Исследование свойств углеродных волокон, модифицированных высокочастотным емкостным разрядом

УДК 66.022.1:541-16: 691.175.3

А. Р. Гарифуллин, И. Ш. Абдуллин

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН, МОДИФИЦИРОВАННЫХ

ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ЕМКОСТНЫМ РАЗРЯДОМ

Ключевые слова: высокочастотный емкостной (ВЧЕ) разряд, углеродное волокно (УВ), поверхностные свойства, адгезия,

модификация.

В статье даны результаты исследований свойств УВ после обработки плазмой ВЧЕ разряда. Установлена эффективность инструмента обработки в модификации поверхностных свойств УВ.

Keywords: radio-frequency capacity discharge, carbon fibers (CF), surface properties, adhesion, modification.

The article presents the results of studies of the surface properties of carbon fibers after radio-frequency capacitive discharge plasma treatment. Evaluated the effectiveness of this tool of treatmentfor the carbon fibers' modification.

Введение

В связи с развитием науки и переходом на использование композиционных материалов в различных областях индустрии, повышается спрос на полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе УВ. Для достижения необходимого результата в уменьшении веса продукта с, как минимум, сохранением прочностных свойств, необходима высокая адгезия между наполнителем и матрицей ПКМ, так как это один из важнейших факторов в свойствах композитов. Существующее разнообразие методов модификации УВ с целью увеличения адгезии в ПКМ исследовано в работе [1].

Главными научно-техническими задачами получения композиционного материала из много-филаментного волокна является наиболее полная его пропитка матрицей и создание прочного соединения между этими компонентами. Для начала физико-химического взаимодействия между волокном и матрицей они должны войти в физический контакт, который достигается смачиванием поверхности волокна материалом матрицы.

Мировой опыт создания композиционных материалов говорит о необходимости активации поверхности волокон. На сегодняшний день в производстве перед нанесением материала полимерной матрицы волокно обрабатывают химическими растворами, которые являются агрессивными средами и ядовиты, а значит, требуют сложных систем защиты и утилизации, как опасные отходы. [2-5]

Перспективным инструментом обработки материалов различной природы является высокочастотная (ВЧ) плазма при пониженном давлении. Она позволяет обрабатывать органические и неорганические материалы различного состава и структуры, а также поверхности изделий сложной конфигурации. Ко всему прочему технология обработки ВЧ плазмой является экологически безопасной.

Предшествующий опыт модификации волокнистых материалов показывает положительное влияние ВЧ плазмы на их адгезионные свойства [6,7].

Экспериментальная часть

В качестве объектов исследования рассмотрено три вида УВ, различающихся степенью графи-тизации и структурой плетения: высокомодульное

волокно Кулон 500/0,07, карбонизованные волокна ЛУП-0,2 Урал Т-2-22р.

Для модификации использовалась высокочастотная плазменная установка емкостного разряда с плоско-параллельными электродами, состоящая из: ВЧ генератора, вакуумной системы, системы водяного охлаждения, системы регулирования подачи плазмообразующего газа, диагностической аппаратуры, аппаратуры контроля [8].

В работе входные параметры установки устанавливались в следующих пределах: расход плаз-мообразующего газа 0,04 г/с, давление в вакуумной камере 26 Па. В качестве плазмообразующего газа в экспериментах использовался технический аргон.

Полученные эффекты плазменного воздействия интегрально оценивались сравнением капиллярности по эпоксидной смоле марки ЭД 20 обработанных ВЧЕ плазмой волокон с контрольными.

Определение величины удельной поверхности проводили методом термодесорбции азота на установке NOVA 2200e фирмы «Quantachrom» (США).

После плазменной обработки образцы волокна показывают тенденцию к увеличению величины высоты поднятия эпоксидной смолы. Это свидетельствует об улучшении смачиваемости углеродной ткани.

Установлено, что при одинаковом времени плазменного воздействия равного 5 мин в среде аргона увеличение ВЧ напряжения на электродах приводит к снижению капиллярного поднятия эпоксидной смолы (рис.2).

k4 мм

4.(1

3.0 2,5 -,<> 1,5 1 .о 0,5 а, и

Контроль V-> IM

Рис. 1 - Влияние обработки на изменение капиллярности УВ: 1 - УВ ЛУП-0,2; 2 - УВ Кулон 500/0,07

Рис. 2 - Влияние напряжения между пластинами на капиллярность УВ марки Урал Т-2-22р

ЕЬ. %

Рис. 3 - Влияние времени обработки на капиллярное поднятие эпоксидной смолы УВ марки Урал Т-2-22р

Увеличение времени плазменного воздействия при фиксированном напряжении иа = 1,5 кВ приводит увеличению капиллярности, напротив, увеличение времени плазменного воздействия при напряжении 3 кВ приводит к её снижению (рис. 3).

Образцы УВ обработанные в ВЧ плазмы пониженного давление при использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа показали тенденцию к увеличению удельной площади поверхности (табл. 1).

Таблица 1 - Удельная площадь поверхности УВ, измеренная методом термодесорбции азота.

Образец Режим Масса навески, г Объем ячейки, 3 см Уд. площадь поверхности, м2/г Es, %

Кулон 500/0,07 контроль 0,1232 0,0316 3,022 19

опыт 0,1039 0,0266 3,609

ЛУП-0,2 контроль 0,2175 0,0558 1,106 77

опыт 0,1581 0,0405 1,958

Отметим, что УВ с меньшей степенью карбонизации показывают большее изменение поверхности при одинаковом режиме плазменного воздействия.

Выводы

На основе экспериментальных данных предполагается, что увеличение смачиваемости поверхности углеродного волокна, а также увеличение удельной площади его поверхности после обработки в ВЧЕ разряде приведет к повышению адгезионной прочности между УВ и полимерной матрицей, что позволит улучшить физико-механические свойства композиционных материалов на их основе.

Литература

1. Гарифуллин А.Р. Современное состояние проблемы поверхностной обработки углеродных волокон для последующего их применения в полимерных композитах в качестве армирующего элемента/ А.Р. Гарифуллин, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - №7. - С. 80-85.

2. Тихомиров А.С. Модифицирование поверхности углеродного волокна растворами азотной кислоты / А.С.Тихомиров, Н.Е. Сорокина, В.В. Авдеев // Неорган. матер. - 2011. 47. N 6, с. 684-688.

3. Li J. The effect of nitric acid oxidization treatment on the interface of carbon fiber-reinforced thermoplastic polystyrene composite / J. Li., F.F. Sun // Polym.-Plast. Technol. and Eng. - 2009. 48. N 7. P. 711-715.

4. Modification of the surfaces of a gas activated carbon and a chemically activated carbon with nitric acid, hypochlorite and ammonia / P. Vinke, Vander Eijk M., M. Verbree, A.F. Voskamp, Van Bekkum H. // Carbon. -1994. - V.32. №4. - P.675-686.

5. Activated сarbon surface modifications by nitric acid, hydrogen peroxide and ammonium peroxydisulfate treatments / С. Moreno-Castilla, М.А. Ferro-Garcia, J.P.Joly, I.Bautista-Toledo, F.Carrasco-Marin, J.Rivera-Utrilla// Langmuir. - 1995. -V.11. №11. - P.4386-4392.

6. Повышение адгезионной способности сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна с помощью плазменной обработки / Е.А. Сергеева, А.Р. Ибатул-лина, Ф.Ф. Кадыров // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - №17. - С. 123-126.

7. Сергеева Е.А. Изменение поверхностных и физико-механических свойств арамидных волокон, модифицированных потоком плазмы высокочастотного емкостного разряда пониженного давления / Е.А. Сергеева, А.Р. Ибатуллина // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - №4. - С. 63-66.

8. Абдуллин И.Ш. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения./ Абдуллин И.Ш., Желтухин В.С., Кашапов Н.Ф, - Казань: Изд-во Ка-зан.ун-та, 2000. - 348с.

© А. Р. Гарифуллин - асп. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, darin-loko@yandex.ru; И. Ш. Абдуллин - д.т.н., профессор, проректор по научной работе КНИТУ, зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, abdullin_i@kstu.ru.

© A. R. Garifullin - postgraduate student of the department PNTMC KNRTU, darin-loko@yandex.ru; I. Sh. Abdullin - professor, head of the department PNTMC KNRTU, abdullin_i@kstu.ru.