Исследование плазменного воздействия на прочность соединения углеродного волокна с эпоксидной матрицей при получении композиционных материалов

УДК 66.022.1:541-16: 691.175.3

А. Р. Гарифуллин, И. Ш. Абдуллин, Е. А. Скидченко

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОЧНОСТЬ СОЕДИНЕНИЯ

УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА С ЭПОКСИДНОЙ МАТРИЦЕЙ

ПРИ ПОЛУЧЕНИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

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

Разработана методика подготовки образцов УВ для изучения адгезионной прочности в микрокомпозите путем сплетения нитей. Исследовано, что плазменная активация УВ способствует повышению прочности соединения «волокно-матрица», что по прогнозам приведет к увеличению прочностных свойств полимерного композиционного материала (ПКМ) после модификации.

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

The technique ofpreparation of the CF samples for the study the adhesive strength in microcomposite by weaving filaments has been developed. It was shown that the plasma treatment of the carbon fibers contribute to the strength of the compound, CF and an epoxy resin that is projected will increase the strength properties of the polymer composite material based on modified fibers.

Введение

Основное значение в обеспечении прочности углеродных ПКМ несет адгезионная прочность соединения между волокном и матрицей в элементарной ячейке композита. Преимущественно она влияет на то, как будут реализованы прочностные свойства волокон в составе углепластика, а также на механизм разрушения материала. Управление физико-химическим взаимодействием между компонентами при формировании ПКМ с высокими удельными свойствами является главной проблемой их получения [1].

Беря во внимание тот факт, что низкая адгезия является «слабым» местом композиционных материалов, а совершенствование качества непрерывно продолжается [2,3], был предложен и опробован метод модификации УВ путем ВЧЕ плазменной обработки, при которой увеличились: смачиваемость, удельная площадь поверхности гидрофи-лизация [4] образцов, что позволило предположить о повышении адгезионной прочности между УВ и полимерной матрицей. Предшествующий опыт модификации волокнистых материалов показывает положительное влияние ВЧ плазмы на их адгезионные свойства [5,6]. В данной работе исследовано влияние предварительной обработки УВ на прочность соединения наполнителя и матрицы в первом приближении.

Экспериментальная часть

В качестве объекта исследования была выбрана углеродная лента марки КУЛОН 500/0,07 (ООО «Аргон», г. Балаково), эпоксидная смола ЭД-20, ПЭПА.

Для обработки УВ потоком ВЧЕ разряда при пониженном давлении использовалась опытно-промышленная плазменная установка с двумя плоско-параллельными электродами. В качестве плазмо-образующего газа использовался воздух. Модификация проводилась при напряжение на аноде Ш = 5

кВ, давление Р = 26,6 Па. Время обработки и = 20 мин, t2 = 40 мин.

Углеродные волокна сплетались в жгут, состоящий из трех «косичек», основой которых служили нити, вычлененные из состава углеродной ленты. Образовавшиеся образцы закреплялись между двумя ванночками из пластика, которые заливались эпоксидной смолой марки ЭД-20.Условия отверждения матрицы: 22 часа при комнатных условиях, 2 часа при t=40°C.

Испытания на выдергивание сплетенных нитей УВ из эпоксидной смолы проводились на универсальной испытательной машине Shimadzu AGS-5kNX со скоростью 1 мм/мин.

Образцы микрокомпозитов с необработанными волокнами удалось выдернуть из слоя матрицы. Последующие испытания по выдергиванию обработанных в течение как 20, так и 40 минут волокон были охарактеризованы изломом ЭС при аналогичных и больших показателях толщины слоя. Увеличение плазменного воздействия привело к повышению среднего отношения максимальной нагрузки к толщине эпоксидной смолы (при и=20 минут), а затем к некоторому уменьшению этого показателя (при t2=40 минут) (рис. 1).

РЛ

Рис. 1 - Влияние времени обработки на среднее отношение максимальной нагрузки к толщине эпоксидной смолы

Важно отметить, что при испытании контрольных образцов, происходило выдергивание сплетенных углеродных нитей из эпоксидной смолы. При испытании обработанных образцов наблюдался излом эпоксидной смолы, нити не выдергивались (табл. 1), тем самым из качественного эксперимента можно предположить об увеличение прочности связывания УВ с ЭС.

ха способствует повышению прочности соединения УВ марки Кулон 500/0,07 и эпоксидной смолы.

Таким образом, по итогам испытаний выявлена тенденция к увеличению адгезионной способности УВ при обработке ВЧ емкостной плазмой при пониженном давлении в среде воздуха, что по прогнозам приведет к увеличению прочностных свойств ПКМ на основе модифицированного волокна.

Таблица 1 - Среднее отношение максимальной нагрузки к толщине эпоксидной смолы

Режим, мин № п/ п P, H l, мм Примечание P/l (P/l) ср.

контроль 1 19, 34 1,5 5 выдергивание 12, 48 12,36

2 23, 76 1,7 5 выдергивание 13, 58

3 16, 21 1,4 7 выдергивание 11, 03

20 1 37, 51 2,0 5 излом ЭС 18, 30 16,12

2 35, 32 2,0 9 излом ЭС 16, 90

3 22, 64 1,7 2 излом ЭС 13, 16

40 1 28, 33 1,7 8 излом ЭС 15, 92 15,62

2 23, 43 1,4 4 излом ЭС 16, 27

3 22, 45 1,5 3 излом ЭС 14, 67

Выводы

Разработана методика подготовки образцов УВ для изучения адгезионной прочности в микрокомпозите путем сплетения нитей. Плазменная ВЧЕ обработка при пониженном давлении в среде возду-

Литература

1. Кудинов В.В. Влияние плазменной обработки и технологии пропитки на прочность соединения полиэтиленового волокна с эпоксидной матрицей при получении композиционных материалов / В.В. Кудинов, М.Ф. Шаехов, Н.В. Корнеева // Физика и химия обработки материалов. - 2004. - №3. - С. 18-24.

2. Сергеева, E.A. Рынок нанокристаллических химических волокон: состояние, перспективы, инновации / E. А. Сергеева. - Казань: Изд-во КГУ, 2010. - С. 128.

3. Wetting and adhesion behavior of armos fibers after dielectric barrier discharge plasma treatment / Caixia Jia, Ping Chen, Qian Wang, Bin Li, Mingxin Chen // Journal of Applied Polymer Science - 2011. - Vol. 125, P. 433-438.

4. Гарифуллин А. Р. Плазменная гидрофилизация углеродной ленты для создания композиционных материалов с повышенными прочностными характеристиками / А.Р. Гарифуллин, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - №13. - С. 122-124.

5. Повышение адгезионной способности сверхвысокомолекулярного полиэтиленового волокна с помощью плазменной обработки / E.A. Сергеева, А.Р. Ибатуллина, Ф.Ф. Кадыров // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - №17. - С. 123-126.

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

© А. Р. Гарифуллин - асп. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, darin-loko@yandex.ru; И. Ш. Абдуллин - д.т.н., проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ; Е. А. Скидченко - студент той же кафедры.

© 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; E. A Skidchenko - student of the department PNTMC KNRTU, uni0404@mail.ru.