СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛАЗМЕННОГО РАЗРЯДА
METHOD FOR MANUFACTURING COMPOSITE MATERIAL USING PLASMA DISCHARGE

Изобретение относится к области технологических процессов в химической промышленности, а именно к способам изготовления композитных материалов из волокон и матриц [МПК B29B 15/00].
Из уровня техники известен СПОСОБ ПОВЫШЕННАЯ АДГЕЗИИ ТЕРМОПЛАСТА К ВОЛОКНАМ ЗА СЧЕТ ПЛАЗМЕННОГО РАЗРЯДА [US 5108780 (A), опубл. 1992-04-28], отличающийся тем, что включает в себя следующие этапы: размещение компонента наполнителя в контролируемой среде, адаптированной для генерации плазменного разряда (газоплазменного разряда к наполнителю, в котором газ содержит аргон и кислород); создание плазменного разряда в контролируемой среде как часть плазменной обработки открытой поверхности компонента наполнителя; поддержание наполнителя и обработанной поверхности в инертной среде для защиты обработанной поверхности от преждевременного воздействия химически активных веществ; покрытие обработанной поверхности наполнителя защитой обработанной поверхности по отношению к другим химически активным веществам. При этом наполнитель включает армирующие волокна, которые должны быть внедрены в термопластичную матрицу, указанный способ включает более конкретные этапы: подачи волокон в контролируемой среде в плазменный реактор, в котором поддерживается технологический газ. при низких давлениях подходит для плазменного разряда; обработка волокон плазменным разрядом внутри реактора; извлечение обработанных волокон из реактора при сохранении указанных волокон в контролируемой среде для защиты от химически активных веществ; нанесение термопластичного покрытия на обработанное волокно после вывода из плазменного реактора, когда указанные волокна еще находятся в контролируемой среде.
Недостатками аналога являются:
в данном техническом решении не производится предварительная предобработка армирующей составляющей, что негативно сказывается на гидрофильности, а в последствии и на адгезионных свойствах композитного материала;
используемый тип и параметры плазмы не позволяют эффективно обрабатывать поверхность армирующего волокна для раскрытия пор и создания свободных радикалов на ее поверхности, что в последствии снижает адгезию;
технология изготовления композитного материала, характеризующаяся процессом соединения армирующей составляющей с матрицей, обладает низкой оперативностью и слабыми адгезионными свойствами.
Наиболее близким по технической сущности является МЕТОД «ПЛАЗМЕННОЙ АКТИВАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИОЛЕФИНОВЫХ ВОЛОКОН» [https://cyberleninka.ru/article/n/plazmennye-metody-aktivatsii-poverhnosti-poliolefinovyh-volokon/viewer], отличающийся тем, что модификация полипропиленовых и сверхвысокомолекулярных полиэтиленовых волокон и нитей производится путем активации их поверхности плазмой высокочастотного емкостного разряда. Данная модификация производилась при следующих условиях: напряжение (Ua) 3,5-7 кВ, сила тока на аноде (Ia) 0,3-0,6 А, давление (P) 26,6 Па, расход плазмообразующего газа (G) 0,04 г/с, время обработки (τ) 1-5 мин, а в качестве плазмообразующего газа использовали аргон и смеси газов аргон-воздух, аргон-азот, в соотношении 70% : 30%. При этих условиях активация поверхности происходила за счет бомбардировки ионами плазмообразующего газа с энергией в 100 эВ, которые проникают в поверхностный нанослой материала толщиной 5-10 нм и в результате разрыва отдельных химических связей при ионной бомбардировке создают в нем свободные радикалы. Далее образцы выносят из вакуумной реакционной камеры, при этом происходит взаимодействие свободных радикалов с молекулами кислорода или парами воды, в результате чего образуются активные кислородосодержащие группы, что приводит к гидрофилизации поверхности и улучшению адгезионных свойств.
Основной технической проблемой прототипа является то, что в данном техническом решении не производится предварительная предобработка армирующей составляющей химическим раствором для устранения замасливателя, загрязнений и повышения гидрофильности поверхности армирующей составляющей, что в последствии негативно сказывается на адгезионных свойствах композитного материала, кроме того высокочастотный разряд, используемый для генерации плазмы не позволяет эффективно обрабатывать поверхность армирующей поверхности для раскрытия пор и создания свободных радикалов на ее поверхности, что в последствии снижает адгезию, а также технология изготовления композитного материала, характеризующаяся процессом соединения армирующей составляющей с матрицей, обладает низкой оперативностью и слабыми адгезионными свойствами.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом изобретения является повышение прочности адгезионного соединения армирующей составляющей и матрицы композитного материала.
Указанный технический результат достигается за счет того, что способ изготовления композитного материала с использованием плазменного разряда, включающий очистку и смачивание поверхности армирующей составляющей химическим раствором, затем размещают армирующую составляющую в камере плазменной установки, в которой предварительно откачивают воздух для создания низкого вакуума и вводят газовую составляющую, далее производят задание параметров плазмы на установке генерации плазмы, а затем непосредственно генерацию плазмы для обработки поверхности армирующей составляющей, после производят обработку плазмой армирующей составляющей внутри плазменной установки при обеспечении плазменного резонанса стоячей плазменной волны с целью очищения поверхности армирующей составляющей, раскрытия пор и создания свободных радикалов, при этом параллельно производят формирование матрицы, затем производят изготовление композитного материала путем нанесение подготовленной матрицы на обработанную плазмой поверхность армирующей составляющей и осуществляют обработку ультразвуковыми волнами, далее производят формовку полученного композитного материала и охлаждение изготовленного композитного материала.
В частности, в качестве армирующей составляющей используют стеклянные, базальтовые, графитовые и органические волокна.
В частности, в качестве химического раствора используют растворители.
В частности, в качестве газовой составляющей используют аргон, кислород, азот и их смеси.
В частности, параметры для генерации плазмы лежат в диапазонах: напряжение от 3,5 до 35 кВ, время обработки от 1 сек до 5 мин.
В частности, плазма представляет собой широкополосный импульсный разряд.
В частности, формирование матрицы производят с использованием либо экструзионной головки, либо каландровой пары, либо полимерного порошка.
В частности, формовку полученного композитного материала производят либо в виде однонаправленной ленты, либо в виде длинноволокнистых гранул, либо в виде чипсов.
В частности, широкополосный импульсный разряд реализован с возможностью изменения частоты и возможностью настройки на плазменный резонанс.
В частности, растворитель подбирается пот тип замасливателя.
В частности, плазменный резонанс под действием внешнего переменного электромагнитного поля приводит к сильной раскачке (резонансу) собственных колебаний и волн электронной плотности, увеличивая амплитуды вынужденных колебаний осциллятора (колебательной системы).
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана блок-схема способа изготовления композитного материала с использованием плазменного разряда.
На фиг. 1 обозначено: 1 - этап предобработки армирующей составляющей, 2 - этап размещения в плазменной установке, 3 - этап генерации плазменного разряда, 4 - этап модификации армирующей составляющей, 5 - этап подготовки матрицы, 6 - этап изготовления композитного материала, 7 - этап охлаждения.
Осуществление изобретения
Способ изготовления композитного материала с использованием плазменного разряда включает в себя последовательное выполнение этапа предобработки армирующей составляющей 1, этапа размещения в плазменной установке 2, этапа создания плазменного заряда 3, параллельно выполняемых этапа модификации армирующей составляющей 4 и этапа подготовки матрицы 5, этапа изготовления композитного материала 6, этапа охлаждения 7.
Изготовление композитного материала с использованием плазменного разряда осуществляется следующим образом.
Первоначально, на этапе предобработки армирующей составляющей 1 производят очистку и обработку поверхности армирующей составляющей химическими растворами, к примеру бензином или спиртом, для удаления замасливателей и загрязнений, а также для повышения свойств гидрофильности, на этапе размещения в плазменной установке 2 армирующие составляющие размещают в плазменную установку, в камере которой предварительно был откачен воздух до создания неглубокого вакуума и введена газовая составляющая, к примеру аргон с кислородом, на этапе генерации плазменного разряда 3 вначале производят задание на установке генерации плазмы определенных для каждой армирующей составляющей параметров, а затем для обработки поверхности армирующей составляющей непосредственную генерацию плазмы, представляющую собой широкополосный импульсный разряд напряжением до 25 кВ с возможностью изменения частоты и создания плазменного резонанса для различных армирующих составляющих, на этапе модификации армирующей составляющей 4 производят обработку плазмой армирующей составляющей внутри плазменной установки с целью очищения поверхности армирующей составляющей, раскрытия пор и создания свободных радикалов на ее поверхности, параллельно с этапом модификации армирующей составляющей 4 на этапе подготовки матрицы 5 производят формирование матрицы с помощью либо экструдера с экструзионной головкой, либо каландровой пары, либо полимерного порошка для дальнейшего ее нанесения на армирующую составляющую, далее на этапе изготовления композитного материала 6 производят изготовление композитного материала путем нанесение подготовленной матрицы на обработанную плазмой поверхность армирующей составляющей и для оперативного создания более качественного соединения осуществляют обработку ультразвуковыми волнами, далее производят формовку полученного композитного материала, либо в виде однонаправленной ленты, либо в виде длинноволокнистых гранул, либо в виде чипсов, затем на этапе охлаждения 7 производят охлаждение, как правило водой, изготовленного композитного материала.
Таким образом, использование исследуемого технического решения позволяет повышение прочности адгезионного соединения армирующей составляющей и матрицы композитного материала.
Технический результат изобретения п повышение прочности адгезионного соединения армирующей составляющей и матрицы композитного материала достигается за счет того, что:
- за счет очистки и смачивания поверхности армирующей составляющей химическим раствором повышается гидрофильность, что в впоследствии положительно сказывается на а=прочности адгезионного соединения;
- низкий вакуум и плазменная обработка позволяют невелировать возникающую инертность поверхности армирующей составляющей, что положительно влияет на адгезионные свойства;
- возможность задания параметров плазмы на установке генерации плазмы позволяет гибко подобрать необходимые параметры плазмы под каждую армирующую составляющую, что позволяет более качественно произвести очищение поверхности, раскрытия пор и создания свободных радикалов, что влияет на качество адгезионной прочности между армирующей составляющей и матрицей;
- обработка ультразвуковыми волнами позволяет более оперативно и с большой прочностью произвести соединение армирующей составляющей и матрицы, что существенно повышает адгезионные свойства композитного материала.
Пример достижения технического результата:
Армирующая составляющая с катушек направляют на поворотный стол для высокоскоростной размотки и избегания скручивания. С армирующей составляющей удаляют замасливатель, путем его прохождения через ванну с растворителем-очистителем (смесь спирта и бензина). Очищенная армирующую составляющую отправляют в плазменную головку. Используют импульсную плазму с переменной частотой в диапазоне 50 кГц - до 13,56 МГц, мощность генератора - 200 Вт. Расчетное время воздействия на волокно - 1 с. Плазма работает при атмосферном давлении с подачей смеси кислорода и аргона. Обработанную армирующую составляющую направляют в блок пропитки полимером, где поддерживают равномерную температуру расплава и точное распределение смеси по всей ширине. В головке блока пропитанную армирующую составляющую подвергают воздействию ультразвуковых колебаний. Частота генератора 22 кГц, мощность - 5 кВт. Далее пропитанную армирующую составляющую охлаждают в водяной ванне при температуре 10°-15°.