RU2773524C1 - Армированные углеродными волокнами полифениленсульфидные композиционные материалы и способ их получения - Google Patents

Армированные углеродными волокнами полифениленсульфидные композиционные материалы и способ их получения Download PDF

Info

Publication number
RU2773524C1
RU2773524C1 RU2021107408A RU2021107408A RU2773524C1 RU 2773524 C1 RU2773524 C1 RU 2773524C1 RU 2021107408 A RU2021107408 A RU 2021107408A RU 2021107408 A RU2021107408 A RU 2021107408A RU 2773524 C1 RU2773524 C1 RU 2773524C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
composite materials
carbon fibre
sizing
reinforced
polyphenylene sulphide
Prior art date
Application number
RU2021107408A
Other languages
English (en)
Inventor
Ауес Ахмедович Беев
Светлана Юрьевна Хаширова
Азамат Ладинович Слонов
Исмел Вячеславович Мусов
Джульетта Анатольевна Беева
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова» (КБГУ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова» (КБГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова» (КБГУ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2773524C1 publication Critical patent/RU2773524C1/ru

Links

Abstract

Настоящее изобретение относится к группе изобретений: армированные аппретированными углеродными волокнами полифениленсульфидные композиционные материалы и способ получения армированных аппретированными углеродными волокнами полифениленсульфидных композиционных материалов. Данный способ включает аппретирование углеродного волокна путем нанесения аппретирующего материала из раствора с последующей сушкой. Аппрет наносят из растворов с массовой долей 0,21-0,83 % в органическом легколетучем растворителе и проводят ступенчатый подъем температуры с одновременной отгонкой растворителя по режиму: 30°С - 30 мин; 40°С - 30 мин; 50°С - 45 мин; 60°С - 30 мин; 75°С - 30 мин. Аппрет представляет собой органическое соединение - олигофениленсульфон на основе фенолфталеина и 4,4'-дихлордифенилсульфона

Description

Изобретение относится к армированным углеродными волокнами полифениленсульфидным композиционным материалам и способу их получения, предназначенным в качестве конструкционных полимерных материалов.
Использование аппретов при создании полимерных композиционных материалов (ПКМ) позволяет модифицировать структуру межфазного слоя и увеличить межмолекулярные взаимодействия на границе раздела фаз матрица/наполнитель. Разработка аппретирующих составов для получения полимерных композиционных материалов на основе суперконструкционных термопластов за счет повышения адгезии между полимером, например, полифениленсульфидом, и наполнителем, в частности, углеродным волокном, в ряде случаев, будет способствовать увеличению эксплуатационных свойств композита, что приведет к увеличению срока службы изделий.
Из уровня техники известны различные виды аппретирующих добавок, используемых при создании полимерного композиционного материала. Так, в патенте на изобретение RU 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 (аппрет) 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. Главным 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.
Известен способ обработки углеродных наполнителей по патенту на изобретение № 2676036. Изобретение относится к способу обработки углеродных наполнителей, а именно углелент или углеволокон, с целью повышения гидрофильности их поверхности и снижения плотности. Предлагаемый способ заключается в том, что процесс обработки углеродных лент и волокон проводят смесью 100 г разбавленной серной кислоты 60%-ной концентрации и оксида фосфора (V) 1,5-6,0 г при температуре 75°С в течение 0,5 часа. Обработанные вышеуказанным способом протонированные угленаполнители обладают высокой гидрофильностью поверхности и пониженной плотностью, что позволяет их применять в качестве наполнителей полярных полимеров и получать полимерные композиты с более высокой прочностью на сжатие.
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 композиционных материалов с улучшенными физико-механическими и реологическими свойствами на основе матричного полимера полифениленсульфида (ПФСД), армированного аппретированным углеродным волокном (УВ) и разработка способа их получения.
Поставленная задача достигается тем, что композиционные материалы, армированные углеродными наполнителями, получают предварительной обработкой углеродного волокна органическим аппретирующим соединением – олигофениленсульфоном (ОФС) на основе фенолфталеина и 4,4'-дихлордифенилсульфона приведенной ниже формулы:
Figure 00000001
причем количество аппретирующего вещества к углеродному волокну соответствует 1-4 масс. %, тогда как количество аппретированного углеродного волокна в композиционном материале соответствует 20 масс. %. Обработка таким аппретом повышает смачиваемость наполнителя полифениленсульфидом, позволяет многократно проводить при необходимости термообработку получаемого изделия без изменения свойств аппрета.
Композиционные материалы по настоящему изобретению получают путем предварительного смешения полимерной матрицы и аппретированного стекловолокна с использованием высокоскоростного гомогенизатора Multi function disintegrator VLM-40B. Затем полимерная смесь подвергается экструзии на двухшнековом микроэкструдере PJSZ фирмы Haitai Machinery (Китай) с L/D=30, при максимальной температуре 320 °С. Образцы для испытаний были получены методом литья под давлением на термопластавтомате SZS-20 компании Haitai Machinery (Китай) при температуре материального цилиндра 330-350°С и температуре формы 80°С.
Использованы молотые углеродные волокна с длиной 0,2 мм производства фирмы R&G (Германия), и полифениленсульфид марки PPS Z-200 фирмы DIC Corporation.
Механические испытания на одноосное растяжение выполнены на образцах в форме двухсторонней лопатки с размерами согласно ГОСТ 112 62-80. Испытания проводили на универсальной испытательной машине Gotech Testing Machine CT-TCS 2000, производство Тайвань, при температуре 23 °С. Ударные испытания выполнены по методу Изода согласно ГОСТ 19109-84 на приборе Gotech Testing Machine, модель GT-7045-MD, производство Тайвань, с энергией маятника 11 Дж.
Показатель текучести расплава (ПТР) определялся на приборе ИИРТ-5 (Россия) при температуре 320°С и нагрузке 5 кгс.
Ниже представленные примеры, иллюстрирующие получение аппретированных углеродных волокон с использованием ОФС.
Пример 1. Приготовление аппретированного УВ с 1 масс. % ОФС.
В трехгорловую круглодонную колбу, снабженную прямым холодильником, нагревателем и мешалкой помещают 25 г дискретного УВ с длиной волокон 0,2 мм и приливают раствор, полученный растворением 0,25 г ОФС в 80 мл хлороформа (0,21%-й раствор). Включают мешалку и перемешивают в течение 30 мин при температуре 30 °С. Далее проводят ступенчатый подъем температуры с одновременной отгонкой растворителя, а именно проводят нагревание содержимого колбы и отгонку хлороформа по режиму: 40°С - 30 мин; 50°С - 45 мин; 60°С - 30 мин; 75°С - 30 мин.
Аппретированный продукт сушат в сушильном шкафу под вакуумом при 90-100°С в течении 2-х часов. Выход аппретированного углеволокна – 96,5%.
Пример 2. Приготовление аппретированного УВ с 1,5 масс. % ОФС.
По примеру 1, только количество ОФС составляет 0,38 г (0,32%-й раствор). Выход аппретированного углеволокна – 96,9%.
Пример 3. Приготовление аппретированного УВ с 2 масс. % ОФС.
По примеру 1, только количество ОФС составляет 0,51 г (0,43%-й раствор). Выход аппретированного углеволокна – 96,8%.
Пример 4. Приготовление аппретированного УВ с 2,5 масс. % ОФС.
По примеру 1, только количество ОФС составляет 0,64 г 0,54%-й раствор). Выход аппретированного углеволокна – 97,2%.
Пример 5. Приготовление аппретированного УВ с 3 масс. % ОФС.
По примеру 1, только количество ОФС составляет 0,77 г (0,64%-й раствор). Выход аппретированного углеволокна – 97,7%.
Пример 6. Приготовление аппретированного УВ с 3,5 масс. % ОФС.
По примеру 1, только количество ОФС составляет 0,9 г (0,75%-й раствор). Выход аппретированного углеволокна – 97,6%.
Пример 7. Приготовление аппретированного УВ с 4 масс. % ОФС.
По примеру 1, только количество ОФС составляет 1 г (0,83%-й раствор). Выход аппретированного углеволокна – 98,1%.
Из аппретированных УВ и ПФСД получены ПКМ, содержащие 20 масс. % обработанных ОФС углеволокон.
В таблице 1 представлены составы, физико-механические и реологические свойства композитов, содержащих различные массы аппретирующей добавки по примерам 1-7.
Таблица 1
Состав ПТР,
г/10 мин
Ар, кДж/м²
б/н
Е изг,
ГПа
σ изг,
МПа
Е раст, ГПа σ разр,
МПа
ε, %
ПФС Д + 20 % УВ неаппретированный 12,0 17,6 11,5 144,6 8,1 87,5 2,3
По примеру 1 13,5 17,8 11,9 148,3 8,1 88,3 2,3
По примеру 2 14,4 18,4 12,5 152,5 8,1 89,6 2,3
По примеру 3 15,7 18,7 12,9 157,4 8,2 91,7 2,3
По примеру 4 16,8 19,2 13,5 161,6 8,2 94,4 2,4
По примеру 5 17,3 19,5 14 165,8 8,2 96,3 2,4
По примеру 6 17,3 19,4 13,8 165,5 8,1 96,1 2,4
По примеру 7 17,1 19,3 13,8 164,9 8,1 96,1 2,3
где ПТР – показатель текучести расплава, Ар – ударная прочность, Еизг – модуль упругости при изгибе, σизг – предел прочности при изгибе, Ераст - модуль упругости при растяжении, σразр - предел прочности при растяжении, ε, % - относительное удлинение при разрыве.
Как видно из приведенных данных, полимерные композиции, содержащие аппретированные углеродные волокна (№№ 1-7), по физико-механическим и реологическим характеристикам проявляют более высокие свойства по сравнению с неаппретированным образцом.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в улучшении физико-механических и реологических свойств создаваемых композиционных материалов за счет введения органического аппрета олигофениленсульфона на основе фенолфталеина и 4,4'-дихлордифенилсульфона со степенью поликонденсации n = 9÷11, который повышает смачиваемость наполнителя и увеличивает граничные взаимодействия между углеродным волокном и полифениленсульфидной матрицей.

Claims (3)

1. Армированные аппретированными углеродными волокнами полифениленсульфидные композиционные материалы, предназначенные для использования в качестве конструкционных полимерных материалов, отличающиеся тем, что в качестве аппрета используют органическое соединение - олигофениленсульфон на основе фенолфталеина и 4,4'-дихлордифенилсульфона
Figure 00000002
в легколетучем органическом растворителе хлороформе, причем количество аппретирующего вещества к углеродному волокну составляет 1-4 мас.%, тогда как количество аппретированного углеродного волокна в композиционном материале составляет 20 мас.%.
2. Способ получения армированных аппретированными углеродными волокнами полифениленсульфидных композиционных материалов по п. 1, включающий аппретирование углеродного волокна путем нанесения аппретирующего материала из раствора с последующей сушкой, отличающийся тем, что аппрет наносят из растворов с массовой долей 0,21-0,83% в органическом легколетучем растворителе и проводят ступенчатый подъем температуры с одновременной отгонкой растворителя по режиму: 30°С - 30 мин; 40°С - 30 мин; 50°С - 45 мин; 60°С - 30 мин; 75°С - 30 мин.
RU2021107408A 2021-10-13 Армированные углеродными волокнами полифениленсульфидные композиционные материалы и способ их получения RU2773524C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2773524C1 true RU2773524C1 (ru) 2022-06-06

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2798032C1 (ru) * 2022-07-13 2023-06-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" (КБГУ) Способ получения аппретированных углеродных волокон и полиэфиримидные композиционные материалы

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2054015C1 (ru) * 1994-04-28 1996-02-10 Московский авиационный технологический институт им.К.Э.Циолковского Способ аппретирования углеродного волокна для производства полисульфонового углепластика
RU2536969C2 (ru) * 2013-04-18 2014-12-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" Полимерный композиционный материал и способ его получения
CN108950791A (zh) * 2018-07-27 2018-12-07 合肥岑遥新材料科技有限公司 一种玻璃纤维复合材料及其制备方法
RU2708586C2 (ru) * 2018-02-15 2019-12-09 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" (КБГУ) Полимерный композит и способ его получения

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2054015C1 (ru) * 1994-04-28 1996-02-10 Московский авиационный технологический институт им.К.Э.Циолковского Способ аппретирования углеродного волокна для производства полисульфонового углепластика
RU2536969C2 (ru) * 2013-04-18 2014-12-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" Полимерный композиционный материал и способ его получения
RU2708586C2 (ru) * 2018-02-15 2019-12-09 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" (КБГУ) Полимерный композит и способ его получения
CN108950791A (zh) * 2018-07-27 2018-12-07 合肥岑遥新材料科技有限公司 一种玻璃纤维复合材料及其制备方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2798032C1 (ru) * 2022-07-13 2023-06-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" (КБГУ) Способ получения аппретированных углеродных волокон и полиэфиримидные композиционные материалы
RU2811393C1 (ru) * 2023-03-17 2024-01-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" (КБГУ) Способ получения аппретированных углеродных волокон и композиты с полиэфирэфиркетоном

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2744893C1 (ru) Полимерная углеволоконная композиция и способ её получения
RU2741505C1 (ru) Полиэфирэфиркетонный углеволокнистый композит и способ его получения
RU2773524C1 (ru) Армированные углеродными волокнами полифениленсульфидные композиционные материалы и способ их получения
RU2712612C1 (ru) Способ получения аппретированных углеродных волокон и композиционные материалы на их основе
RU2775606C1 (ru) Полимерные композиционные материалы из полифениленсульфида с углеродными волокнами и способ их получения
RU2767549C1 (ru) Композиционные материалы на основе полифениленсульфида, углеродных волокон и способ их получения
RU2770088C1 (ru) Полифениленсульфидные композиционные материалы с углеродными волокнами и способ их получения
RU2767562C1 (ru) Полифениленсульфидные композиционные материалы с аппретированными углеродными волокнами и способ их получения
RU2770098C1 (ru) Полимерные композиты из полифениленсульфида, аппретированного углеволокна и способ их получения
RU2767564C1 (ru) Наполненные аппретированным углеволокном полимерные композиты из полифениленсульфида и способ их получения
RU2757922C2 (ru) Углеволокнистый полимерный композиционный материал на основе полиэфирэфиркетона и способ его получения
RU2793890C1 (ru) Способ получения аппретированного углеволокна и полиэфирэфиркетонный композит на его основе
RU2767546C1 (ru) Армированные стекловолокнами полифениленсульфидные композиционные материалы и способ их получения
RU2752627C1 (ru) Полимерный композит на основе полиэфирэфиркетона и углеволокна и способ его получения
RU2811391C1 (ru) Способ получения аппретированных углеродных волокон и полиэфирэфиркетонные композиции
RU2793866C1 (ru) Способ получения аппретированных углеродных волокон и полиэфиримидный композит
RU2796404C1 (ru) Способ получения аппретированных углеволокон и полимерные композиции на их основе
RU2802624C1 (ru) Способ получения аппретированных углеродных волокон и полиэфирэфиркетонные композиционные материалы на их основе
RU2811395C1 (ru) Способ получения аппретированного углеволокна и полиэфирэфиркетонный композиционный материал
RU2816425C1 (ru) Способ получения аппретированного углеволокна и полимерный композиционный материал на его основе
RU2793888C1 (ru) Полимерный композиционный материал на основе полиэфирэфиркетона и углеволокна и способ его получения
RU2770092C1 (ru) Полимерные композиции на основе полифениленсульфида, стекловолокна и способ их получения
RU2767551C1 (ru) Полифениленсульфидные композиционные материалы с аппретированными стекловолокнами и способ их получения
RU2796835C1 (ru) Способ получения аппретированных углеволокон и полиэфиримидные композиции
RU2770361C1 (ru) Полифениленсульфидные стекловолоконные композиты и способ их получения