Введение к работе
Актуальность работы. Высокопрочные углеродные еолокнэ ( УВ ) яеляются одним из наиболее перспективных армирующих наполнителей при создании высоконагруженных изделий и конструкций из полимерных композиционных материалов. Как показывает практика, уникальные физико-механические свойства УВ реализуются в полимерных композитах не достаточно эффективно.
Строение высокопрочных УВ и выход на поверхность волокна базисных графитовых плоскостей, имеющих низкую поверхностную энергию, обусловливает их слабую адгезию к полимерным матрицам.
УВ, получаемые термолизом полиакрилонитрильных волокон, благодаря развитой системе пор микро-, переходного и макроскопического размера и еысокой удельной поверхности, обладают высокой адсорбционной способностью. В процессе получения, хранения и переработки волокна интенсивно поглотают влагу из воздуха. Сорбированная вода заполняет дефекты поверхности, препятствует затеканию связующего в поры и механическому зацеплению УВ с матрицей. Все это приводит к ослаблению адгезионных связей на границе УВ - связующее и, как следствие, снижению прочности армированного пластика.
Существующие способы обработки поверхности УВ ("мокрое" и, "сухое" окисление и т. п.) направлены на улучшение адгезии полимерной матрицы к УВ и повышение прочности карбопластиков. Однако, до настоящего времени не удавалось создать технологию, полностью исключающую сорбцию влаги УВ перед его пропиткой полимерным связующим.
Таким образом, разработка эффективной технологии получения высокопрочных армированных материалов и изделий из них является актуальной проблемой современного материаловедения.
Цель работы - разработка высокоэффективной технологии обработки волокнистого наполнителя, обеспечивающей повышение реализации прочностных свойств УВ и получение высокопрочных карбоплаешков.
Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:
исследование влияния различных способов обработки УВ на их физико-химические и прочностные свойства;
изучение сорбции влаги углеродными волокнами и создание модели влагообмена в технологическом процессе;
исследование реализации прочности УВ в карбопластшее в зависимости от способа обработки углеродного волокна и его температурно-влаасностной предыстории;
разработка нового термоэлектрического способа обработки УВ в атмосфере инертного газа с последующей пропиткой и создание на этой основе высокоэффективной технологии получения препрега и высокопрочных карбопластиков.
Научная новизна работы.
Установлено, что прохождение электрического тока плотностью 45,6 10 А / м в течение 15 с через углеродный еолокнистый наполнитель позволяет полностью удалить сорбированную УВ влагу, загрязнения поверхности, технологический замаелнватель и обеспечить высокую адгези онную прочность за счет механического зацепления УВ с полимерной мат рицей.
Определена роль сорбированной волокном влаги на реализацию лрочноети УВ в композите. Вода в порах макроскопического размера прс-тятствует затеканию е них связующего и возникновению механических зацеплений волокон с матрицей, влага, адсорбированная поверхностью, эслабляет взаимодействие функциональных групп на поверхности УВ со :молой, ухудшая адгезию, а конденсированная в порах микроскопического и переходного размера, играет роль концентратора напряжений, снижая ібсолютную прочность фнламенга. Неизбежный при существующих техно-югических процессах формования углеродного препрега контакт УВ с влагой воздуха.снижает эффективность применяемых способов обработки на-юлнителя на 30 - 40 % .
Предложена модель и зависимость, описывающая влагообмен углеводного волокнистого наполнителя е процессе храненіія. транспортировки і переработки. Показано, что влагообмен УВ может быть описан на основе додели нестационарной полубесконечной диффузии в цилиндрических по->ах. Экспериментально определены параметры сорбции Елаги углеродным юлокном, позволяющие прогнозировать температурно-влажностное пове-кние углеродного волокнистого наполнителя в технологических процессах і допустимое Еремя пребьтания УВ в атмосфере с различной влажностью.
Показано, что термоэлектрическая обработка УВ с последующей про-иггкой может быть положена в основу высокоэффективного технологиче-гкого процесса формования препрега с получением высокопрочных карбо-игастиков, прочность которых повышается на 10-34 % по сравнению с материалами, полученными по традиционной технологии.
Оптимизированы технологические параметры процесса ( натяжение и гкорость протягивания углеродного волокнистого наполнителя, плотность
и время пропускання через него электрического тока, диаметр фильеры і ар. ), позвотшшие создать высокоэффективную технолопоо получение препрега и высокопрочного карбопластика.
Практическое значение и реализация результатов работы.
Разработаны методики гравиметрических исследований, изготовле ния микропласппса, определения смачивающей способности связующего пс скорости растекания капли, которые могут найти применение в практикі исследования волокнистых наполнителей.
Предложен высокоэффективный способ обработки УВ, которь» встраивается в схему традиционного технологического процесса получеши препрега н высокопрочного карбопластика.
Термоэлектрический способ обработки УВ успешно апробирован н; АО "Пластик", г. Сшрань.
Апробация работы. Основные положения работы доложены н; Всесоюзных научно-технических конференциях: "Проблемы прочности і технологии КМ" ( г. Севастополь , 1989,1990, 1992 гг.), "Композиционны материалы в конструкциях глубоководных технических средств" (г. Ни колаев, 1991 г.), Республиканской научно-технической конференции " Me ханика и технология полимерных композиционных материалов и конструк ций" (г. Вологда, 1992 г.), научно-техническом семинаре кафедры " Техно логии переработки пластмасс и композиционных материалов" СамГТУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатны работ.
Структура и объемработы. Диссертационная работа состоит и введения, 6 глав, общих выводов, библиографии, приложения и содержи 148 страниц машинописного текста, включая 25 рисунков и 27 таблиц.