RU2775606C1 - Полимерные композиционные материалы из полифениленсульфида с углеродными волокнами и способ их получения - Google Patents

Полимерные композиционные материалы из полифениленсульфида с углеродными волокнами и способ их получения Download PDF

Info

Publication number
RU2775606C1
RU2775606C1 RU2021108838A RU2021108838A RU2775606C1 RU 2775606 C1 RU2775606 C1 RU 2775606C1 RU 2021108838 A RU2021108838 A RU 2021108838A RU 2021108838 A RU2021108838 A RU 2021108838A RU 2775606 C1 RU2775606 C1 RU 2775606C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
carbon fiber
carbon
sizing
composite materials
polymer
Prior art date
Application number
RU2021108838A
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 RU2775606C1 publication Critical patent/RU2775606C1/ru

Links

Abstract

Настоящее изобретение относится к полимерному композиционному материалу из полифениленсульфида с углеродными волокнами, предназначенному в качестве конструкционных полимерных материалов, и к способу его получения. Полимерный композиционный материал включает полифениленсульфид и углеродные волокна, аппретированные органическим аппретом, в качестве которого используют 3-(фенилсульфонил)бензолсульфохлорид. Количество аппретирующего вещества к углеродному волокну составляет 1-4 мас.%. Количество аппретированного углеродного волокна в композиционном материале составляет 20 мас.%. Полученные композиционные материалы обладают улучшенными физико-механическими и реологическими свойствами за счет введения аппрета, повышающего смачиваемость наполнителя и увеличивающего граничные взаимодействия между углеродным волокном и полифениленсульфидной матрицей. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 7 пр.

Description

Изобретение относится к полимерным композиционным материалам из полифениленсульфида с углеродными волокнами 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, мас.%: 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 бисметакрилоилокситриэтиленгликольфталата, 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 полимерных композиционных материалов с улучшенными физико-механическими и реологическими свойствами на основе матричного полимера полифениленсульфида (ПФСД), содержащим аппретированные углеродные волокна (УВ) и разработке способа их получения.
Поставленная задача достигается тем, что композиционные материалы, армированные углеродными наполнителями, получают предварительной обработкой углеродного волокна органическим аппретирующим соединением - 3-(фенилсульфонил)бензолсульфохлоридом (ФСБХ) приведенной ниже формулы:
Figure 00000001
причем количество аппретирующего вещества к углеродному волокну соответствует 1-4 мас.%, тогда как количество аппретированного углеродного волокна в композиционном материале соответствует 20 мас.%. 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 углеродного волокна 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 ФСБХ.
Пример 1. Приготовление аппретированного УВ с 1 мас.% ФСБХ
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 ФСБХ в 67 мл хлороформа (0,25%-й раствор). Включают мешалку и перемешивают в течение 25 мин при температуре 25°С. Далее проводят нагревание содержимого колбы и отгонку хлороформа по режиму: 35°С - 35 мин; 45°С - 35 мин; 55°С - 45 мин; 75°С - 45 мин.
Аппретированный продукт сушат в сушильном шкафу под вакуумом при 90-100°С в течении 2-х часов. Выход аппретированного углеволокна - 94,7%.
Пример 2. Приготовление аппретированного УВ с 1,5 мас.% ФСБХ
По примеру 1, только количество ФСБХ составляет 0,38 г (0,38%-й раствор). Выход аппретированного углеволокна – 95,2%.
Пример 3. Приготовление аппретированного УВ с 2 мас.% ФСБХ
По примеру 1, только количество ФСБХ составляет 0,51 г (0,51%-й раствор). Выход аппретированного углеволокна – 95,7%.
Пример 4. Приготовление аппретированного УВ с 2,5 мас.% ФСБХ
По примеру 1, только количество ФСБХ составляет 0,64 г 0,64%-й раствор). Выход аппретированного углеволокна – 96,5%.
Пример 5. Приготовление аппретированного УВ с 3 мас.% ФСБХ
По примеру 1, только количество ФСБХ составляет 0,77 г (0,76%-й раствор). Выход аппретированного углеволокна – 96,9%.
Пример 6. Приготовление аппретированного УВ с 3,5 мас.% ФСБХ
По примеру 1, только количество ФСБХ составляет 0,9 г (0,89%-й раствор). Выход аппретированного углеволокна – 97,3%.
Пример 7. Приготовление аппретированного УВ с 4 мас.% ФСБХ
По примеру 1, только количество ФСБХ составляет 1 г (0,99%-й раствор). Выход аппретированного углеволокна – 97,6%.
Из аппретированных УВ и ПФСД получены ПКМ, содержащие 20 мас.% обработанных ФСБХ 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 14,1 18,3 11,8 148,8 8,3 91,4 2,3
По примеру 2 15,3 18,8 12,3 154,1 8,3 94,3 2,3
По примеру 3 17,5 19,2 12,7 159,7 8,5 97,8 2,4
По примеру 4 19,2 19,5 13,0 164,2 8,8 102,5 2,4
По примеру 5 20,3 20,3 13,2 166,5 8,9 105,6 2,4
По примеру 6 20,2 20,2 13,1 166,4 8,8 105,4 2,4
По примеру 7 20,1 20,2 13,0 166,3 8,8 105,2 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 полимерных композиционных материалов за счет введения органического аппрета - 3-(фенилсульфонил)бензолсульфохлорида, который повышает смачиваемость наполнителя и увеличивает граничные взаимодействия между углеродным волокном и полифениленсульфидной матрицей.

Claims (4)

1. Полимерные композиционные материалы из полифениленсульфида с углеродными волокнами, предназначенные в качестве конструкционных полимерных материалов, отличающиеся тем, что в качестве аппрета используют органическое соединение - 3-(фенилсульфонил)бензолсульфохлорид формулы:
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 полимерных композиционных материалов из полифениленсульфида с углеродными волокнами по п. 1 путем предварительного смешения полифениленсульфида с аппретированным углеродным волокном с последующей экструзией полученной полимерной смеси, включающий аппретирование углеродного волокна путем нанесения аппретирующего вещества из раствора с последующей сушкой, отличающийся тем, что аппрет - 3-(фенилсульфонил)бензолсульфохлорид наносят из растворов с массовой долей 0,25-0,99% в органическом легколетучем растворителе и проводят ступенчатый подъем температуры с одновременной отгонкой растворителя по режиму: 25°С - 25 мин; 35°С - 35 мин; 45°С - 35 мин; 55°С - 45 мин; 75°С - 45 мин.
RU2021108838A 2021-04-01 Полимерные композиционные материалы из полифениленсульфида с углеродными волокнами и способ их получения RU2775606C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2775606C1 true RU2775606C1 (ru) 2022-07-05

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1030923A (zh) * 1987-07-24 1989-02-08 聚塑料株式会社 聚亚芳硫醚树脂组合物
RU2054015C1 (ru) * 1994-04-28 1996-02-10 Московский авиационный технологический институт им.К.Э.Циолковского Способ аппретирования углеродного волокна для производства полисульфонового углепластика
RU2694030C2 (ru) * 2017-10-31 2019-07-08 Закрытое акционерное общество "Институт новых углеродных материалов и технологий" (ЗАО "ИНУМиТ") Аппретированное углеродное волокно и способ его получения
RU2710559C1 (ru) * 2019-05-16 2019-12-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" (КБГУ) Способ получения аппретированных стеклянных волокон и композиционные материалы на их основе

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1030923A (zh) * 1987-07-24 1989-02-08 聚塑料株式会社 聚亚芳硫醚树脂组合物
RU2054015C1 (ru) * 1994-04-28 1996-02-10 Московский авиационный технологический институт им.К.Э.Циолковского Способ аппретирования углеродного волокна для производства полисульфонового углепластика
RU2694030C2 (ru) * 2017-10-31 2019-07-08 Закрытое акционерное общество "Институт новых углеродных материалов и технологий" (ЗАО "ИНУМиТ") Аппретированное углеродное волокно и способ его получения
RU2710559C1 (ru) * 2019-05-16 2019-12-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" (КБГУ) Способ получения аппретированных стеклянных волокон и композиционные материалы на их основе

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2744893C1 (ru) Полимерная углеволоконная композиция и способ её получения
RU2775606C1 (ru) Полимерные композиционные материалы из полифениленсульфида с углеродными волокнами и способ их получения
RU2773524C1 (ru) Армированные углеродными волокнами полифениленсульфидные композиционные материалы и способ их получения
RU2770088C1 (ru) Полифениленсульфидные композиционные материалы с углеродными волокнами и способ их получения
RU2712612C1 (ru) Способ получения аппретированных углеродных волокон и композиционные материалы на их основе
RU2767549C1 (ru) Композиционные материалы на основе полифениленсульфида, углеродных волокон 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
RU2767546C1 (ru) Армированные стекловолокнами полифениленсульфидные композиционные материалы и способ их получения
RU2793890C1 (ru) Способ получения аппретированного углеволокна и полиэфирэфиркетонный композит на его основе
RU2770361C1 (ru) Полифениленсульфидные стекловолоконные композиты и способ их получения
RU2757922C2 (ru) Углеволокнистый полимерный композиционный материал на основе полиэфирэфиркетона и способ его получения
RU2767551C1 (ru) Полифениленсульфидные композиционные материалы с аппретированными стекловолокнами и способ их получения
RU2770092C1 (ru) Полимерные композиции на основе полифениленсульфида, стекловолокна и способ их получения
RU2796835C1 (ru) Способ получения аппретированных углеволокон и полиэфиримидные композиции
RU2811391C1 (ru) Способ получения аппретированных углеродных волокон и полиэфирэфиркетонные композиции
RU2770097C1 (ru) Полифениленсульфидные композиции с аппретированными стекловолокнами и способ их получения
RU2793888C1 (ru) Полимерный композиционный материал на основе полиэфирэфиркетона и углеволокна и способ его получения
RU2802624C1 (ru) Способ получения аппретированных углеродных волокон и полиэфирэфиркетонные композиционные материалы на их основе
RU2811395C1 (ru) Способ получения аппретированного углеволокна и полиэфирэфиркетонный композиционный материал
RU2793866C1 (ru) Способ получения аппретированных углеродных волокон и полиэфиримидный композит
RU2816425C1 (ru) Способ получения аппретированного углеволокна и полимерный композиционный материал на его основе
RU2752627C1 (ru) Полимерный композит на основе полиэфирэфиркетона и углеволокна и способ его получения
RU2770087C1 (ru) Полифениленсульфидные стекловолокнистые композиты и способ их получения