Способ получения поверхностно-активированного волокнистого углеродного материала
METHOD FOR OBTAINING SURFACE-ACTIVATED FIBROUS CARBON MATERIAL

Изобретение относится к технологии получения поверхностно-активированных тканых и нетканых материалов и может быть использовано при изготовлении эрозионно-стойких деталей и элементов конструкций в авиационном, ракетном и других отраслях машиностроения.
Разработка конкурентоспособной продукции на современном этапе требует новых подходов в развитии материаловедения композитов, широко применяемых во многих отраслях промышленности.
В качестве наполнителя выбран углеродный волокнистый материал, как наиболее перспективный армирующий наполнитель композитов, формируемых по технологии «материал-деталь».
Изменение поверхностной энергии наполнителя вызвано необходимостью усиления межфазного взаимодействия на границе контакта разнородных материалов, которое достигается в настоящее время различными способами (прокаливанием, обработкой поверхностно-активными веществами, электро- и диффузионным осаждением металлов переменной валентности), однако, они являются недостаточными для существенного увеличения сдвиговой прочности углепластиковых деталей.
Рассмотренные выше методы, применяемые в России и зарубежных технологиях, хотя и являются эффективными, но не позволяют повысить физико-механические характеристики (ФМХ) углепластика более чем на 40-50%.
Известен способ (прототип) получения тканого активированного углеродного волокнистого материала (патент РФ №2000360), включающий обработку материала поверхностно-активным веществом, термостатирование, пропитку связующим, полимеризацию, где в качестве поверхностно-активного вещества используют водный раствор хлористого цинка 10-40%-ной концентрации.
Недостатками данного способа являются низкая технологичность (требуется проведение дополнительных операций карбонизации и до активирования) и невысокие показатели ФМХ волокнистого углеродного материала.
Известен способ получения углеродных металлсодержащих наноструктур (патент РФ №2393110), включающий механохимическую обработку реакционной смеси из металлургической пыли, содержащую оксиды железа или никеля, ступенчатый нагрев в интервале температур 100-400°C, где в качестве органического вещества используют отходы промышленного производства - вторичные полимеры, такие как поливинилхлорид (ПВХ) или поливинилацетат (ПВА).
Недостатком данного способа является использование токсичных исходных материалов ПВХ и ПВА в высоких концентрациях, что ограничивает его применение по экологическим составляющим.
Задачей изобретения является повышение физико-механических характеристик поверхностно-активированного волокнистого углеродного материала.
Технический результат заключается в повышении физико-механических характеристик поверхностно-активированного волокнистого углеродного материала на 50-100% за счет изменения энергии Гиббса и увеличении гидрофильности в результате формирования наноструктур на поверхности волокнистого углеродного материала.
Технический результат достигается тем, что в способе получения поверхностно-активированного волокнистого углеродного материала, включающем обработку материала поверхностно-активным веществом, термостатирование, пропитку связующим - фенолформальдегидной смолой, полимеризацию, в качестве поверхностно-активного вещества для обработки материала используют водный раствор поливинилового спирта (ПВС) 8-20%-ной концентрации с последующим термостатированием от 200 до 380°C в течение 2-4 часов.
Применение в качестве поверхностно-активного вещества водного раствора ПВС 8-20%-ной концентрации обусловлено тем, что при обработке им волокнистого углеродного материала поливиниловый спирт в виде водного раствора взаимодействует с атомами углерода с мицеллообразованием, гидрофильные концы при этом направлены наружу, а гидрофобные - внутрь, что и есть наноструктурирование поверхности волокнистого углеродного материала, и вследствие чего увеличивается ее гидрофильность.
В процессе термостатирования завершается процесс наноструктурирования поверхности волокнистого углеродного материала и образуется скрепленный с субстратом наноструктурированный слой (фиг. 1) с измененной относительно волокнистого углеродного материала энергией Гиббса, вследствие чего обеспечивается равномерность распределения связующего при межфазном взаимодействии с наноструктурированным слоем и после полимеризации повышаются ФМХ поверхностно-активированного волокнистого углеродного материала на 50-100%.
Большую роль играет критическая концентрация поливинилового спирта, при которой после наноструктурирования проявляются лиофильные свойства полимерных матриц.
Для определения критической концентрации были проведены исследования влияния концентраций ПВС на изменение физико-механических свойств наполнителя, а также влияние на ФМХ волокнистого углеродного материала на основе углеродной ткани Урал Т-22Р ЭХО-«А» со связующим марки СФ-010 (фенолформальдегидная смола), были проведены исследования трех диапазонов концентраций ПВС:
- первый диапазон - до 8%;
- второй диапазон - от 8 до 20%;
- третий диапазон - от 20 до 25%.
Результаты исследований с учетом влияния критических концентраций ПВС, используемых для наноструктурирования, приведены в таблице 1.
Из анализа характеристик, приведенных в таблице 1, следует:
1. ФМХ образцов с 10%-ной концентрацией ПВС (второй диапазон) превышают ФМХ образцов волокнистого углеродного материала, изготовленных по штатной технологии, в 2 раза.
2. ФМХ образцов с 5 и 25%-ной концентрацией ПВС (первый и третий диапазоны) сопоставимы с ФМХ образцов волокнистого углеродного материала, изготовленных по штатной технологии.
В результате исследования доказано то, что максимально высокие ФМХ волокнистого углеродного материала во втором диапазоне от 8-20%-ной концентрации ПВС в водном растворе, а при снижении или повышении концентрации ПВС относительно второго диапазона, ФМХ волокнистого углеродного материала ухудшаются.
Режимы термостатирования подобраны опытно-экспериментальным путем с целью наиболее эффективного наноструктурирования поверхности волокнистого углеродного материала.
Температура t=200-380°C и время 2-4 часа термостатирования обусловлены физико-химическим превращением ПВС при разложении с остаточным содержанием влаги.
Структурный анализ волокнистого углеродного материала проводился методом оптической микроскопии на приборе МЕТАМ ЛВ -31 (фиг. 2).
Исследования структурного состояния поверхности показали, что наилучшие результаты достигаются путем наноструктурирования волокнистого гидрофобного наполнителя, достигаемого за счет терморазложения поливинилового спирта, адсорбционно и химически связанного с субстратом.
Анализ структуры наглядно демонстрирует влияние концентрации ПВС на качество заполнения углеродного наполнителя полимерной матрицей.
Фиг 1. Внешний вид углеродной ткани после наноструктурирования. Размерность полученных наноструктур от 5 до 10 нм.
При этом выявлены отличия в нитях по утку и основе.
Фиг. 2 - таблица. Структура углепластиков образцов в разрезе.
Фиг 3. Внешиний вид ткани Урал Т-22Р ЭХО-А + ПВС 10%-ной концентрации + СФ-010 после стадии термостатирования.
Фиг 4. Схема прямого прессования для изготовления плит.
На фиг. показаны:
1 - углеродный материал с ПВС;
2 - жесткая формующая рамка;
3 – пуансон.
Фиг 5. Визуализация нанообразований из ПВС на стекле.
Пример получения поверхностно-активированного волокнистого углеродного материала осуществляется при помощи следующей технологии:
1. Раскрой ткани из углеродного материала Урал Т-22Р ЭХО-А.
2. Приготовление ПВС концентрации 8-20%.
3. Пропитка ткани раствором ПВС.
4. Термостатирование ткани в диапазоне: t=200-380°C в течение 2-4 ч.
5. Пропитка активированной ткани связующим СФ-010.
6. Разместить пропитанную ткань в пакеты по 6 шт. в каждый, проложить между ними фторопластовую пленку. Установить пакеты в пресс-форму. Дать максимальное давление - 1,2 МПа и установить пресс-форму в термостат нет менее 12 атм.
Режим полимеризации связующего СФ-010.
7. Вырезать образцы из плит размером 235×25×(1÷2).
Способом изготовления образцов является прямое прессование (давление - 1 МПа) (Фиг. 4).
8. Испытания.
Провести испытания образцов на определение ФМХ. Таким образом, описанный в изобретении способ получения поверхностно-активированного волокнистого углеродного материала позволяет повысить физико-механические характеристики поверхностно-активированного волокнистого углеродного материала на 50-100%.