ПОЛИМЕРНАЯ УГЛЕВОЛОКОННАЯ КОМПОЗИЦИЯ И СПОСОБ ЕЁ ПОЛУЧЕНИЯ
POLYMER CARBON FIBER COMPOSITION AND METHOD FOR ITS PRODUCTION

Изобретение относится к полимерным композиционным материалам и способу их получения, предназначенным в качестве суперконструкционных полимерных материалов, включающий в себя ПЭЭК и УВ, аппретированное гидрохиноном.
Развитие многих передовых технологий, например, аддитивных, требует использования композиционных материалов с улучшенными теплофизическими и физико-механическими характеристиками. Низкие прочностные свойства многих полимерных композиционных материалов (ПКМ), обусловливаются низкими межслоевыми взаимодействиями на границе наполнитель-полимер. Повысить адгезию между полимерной матрицей и наполнителем можно с помощью различных аппретов.
Известны полимерные композиционные материалы, содержащие полиэфиркетоны.
Патент EP 0224236 A2 посвящен созданию композиций полимеров с улучшенной химической стойкостью и стабильной формовкой для литья под давлением, которые содержат полиэфиркетон (ПЭК), (не полиэфирэфиркетон (ПЭЭК)), ароматический полисульфон, и наполнители, в том числе, и углеродное волокно.
В патенте EP 0316681 A2 также описаны волокнистые композиционные материалы из полиэфирсульфона, полифиркетона (не полиэфирэфиркетона) и углеродного волокна. В обоих патентах приводятся композиты, полученные из смеси двух полимеров - полиэфирсульфона, полифиркетона, наполненных волокнами. В них не приведены сведения об аппретировании углеродных волокон для получения ПКМ с повышенными механическими свойствами.
В патенте РФ № 2278126, опубл. 20.06.2006, бюлл. № 17 приведены композиции, используемые для сшивания цепей. В этой работе предлагается использовать смесь полиэфиркетона (не ПЭЭК) с концевыми аминогруппами и сополимеры полиэфирсульфона (ПЭС) и сополиэфирэфирсульфона (ПЭЭС) с концевыми ангидридными группами. Смесь растворяют в высококипящем растворителе - N-метилпирролидоне и обрабатывают ею углеродные волокна.
Недостатком решения является использование растворителя с высокой точкой кипения (203°С), который трудно удалить из композиции, а его остатки при высоких температурах эксплуатации изделий приведут к появлению в отливках пузырей, и как следствие, к понижению эксплуатационных свойств.
Обнаружить работы, посвященные композитам, состояшим из «чистых» полиэфирэфиркетонов и аппретированных углеродных волокон (УВ) в литературе не удалось.
Из уровня техники известны различные виды аппретирующих добавок, используемых при создании полимерных композиционных материалов.
Так, в патенте на изобретение РФ № 2057767 приводится полимерный композиционный материал, в состав которого входят полисульфоновый полимер и углеродные волокна. Углеродные волокна содержат на поверхности в качестве аппретирующего слоя сополимер, состоящий из звеньев метакриловой кислоты, диэтиленгликоля и бензосульфокислоты в молярном соотношении от 49,5:49,5:1 до 49:49:2 в количестве 0,52-5,0 % от массы волокна при следующем соотношении компонентов, масс.%: углеродные армирующие волокна, содержащие сополимер, 25-75; полисульфоновая матрица остальное. По словам авторов изобретения, использование в качестве аппретирующего слоя указанного сополимера позволяет в 1,8-2,2 раза повысить межслоевую прочность при сдвиге полисульфоновых углепластиков.
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. Присутствие в водной среде бензолсульфокислоты будет способствовать к накоплению ионов, что будет ухудшать диэлектрические свойства материалов.
По патенту РФ № 2201423 получены полимерные композиции из полимерного связующего (аппрета) и стеклоткани или углеродного наполнителя. Сначала получают связующее - олигомер реакцией тетранитрила ароматической тетракарбоновой кислоты и ароматического бис-о-цианамина при температурах 170-180°С. Связующее получается в виде порошка.
Основным недостатком этого решения является сложность процесса получения связующего. При неполной конверсии мономеров во время синтеза, может происходить выделение побочных низкомолекулярных продуктов реакции во время совмещения связующего с наполнителем при повышенной температуре, следствием чего будет иметь место образование пустот в композиционном материале. Указанное приведет к ухудшению прочностных характеристик материала. Кроме этого, порошкообразные аппреты могут недостаточно равномерно покрывать поверхность наполнителя.
Известны полиэфиримидные композиты по патенту США № 4049613. Чтобы увеличить смачиваемость углеродного волокна полимерной матрицей, авторы предлагают выдерживать наполнитель в горячей азотной кислоте в течение трех суток, что в технологическом и экономическом плане невыгодны.
Наиболее близким аналогом выступает способ аппретирования углеродного волокна по патенту РФ № 2054015 «Способ аппретирования углеродного волокна для производства полисульфонового углепластика».
По предлагаемому способу, проводят смешение блоксополимера с растворителем. Блоксополимером, состоящим из звеньев бисметакрилоилоксидиэтиленгликольфталата и бисметакрилоилокси-триэтиленгликольфталата, осуществляют пропитку углеродного наполнителя с последующей сушкой для удаления растворителя и полимеризации пленки аппрета на волокне, отличающийся тем, что смешение проводят 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, понижение свойств получаемого углепластика.
Задача настоящего изобретения заключается в получении композиционного материала с более высокими значениями прочности на растяжение на основе матричного полимера полиэфирэфиркетона (ПЭЭК) армированного аппретированным углеродным волокном (УВ) и разработка способа его получения.
Поставленная задача достигается тем, что композиционные материалы, армированные углеродными наполнителями, получают предварительной обработкой углеродного волокна аппретирующим компонентом -гидрохиноном (ГХН), 1,4-диоксибензолом:
Матричный полиэфирэфиркетон представляет собой промышленный полимер РЕЕК 450, являющийся продуктом поликонденсации 1,4-диоксибензола и 4,4'-дифторбензофенона формулы:
n= 140÷150
При этом берут следующие соотношения (масс. %) компонентов в наполнителе:
Углеволокно
96÷98;
Гидрохинон
4÷2;
Количество аппретированного углеродного волокна в композиционном материале соответствует 20 масс. %. Такая обработка аппретирующим составом повышает смачиваемость наполнителя полиэфирэфиркетоном, дает возможность многократно проводить при необходимости термообработку получаемого изделия без изменения свойств аппрета.
Углеродный наполнитель покрывают аппретирующим составом путем обработки в ацетоне, хлорированных органических растворителях, диоксане, N,N-диметилацетамиде, преимущественно в ацетоне, затем высушивают до постоянной массы.
Композиционные материалы по настоящему изобретению получают путем предварительного смешения полимерной матрицы и аппретированного углеволокна с использованием высокоскоростного гомогенизатора Multi function disintegrator VLM-40B. Затем полимерная смесь подвергается экструзии с использованием лабораторного двухшнекового экструдера с тремя зонами нагрева при температурных режимах переработки 200°С, 315°С, 355°С. Использованы углеродное волокно марки RK-306 (IFI Technical Production) и промышленный полиэфирэфиркетон марки PEEK 450 с приведенной вязкостью 0,32 дл/г, измеренной для 1 %-го раствора в концентрированной серной кислоте.
Ниже представлены примеры, иллюстрирующие способ получения аппретированных углеродных волокон.
Пример 1
В трехгорловую круглодонную колбу, снабженную прямым холодильником, устройством для подачи газообразного азота, нагревателем и механической мешалкой, помещают 24,5 г (98 масс. %) дискретного УВ с длиной волокон 0,2 мм и приливают раствор, полученный растворением 0,5 г (2 масс. %) ГХН в 100 мл ацетона (0,63 %-й раствор). Включают мешалку, подачу азота и перемешивают в течение 30 мин при комнатной температуре. Далее проводят нагревание содержимого колбы и отгонку ацетона по режиму: 30°С - 30 мин.; 35°С - 30 мин.; 40°С - 30 мин.; 50°С - 30 мин.; 60°С - 30 мин.
Аппретированное волокно сушат в сушильном шкафу под вакуумом при 75-85°С 2 часа.
Пример 2
В трехгорловую круглодонную колбу, снабженную прямым холодильником, устройством для подачи газообразного азота, нагревателем и механической мешалкой, помещают 24,375 г (97,5 масс. %) дискретного УВ с длиной волокон 0,2 мм и приливают раствор, полученный растворением 0,625 г (2,5 масс. %) ГХН в 100 мл ацетона (0,78 %-й раствор). Включают мешалку, подачу азота и перемешивают в течение 30 мин при комнатной температуре. Далее проводят нагревание содержимого колбы и отгонку ацетона по режиму: 30°С - 30 мин.; 35°С - 30 мин.; 40°С - 30 мин.; 50°С - 30 мин.; 60°С - 30 мин.
Аппретированное волокно сушат в сушильном шкафу под вакуумом при 75-85°С 2 часа.
Пример 3
В трехгорловую круглодонную колбу, снабженную прямым холодильником, устройством для подачи газообразного азота, нагревателем и механической мешалкой, помещают 24,25 г (97,0 масс. %) дискретного УВ с длиной волокон 0,2 мм и приливают раствор, полученный растворением 0,75 г (3 масс. %) ГХН в 100 мл ацетона (0,94 %-й раствор). Включают мешалку, подачу азота и перемешивают в течение 30 мин при комнатной температуре. Далее проводят нагревание содержимого колбы и отгонку ацетона по режиму: 30°С - 30 мин.; 35°С - 30 мин.; 40°С - 30 мин.; 50°С - 30 мин.; 60°С - 30 мин.
Аппретированное волокно сушат в сушильном шкафу под вакуумом при 75-85°С 2 часа.
Пример 4
В трехгорловую круглодонную колбу, снабженную прямым холодильником, устройством для подачи газообразного азота, нагревателем и механической мешалкой, помещают 24,125 г (96,5 масс. %) дискретного УВ с длиной волокон 0,2 мм и приливают раствор, полученный растворением 0,875 г (3,5 масс. %) ГХН в 100 мл ацетона (1,1 %-й раствор). Включают мешалку, подачу азота и перемешивают в течение 30 мин при комнатной температуре. Далее проводят нагревание содержимого колбы и отгонку ацетона по режиму: 30°С - 30 мин.; 35°С - 30 мин.; 40°С - 30 мин.; 50°С - 30 мин.; 60°С - 30 мин.
Аппретированное волокно сушат в сушильном шкафу под вакуумом при 75-85°С 2 часа.
Пример 5
В трехгорловую круглодонную колбу, снабженную прямым холодильником, устройством для подачи газообразного азота, нагревателем и механической мешалкой, помещают 24,0 г (96 масс. %) дискретного УВ с длиной волокон 0,2 мм и приливают раствор, полученный растворением 1,0 г (4 масс. %) ГХН в 100 мл ацетона (1,25 %-й раствор). Включают мешалку, подачу азота и перемешивают в течение 30 мин при комнатной температуре. Далее проводят нагревание содержимого колбы и отгонку ацетона по режиму: 30°С - 30 мин.; 35°С - 30 мин.; 40°С - 30 мин.; 50°С - 30 мин.; 60°С - 30 мин.
Аппретированное волокно сушат в сушильном шкафу под вакуумом при 75-85°С 2 часа.
Из аппретированных УВ и ПЭЭК получены ПКМ, содержащие 20 масс. % УВ (таблица 1).
Таблица 1
Свойства полиэфирэфиркетонных углеволокнистых композитов
Состав
А<sub>р</sub>, кДж/м11 Дж, с/н
σ раст,МПа
ε, %
PEEK 450 + 20 % УВ 0,2 мм
7,0
132,2
3,7
По примеру 1
7,1
133,6
3,72
По примеру 2
7,3
135,7
3,78
По примеру 3
7,6
137,8
4,3
По примеру 4
7,5
137,5
3,75
По примеру 5
7,4
136,2
3,73
р
раст
где, А ударная прочность с надрезом; σ - разрушающее напряжение при растяжении; ε - относительное удлинение.
Приведенные в таблице данные показывают, что композиционные материалы, содержащие аппретированные УВ (примеры №,№ 1-5), обладают более высокими значениями ударной прочности, разрушающего напряжения при растяжении и относительным удлинением по сравнению с неаппретированным образцом (первая строка).
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении ударной прочности, разрушающего напряжения при растяжении и относительного удлинения создаваемой полимерной углеволоконной композиции за счет введения аппретирующего соединения - гидрохинона, который повышает смачиваемость углеродного волокна и увеличивает межмолекулярные взаимодействия между наполнителем и полиэфирэфиркетонной матрицей.