автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.06, диссертация на тему:Термоэлектрическая обработка углеродных волокон и технология получения высокопрочных карбопластиков

Р Г Б ОД

- 8 И ЮН 1093

На правах рукописи

СИНЕЛЬНИКОВА Рахиль Мошековна

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА УГЛЕЮДНЫХ ВОЛОКОН И ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ КАРБОПЛАСТИКОВ

Специальность 05.17.06 - Технология и переработка пластических масс,

эластомеров 1! композитов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1998

Работа выполнена на кафедре "Технология переработки пластмасс и композиционных материалов" Самарского Государственного технического университета

Научный руководитель : Доктор технических наук,

профессор, Макаров В.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Симонов-Емельянов ИД. доктор технических наук, профессор Головкин Г.С.

Ведущая организация: ОАО " НПО Стеклопластик "

Заипгга состоится 22 июня 1995 г. в 15-00 часоЕ на заседании диссертационного совета Д 063.41.04 в Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.ВЛомоносова по адресу: Москва. ул.Малая Пироговская, д.1.

Отзывы на автореферат отправлять по адресу: 117571, г. Москва, проспект Вернадского, д. 86, МИТХТ им. М.ВЛомоносоЕа.

С диссертацией молено ознокомитъея в библиотеке Московской госу дарственной академии тонкой химической технологии им. М.ВЛомоносов по адресу: г. Москва, ул. Малая Пироговская, д. 1.

Автореферат разослан 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических нате, профессор

В.В.Шевеле1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Высокопрочные углеродные Еолокна ( УВ ) являются 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 высокой 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 карбопластиков.

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 карбопластшсе в зависимости от способа обработки углеродного волокна и его температурно-влаамостной 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 10й А / м2 в течение 15 с через углеродный еолокнистый наполнитель позволяет полностью удалить сорбированную УВ влагу, загрязнения поверхности, технологический замасливатель и обеспечить высокую адгези о иную прочность за счет механического зацепления УВ с полимерной мат рицей.

Определена роль сорбированной волокном влаги на реализацию лрочности УВ в композите. Вода в порах макроскопического размера пре-"штсгвует 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 1бсолютную прочность филамента. 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 б процессе хранения, транспортировки 1 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 I допустимое Еремя пребьтания УВ в атмосфере с различной влажностью.

Показано, что термоэлектрическая обработка УВ с последующей про-1ИТКОЙ может быть положена в основу высокоэффективного технологиче-гкого процесса формования препрега с получением высокопрочных карбо-отастиков, прочность которых повышается на 10-34 % по сравненгео с материалами, полученными по традиционной технологии.

Оптимизированы технологические параметры процесса ( натяжение и гкорость протягивания углеродного волокнистого наполнителя, плотность

и время пропускания через него электрического тока, диаметр фильеры i др. ), позволившие создать высокоэффективную технологию получени! препрега и высокопрочного карбопластика.

Практическое значение и реализация результатов работы.

Разработаны методики гравиметрических исследований, изготовле ния микропластика, определения смачивающей способности связующего пс скорости растекания капли, которые могут найти применение в практик! исследования волокнистых наполнителей.

Предложен высокоэффективный способ обработки УВ, которь» встраивается в схему традиционного технологического процесса получеши препрега и высокопрочного карбопластика.

Термоэлектрический способ обработки УВ успешно апробирован н; АО "Пластик", г. Сызрань.

Апробация работы. Основные положения работы доложены н; Всесоюзных научно-технических конференциях: "Проблемы прочности i 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 объем работы. Диссертационная работа состоит и введения, 6 глав, общих выводов, библиографии, приложения и содержи 148 страниц машинописного текста, включая 25 рисунков и 27 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и основные задачи исследования .

В первой главе рассматриваются свойства УВ, выпускаемых отече-твенной промышленностью, технологии обработки поверхностиУВ и потение высокопрочных армированных пластиков. Анализ патентной и на-■чно-технической литераторы позволил выбрать объекты, методы исследования, сформулировать цель и задачи работы.

Вторая глава посвящена описанию объектов и методов исследова-[ия. В качестве объекта исследования использовали углеродный волокнис-ый наполнитель марки УКН-5000 ( ТУ б-Об-И 106-33 ), состоящий из 5000 >иламентов и покрытый водорастворимым технологическим замасливате-ем - поливинилацетато.ч ( 2.3 % ). Текс нити - 414 г / км. Диаметр фила-гента -7, 66 мкм, разрушающее напряжение при растяжении 3240 МН/ м' , лотность 1740 кг/ м". удельная поверхность 0.38 м' / г , поверхностное со-ротиЕление нити 120 Ом/'м .

Для пропитки УВ и изготовления препрега применяли связующее олодного отверждения - 50 % - ный раствор эпокстшиановой смолы ЭД-20 ацетоне и горячего отверждения - эпоксифенольное сЕязуюшее ЭТФМ. 1еред пропиткой наполнителя и формованием препрега поверхность УВ срабатывали традиционными способами "мокрого" или "сухого" окис-ения, а также разработанным термоэлектрическим способом в атмосфере зота.

Исследования проводили на элементарном волокне (филаменте). нити, пропитанной нити ( микропластике) и однонаправленном композите, изготовленном по ТУ 92-934-2-199-27.

В методической части описаны технологии получения образцов для исследований филамента, нити, микропластика и композита, оптимизации параметров термоэлектрической обработки, формования препрега и получения карбопластиков.

Параметры термоэлектрической обработки УВ и формования препрега изучали на специальной установке, разработанной автором, обеспечивающую термоэлектрическую обработку, пропитку, сушку и намотку.

Влагообмен, распределение дефектов по размерам, удельную поверхность УВ изучали гравиметрическим методом с использованием полуавтоматической установки для экспрессной оценки сорбции, разработанной автором на основе весов АДВ-200, и применения аналитического метода капиллярной конденсации Брунауэра.

Обработку У В проводили азотной кислотой, перекисью водорода, хромовой смесью, аммиаком, т. е. мокрым способом; в муфельной печи при температуре 450° С в течение 1 часа; а также путем пропускания электрического тока через отрезок движущейся нити в атмосфере инертного газа.

Образцы для определения адгезионной прочности и микропластик изготавливали е контролируемых температурно-влажностных условиях.

Физико-химические и физико-механические свойства филамента, нити, микропластика и композита определяли по стандартным, отраслевым и разработанным на кафедре ТППМ и КМ методикам с использованием оптического, электронного микроскопов и другого оборудования.

Соотношения компонентов в микропластике и композите оценивали

весовым методом по содержанию УВ, определяемого окислением связующего смесью серной кислоты и перекиси водорода.

В третьей главе рассматривается влияние различных способов обработки углеродного волокна на его физико-химические свойства и прочность на уровне филамента и нити.

Углеродные волокна, обладающие низкой поверхностной энергией, не

3 3

превышающей 27 10' Н/м (у стеклянных волокон - 225 10 Н/м), плохо смачиваются полимерными связующими. Поэтому традиционные способы обработки УВ направлены на повышение лиофильности его поверхности к связующему. В табл.1 приведены данные по исследованию свойств УВ, прошедших различную обработку.

При "сухой" обработке поверхности на воздухе происходит удаление замасливателя и окисление поверхности УВ. При этом краевой угол смачивания снижается с 37 до 24°, скорость растекания связующего возрастает с 0,0037 до 0,0124 м / с, а удельная поверхность с 0,33 до 0,43 м2 / г, одновременно увеличивается и адгезионная прочность с 27 до 40 МН / м2. Однако, окисление на воздухе плохо контролируется, часть филаментов нити разрушается, другая не полностью расшлихтовывается. Все это приводит к снижению прочности филамента с 3240 до 3190 МН / м2 и разрушающей нагрузки комплексной нити - с 189 до 168 Н.

"Мокрая" обработка е азотной кислоте - наиболее эффективный способ, применяемый в промышленности, пргаодит к увеличению удельной поверхности до 0,42 мг / г, скорости растекания до 0,0139 м / с и снижению краевого угла смачивания до 21°. Однако остаточная влага в количестве

Таблица 1

Свойства УВ после различных способои обработки

NN лп Способ обработки УВ Удельна* поверхность, И*/Г Краевой утоп смачивания смолой, град. Скорость растевшпя смолы,кк Остаточка* влажность, % Адгезионна* прочность, МН /м* Разрушающее напряжение фи-ламента, МН Ы2 Разрывна.* нагруэю. нити, Н

1 Неходкое УВ с эакасливателен 0,38 37 0,0087 27 ±2 3240 ± 170 189 ±10

2 "Сухи" обработка. окислением на воэдухг при 450' С 0,43 24 0,0124 0,04 40±3 3190 ±167 168 ± 11

3 "Мокра*" химическая обработка.: аммиаком перекисью водорода хромовой смесью азотной кислотой 0,40 0,42 0,42 0,42 28 27 23 21 О.СС92 0,0093 0,009 2 . 0,0139 0,06 0,07 0,11 0,06 38 ± 2 43 ±3 42 ±4 51 ± 2 (66 ±3) 2910 ± 165 2780± 148 2560 + 159 3080± 165 143 ±9 136 ±9 126 ± 10 169 ±9

4 Термсолектричес-кал обработка в азоте (950" С) 0,40 35 0,0059 0,00 (60 ±3) 3640 ±160 2С0 ± 9

Примечание. Значения в круглых скобках - адгезионная прочность, определенная на образцах, изготовленных в сухой атмосфере над осушителем • пятиокисью фосфора.

0.06 - 0.11 % . которая остается в филаменте далее при длительной сушке, проявляет себя как концентратор напряжений и снижает абсолютную прочность филамента до 3080 МН / м' , а травмирование волокон приводит к падению разрушающего напряжения нити на 10-15 % до 169 Н . Сорбция влаги при пропитке нити связующим и образование на поверхности УВ полимолекулярных слоев сорбшюнной воды приводит к снижению прочности адгезионного соединения: в сухой атмосфере - 66 МН/м', а при 68 % - ной влажности, т. е. в условиях реального производства, - 51 МН / м2.

Разработанный термоэлектрический способ обработки заключается в пропускании через отрезок движущейся углеродной нити электрического тока плотностью 45,6-10й А/ м' в течение 15 с . Это пригонит к повышению температуры углеродного волокна до 950° С и полному удалению воды, загрязнений поверхности и замасливателя. При этом линейная плотность нити снижается от 414 до 402,4 г/км, а прочность филамента нити возрастает до 3640 МН / м', что на 12 % процентов выше, чем при "сухом" окислении и на 18% - при обработке азотной кислотой. Удельная поверхность и лиофильность УВ после термоэлектрической обработки несколько ниже, чем после традиционных способов обработки, однако это наименее травмирующий нить способ, при котором разрушающая нагрузка нити за счет увеличения абсолютной прочности филамента возрастает до 200 Н.

Благодаря пропитке нити непосредственно после термоэлектрической обработки реализуются условия для затекания связующего е открытые поры УВ с возникновением механических зацеплений. При изготовлении адгезионных соединений в сухой атмосфере, имитирующей пропитку нити по разработанной технологии, адгезионная прочность составляла 60 МН/ м2 , что в 2,2 раза выше, чем для УВ с замасливателем.

По сравнению с традиционными способами обработки, в частности , в азотной кислоте, применяющейся в промышленности и продолжающейся в течение 12ч, термоэлектрическая обработка длится 15 с и является наиболее производительным способом обработки УВ, не требующим к тому же сложного оборудования.

В четвертой главе приведены исследования по влагообмену УВ в различных условиях и изучено влияние сорбированной влаги на прочность филамента. Углеродные волокна обладают высокой гигроскопичностью (1,67 %) благодаря развитой поверхности и системе открытых пор, е основном сконцентрированных на поверхности УВ. В процессе хранения, межоперационной транспортировки УВ происходит заполнение пор конденсирующейся Елагой из воздуха или ее десорбция, т. е. происходит влаго-обмен. Температурно-влажностная предыстория УВ должна оказывать существенное влияние на характеристики карбопластиков.

Для описания влагообмена УВ нами предложена модель и получена зависимость путем интегрирования дифференциального уравнения нестационарной полубесконечной диффузии дня сорбции воды цилиндрической порой, на дне которой начинается конденсация влаги.

В случае сорбции:

дС(Х,С) В7С(Х,1)

-= -;- (!)

Эí гх2

гае С( концентрация воды на расстоянии X от дна поры в момент

времени Дфф. - эффективный коэффициент диффузии.

Решая уравнение (1) при начальном С (0, 0) = Ср^ и граничных словиях С ( X, () = 0 и С ( 0, ( ) - Ср^гн-, где Ср^ - равновесная кон-ентрация еоды е УВ, получаем:

Y / *» ' гч Л ' V ~ >t t'

F V* { 2

(2)

Изменение массы волокон g площадью F , происходящее в резуль-1те сорбции воды, пропорционально градиенту концентрации влаги по ;ченшо филамента:

ЭС (X, t)

- F dt . (3)

дХ

Градиент концентрации влаги можно получить, дифференцируя равнение (2) при условии х = 0:

SC(i'j), 2 _ _ 1

-гт;— г-о " Ь пин. , — ° рик. • ! _ 1 W

Подставляя уравнение (4) в уравнение (3) и интегрируя в пределах от до / и от 0 до g , получим:

к £р*п. ~ С- равновесное содержание влаги, V - равновесный 5ъем сорбированной влаги при заданной влажности воздуха, а - ско-}сть влагообмена.

Значение определяли в соответствии с уравнением (5) по на-

щьным участкам кривых сорбции или десорбции влаги УВ в координатах - /Т,(рис. 1).

Рис. I. Кинетика сорбции и десорбции влаги УВ

в начальный период времени:

1,2,4- десорбция в 85, 0 и 75 % влажности ( начальная влажность: 1 - 98 %, 2 - 98 %, 4 - 85 % )

3, 5, б - сорбция в 98, 98 и 85 % влажности ( начальная влажность: 3 - 85 %, 5-0 %, 6-32 % )

Характер влагообмена при прочих равных условиях определяете размерами пор. Для ыикропор диаметром до 2,0 нм в основном реализует ся активированная диффузия, в порах от 2,0 до 100 нм имеет место кнудсе новская диффузия, а в макроскопических порах, диаметром более 100 то сорбция осуществляется по закону свободной диффузии. Механизм диффу зии будет определять процессы переноса влаги в УВ, что необходимо учи тыватъ при разработке технологии.

При определенной влажности воздуха происходит заполнение или свобождение открытых пор в зависимости от их структурно- группового аспределения, температурно-влажностных условий и предыстории УВ.

Скорость влагообмена будет лимитироваться механизмом активиро-1ННОЙ, кнудсеновской или свободной диффузии, т. е. в обшем виде эффектный коэффициент диффузии равен :

+ ок + Д» (б)

Сорбционная и десорбционная ветви изотермы влагопоптошения для В в состоянии поставки при влажности воздуха выше 32 % совпадают, а и волокон с удаленным ПВА образуют петлю гистерезиса, характер ¡-тую и капиллярной конденсации в адсорбентах с порами переходного разме-1, Максимальное водопоглошение УКН-5000 с удаленным замасливате-:м 1,67 % .

Структурный анализ распределения пор УВ по размерам по данным ¡сорбции влаги показал, что 77,4 % открытых пор УВ имеют размеры от О до 107,4 нм, при этом средний диаметр пор равен 7,4 нм, а их заполне-1е происходит уже при относительной влажности воздуха 73- 76 %. Со-¡ржание микро- и макроскопических пор диаметром до 2,0 и более 107,4 л составляет соответственно 5,2 и 17,4 % .

Скорость сорбции и десорбции влаги при реализации свободной ¡ффузии в УВ без замасливателя в условиях 85 - 98 % влажности воздуха шнакова (кривая 1 и 3, рис.1). Коэффициент свободной диффузии состаЕ-[ст величину 3,52 10"7 м 2/ с .

При влажности воздуха 32 - 85 % влагообмен УВ происходит в порах ¡реходного размера (кривая 6, рис.1) по механизму кнудсеновской днффу-

В ^

[И,значение которого находится в пределах (1,8-3,1)10' м"/с.

Коэффициент диффузии, связанной с заполнением микропор УВ, р; вен 2,1 10 '* м2/с, а кажущаяся энергия активации - 14кДж/моль.

В тонких капиллярах, размером до 10 нм , е которых имеет место и: менение физических свойств сорбата, связанное с влиянием капиллярнь: сил, ко1шенсированная влага играет роль концентратора напряжений, чт пргаодит к расслоению и разрушению УВ при их нагружении.

Особенности влагообмена УВ необходимо учитывать при хранении подготовке наполнителя, а также при формовании препрега.

Пятая глава посвящена исследованиям влияния способа обработк и температурно-влажностной предыстории УВ на реализацию их про ности в карбопластике.

Интегральное влияние Есех физико-химических и технологическ! факторов как в ходе подготовительных операций ( когезионной и ажезио ной прочности, травмирования нити, остаточной Елаги, увлажнения и т. п. так и в процессе переработки будет сказываться на свойствах микропл стика. В табл. 2 приведены данные по разрушающему напряжению щ растяжении микропластика в зависимости от способа обработки УВ, изг товленных в сухой атмосфере.

Термоэлектрическая обработка наполнителя в случае связующего х лодного отверждения позволяет получить материал, прочность которого ] 8-29 % превышает прочность карбопластика с необработанным или обр ботанного традиционным способом УВ.

В случае связующего горячего отверждения показатели микропласт ка находятся на уровне распространенного в промышленности способа с работки азотной кислотой и на 15 % выше, чем для необработанного У В.

Таблица 2

Прочность микропластиков ( содержание связующего 39.5 ± 2 %) с УВ, обработанными различными способами

Способ Разрушающее напряжение при растяжении, МН / ыг

отверж- Исходное Мокрая обработка Сухая обработка

дения VI с ;а-

СЕЯзуго- маслива- аымнах перекись .тромогая азотная на гоздухе термоэлек-

шего телеы водорода смесь кислота (450° С) трическая

(950» С)

Холодное 1648 ±86 1430 ±74 1450 ±71 1310 ± 77 1760 ±80 1270 ±68 1780 ±71

(0,83) (0,80) (0,72) (0.73) (0,80) (0,64) (0,93)

Горячее 1570 ±85 1540 ± 69 1550 ± 73 1630 ±76 1860 ±79 920 ±67 1850 ±78

(0,80) (0.80) (0,81) (0.83) (0.84) (0.47) (0.91)

Примечание: величина в скобках - коэффициент реализации прочности УВ в микропластике относительно филамента с замаслиЕателем.

Влияние способа отверждения и температурно-влажностной предыстории УВ на прочностные свойства микропластика видно из рис.2.

В случае связующего холодного отверждения (рис. 2 а) и использования УВ, достигших сорбционного равновесия в атмосфере с относительной влажностью воздуха до 65 %, снижение прочности микропластика незначительно. Более высокая влажность воздуха приводит к усилению негативного влияния влаги, заполняющей поры переходного и макроскопического размера с падением прочности микропластика до 20 %.

При горячем отверждении роль влаги, сорбированной порами переходного и макроскопического размера, несколько снижается, т. к. под действием повышенной температуры она испаряется, облегчая заполнение пор и взаимодействие модифицированной поверхности УВ со связующим.

Термическая, химическая или термоэлектрическая обработка в азоте

нии микропластиков на основе : а ) ЭД-20, 6) ЭТФМ

Способ обработай УКН-5000: 1 - термоэлектрическое удаление в азоте при 950° С, 2 - азотной кислотой, 3 - без обработки, 4 - перекисью водорода, 5-аммиаком, б- хромовой смесью,7- термоудаление на воздухе при 450" С.

не гарантирует высокого уровня реализации прочности волокна в карбо-пластике, если в ходе пропитки может происходить адсорбция влаги воздуха. Это требует совмещения операций обработки и пропитки, что возможно достичь только при использовании разработанной термоэлектрической технологии.

В шестой главе описывается высокоэффективная технология обработки углеродных волокон, получение препрега и высокопрочного композита. На рпс. 3 представлена предлагаемая технологическая схема изготовления препрега и формования однонаправленного карбопласпоса.

Хорошая электропроводность УВ позволила положить в основу технологии термоэлектрическую обработку УКН-5000 в атмосфере азота. Злектрический ток, проходящий через отрезок нити между электродами, разогревает ее, обеспечивая полное каление воды, загрязнений поверх-юсти и замасливателя из нш, скорость протягивания которой гарантирует качественную пропитку непосредственно после удаления замасливателя.

Углеродная нить протягивается со скоростью 1,1 к^Мг/через нее секции 'становки и с натяжением 80 Н наматывается на металлическую оправку.В екции термоэлектрической обработки на отрезок движующейся нити меж-¡у электродами на расстоянии 0,275 м подается разность потенциалов 60 В. Электрический ток силой 10,5 А, проходящий через нить, повышает ее тем-:ературу в течение 15 с до 950° С. Для избежания окисления УВ, удаления, родуктов деструкции и влаги, а также снижения температуры нити до 50°С, брабогка ведется в атмосфере азота, расход которого составляет 22,5 л'ч .

Непосредственно после термоэлектрической обработки углеродная ить попадает в узел пропитки, ще наносится связующее, избыток которо-э отжимается при прохождении калиброванного отверстия формовочной

Рис.3. Технологическая схема получения армированного карбопла стиха

1 - паковка, 2 - нить, 3 - направляющие ролики, 4 - термоизолирующш прокладки, 5 - верхний электрод, б - кварцевая трубка, 7 - нижний электрод, 8 - пробка с отверстием, , 9 - пропиточная фильера, 10 - штуцер дш ввода азота, 11 - формующая фильера, 12 - сифон со связующим, 13 - ис точник переменного тока, 14 - трансформатор, 15 - сушильная камера, 16 оправка для намотки препрега.

льеры диаметром 0,67 мм. После сушки инфракрасными лампами пропи-нная шпъ наматывается на оправку-матрицу до необходимой толшины кета и подвергается горячему прессованию по заданном}' режиму'.

Предлагаемая технологическая схема позволила получить карбо-астик. имеющий физико-механические характеристики, на 34 % превос-дяшие показатели материала на основе необработанной нити (табл.3).

Таблица 3

Физико-механические характеристики карбопластиков, полученных методом намотки ( содержание связующего 39 ± 2 % )

Технология формовал ня

Разрушающее напряжение, МН / н2 при:

растяжении нлгнбе сжатии сдвиге

^шествующая 1090 ±96 990 ± 93 1820+ 102 32 ±2,9

^азработаяпая 1470 ± 81 1210 ±83 2100 ± 96 38 ±2,5

Повышение физико-механических показателей конструкционных кар->пластиков достигнуто благодаря увеличению адгезионной прочности на анице раздела фаз за счет введения в существующий технологический юцесс формования препрега операции термоэлектрической обработки в мосфере инертного газа с последующей пропиткой УКН-5000 .

Термоэлектрическое удаление замасливателя является наименее энер-емким способом обработки УВ. Например, расход энергии на обработку км УКН-5000 составляет 9,45 кВт ч, в то Бремя как при термической рас-лихтовке - 17,45 кВт ч.

Способ термоэлектрической обработки успешно апробирован на АО Пластик", г. Сызрань.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложен способ термоэлектрической обработки УКН-5000 в г мосфере азота с последующей пропиткой и формованием препрега, впис Бающийся е существующий технологический процесс и позволяющий € существенных затрат повысить прочность карбопластиков на 10 - 34 % .

2. Проведены комплексные исследования по влиянию различных ел собов обработки на характеристики УВ. Установлено, что прохожден электрического тока через У В плотностью 45,6-106 А / м' в течение 15 с п вышаегг его температуру до 950° С . Это приводит к полному удален* сорбированной влаги, замасливателя, загрязнений поверхности и пов шает прочность филамента до 3640 МН / м2 , что на 18 % выше по сравь нию с волокнами, прошедшими "мокрую" обработку азотной кислоте Эффективность термоэлектрической обработки связана с выделением теп в объеме филамента, в то время как при термической обработке переда тепла комплексной нити осуществляется путем теплопередачи через слой I за. Большая продолжительность термической обработки, доходящая до 1 приводит к протеканию побочных реакций, результатом которых являет снижение абсолютной прочности УВ.

3. Исследована пористая структура УКН-5000, характеризующая распределением основной массы (77,4 % ) пор в пределах от 2,0 до 107,4н! При этом в УВ наиболее распространены открытые поры диаметром 7,4 н

4. Установлена роль влаги, заполняющей поры УВ, е реализац прочностных свойств наполнителя в карбопластике. Сорбция влаги напс нителем приводит к снижению прочностных показателей композита на 30 %. Вода, находящаяся в порах диаметром до 10 нм, при механическ испытаниях играет роль концентратора напряжения и снижает прочное филамента, а конденсирующаяся в порах большего размера и на повер

эсти, приводит к снижению адгезионной прочности УВ - полимерная атрица.

5. Предложена физическая и математическая модель сорбции УВ Елаги ! воздуха. Определены параметры влагообмена, позволяющие прогнози-эвать сорбционное поведение углеродного наполнителя в технологических эоцессах. Коэффициенты активированной, кнудсеновской и свободной

9 8 7 4

1ффузии составляют соответственно 2.1 -10' , 2.3-10" и 3,52-10' ы'/с.

6. Установлено, что стабильное протекание технологического процес-. формования препрега обеспечивается при скорости протягивания угпе-эдной нити 1,1 м /пине натяжением 80 Н, обработке электрическим током !,5 А при разности потенциалов 60 В. расходе азота 22,5 л / ч и диаметре либрованного отверстия формующей фильеры 0,67 мм .

7. Предложена и апробирована е лабораторных и промышленных ловиях технологическая схема высокоэффективного процесса получения >епрега и однонаправленного карбопластика повышенной прочности, лючаюшая термоэлектрическую обработку, пропитку, сушку и намотку гти на оправку.

Основное содержание диссертации отражаю в следующих г у иных статьях

1. Макаров В.Г., Кашин С.М., Синельникова P.M., Скобелеза JI.M. ияние поверхностной обработки и влаги на реализацию прочности упге-дных волокон в микропластиках.- Химические волокна, N2,1992, с.30- 32.

2. Макаров В.Г., Кашин С.М.. Синельникова P.M., Скобелева JI.M. '.обенности влагообмена углеродных волокон. - Химические волокна,

1, 1990, с.36-37.

3. Синельникова P.M., Макаров Б.Г.. Сухопяткина И .Т.. Якунин В. Физико-химические основы надежности композитов в изделиях. В кн.: Т зисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции " Актуальнь проблемы прочности в машиностроении - Севастополь. 1989. с. 19 - 20.

4. Синельникова P.M., Макаров В.Г. Установка для экспресснс оценки сорбционной активности материалов. Информационный листок, N 232.-Самара, 1989.-4 с.

5. Кашин С.М., Бурцев Г.В., Синельгарсова P.M., Макаров В.Г. Оце ка ресурса изделий из КМ по результатам ускоренных испытаний образце В кн. : Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференц: "Проблемы прочности и технологии изготовления конструкций из коми зиционных материалов". - Севастополь. 1990. с. 22-29.

6. Макаров В.Г.. Синельникова P.M. Оценка водопроницаемое многослойных конструкций. В кн.: Тезисы докладов Межвузовской на} но-технической конференции "Композиционные материалы в конструкцг глубоководных технических средств". - Николаев, 1991, с. 96.

7. Макаров В.Г.. Синельникова P.M. Прогнозирование ресурса уг пластиков в условиях повышенной влажности. В кн.: Тезисы докладов В союзного научно-технического семинара " Механика и технология по: мерных и композиционных материалов - Санкт-Петербург, 1992, с.15-

8. Синельникова P.M., Павлушин A.B. Влияние влага на прочно филамента углеродной нити. В кн.: Тезисы докладов научно-техничеа конференции "Гагаринские чтения". - М.: МГАТУ, 1998, т. 9, с. 53.

Подписано в печать 28.04.98 г. Формат 60x84. Усл. печ.л. 1,5. Печать офсетная. Бумага писчая белая. Тир. 100 экз. Зак. И 132 Тип. ОАО "0ТНС" г.Самара, ул.Галактионовская, 39.