной ленты, прессуют при температуре 260°С в течение 30 минут, охлаждают. Свойства композиции приведены в таблице.
Пример 2. По примеру 1, в качестве аппретирующего состава применяют 3%-й раствор термопластичного полигидроксиэфира на основе бисфенола А с молекулярной массой 50-60 тыс.в техническом растворителе 646. Свойства композиции приведены в таблице.
Пример 3. По примеру 1, в качестве аппретирующего состава применяют 7%-й раствор термопластичного полигидроксиэфира на основе бисфенола А с молекулярной массой 50-60 тыс.в тетрагидрофуране. Свойства композиции приведены в таблице.
Таблица
Свойства полученных углепластиков
ПС-Н-углелента
ПС-Н-углелента (3% р-р аппрета)
ПС-Н-углелента (5% р-р аппрета)
ПС-Н-углелента (7% р-р аппрета)
Прочность на сжатие, кгс/мм
50
68-70
73-75
70-75
*- исследования проводились в ФГУП ВИАМ.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении прочности на сжатие полисульфонового углепластика на 40-50% за счет введения термопластичного аппрета - полигидроксиэфира, который повышает смачиваемость наполнителя и увеличивает взаимодействие между наполнителем и полисульфоновой матрицей.