Технические науки – отраслевое машиностроение

Іванов В. І., Бережна О. Р., Скачков В. О., Мосейко Ю.В.

Запорізька державна інженерна академія

ПРО ЗМОЧУВАННЯ ВУГЛЕЦЕВИХ ВОЛОКОН РІДКИМИ В’ЯЖУЧИМ ТА ІМПРЕГНАТОМ

Підвищення фізико-механічних характеристик волокнистих композиційних матеріалів пов’язане з величиной адгезійних зв’язків на межі "волокно-матриця". Сила адгезії визначається змочуванням поверхні вуглецевих волокон в’яжучим, яке після тверднення формує матричний матеріал.

Вуглецеві волокна мають значну жорсткість завдяки високому модулю пружності, який сягає 250…390 ГПа [1]. Для підвищення текстильних властивостей на поверхню вуглецевих волокон наносять заоливлювача із водного розчину полівінілового спирту (ПВС), який захищає волокна від стирання та руйнування у процесі переробки й формування композитних конструкцій.

Для видалення заоливлювача та модифікації поверхні вуглецевих волокон застосовують термічну обробку в середовищі інертних газів, оксидування на повітрі або в об’ємі диоксиду вуглецю.

Змочуваність вуглецевих волокон визначається крайовим кутом змочування, який залежить від в’язкості імпрегнату, яка, в свою чергу, визначається вмістом розчинника. Збільшення вмісту розчинника від 25 до 55 % призводить до зниження в’язкості імпрегнату від 7,2 до 0,8 сСт.

Величину крайового кута змочування визначали за методом Адама-Шютте [2]. Вимірювання кута змочування вуглецевих волокон здійснювали за кімнатної температури на повітрі. Елементарне волокно довжиною 3 см приклеювали на металеву рамку, яку встановлювали на магнітному підвісі у вертикальній площині. Кожне вимірювання повторювали не менше 10 разів.

Під час вивчення впливу в’язкості імпрегнату на кут змочування вуглецевих волокон у стані постачання та після термічної обработки на повітрі за температури 400 °С (6…8 хвилин) встановлено, що процес оксидування вуглецевих волокон газифікує шар полімеризованого ПВС та активує поверхню. Така обробка підвищує змочуваність вуглецевого волокна та знижує крайовий кут його змочування на 5…6 градусів.

Термічно оброблені вуглецеві волокна просочували імпрегнатом і піддавали сушінню за температури 150…200 °С. Характеристики вуглецевих волокон з покриттям на основі імпрегнату подано у табл. 1.

Таблиця 1 - Характеристики вуглецевих волокон із захисним покриттям

Вид волокна	Маса волокна, 10^-3 кг після обробки	Маса імпрегнату 10^-9 кг/пм		Товщина покриття, dп
		mи	mп
Урал-24	1,7562 ± 0,01	0,0,70 ± 0,002	2,60 ± 0,01	0,0,20 ± 0,005
УКН-5000	3,2648 ± 0,03	0,0,50 ± 0,001	3,40 ± 0,02	0,0,30 ± 0,004
ВМН-4	2,6470 ± 0,02	1,01 ± 0,003	8,19 ± 0,05	0,0,50 ± 0,005

Примітка: m_и - маса імпрегнату в об’ємі волокна, 10^-9 кг/пм;

m_п - маса покриття на поверхні волокон, 10^-9 кг/пм;

dп - товщина покриття на волокні, мкм

Перевірку ефективності нанесеного покриття здійснювали методом оксидування за наявності кисню. Стійкість покриття оцінювали за величиною відносної втрати маси наважки. Для цього наважку вуглецевого волокна просушували за температури 120…150 °С до постійної маси, яку визначали з точністю до 0,0001 г. Далі наважку поміщали до печі, розігрітої до температури 200 °С за наявності кисню та через кожну годину зважували. Потім оксидування повторювали за температури 400 і 700 °С.

Відносну втрату маси наважки розраховували за формулою:

, (1)

де m₁, m₂ - маса волокна до та після термічної обробки, г, відповідно.

Основні результати проведених досліджень наведено ву табл. 2.

Таблиця 2 - Окислювальна стійкість вуглецевих волокон, просочених

імпрегнатом

Вид волокна	Маса волокна, г		Відносна втрата маси, %, за температури, ° С:
	до про- сочення	після просочення	200	400			700
			1 год.	1 год.	2 год.	3 год.	1 год.
Урал-24	1,7562	2,3986	0,15	8,23	11,28	13,02	73,51
УКН-5000	3,2648	5,4946	0,10	11,32	13,49	14,53	45,69
ВМН-4	2,6470	4,6234	0,13	7,59	8,45	8,66	59,63
без покриття	3,5478	3,5478	0,20	71,22	92,87	100	-

Результати експериментів показують, що волокна із захисним покриттям стійкіші, ніж волокна без покриття. З підвищенням температури процесу оксидування ефективність захисного покриття зростає з 36 до 50 %.

ПЕРЕЛІК ЛІТЕРАТУРИ

1. Конкин, А. А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы / А. А. Конкин. – М. : Химия, 1974. – 375 с.

2. Практикум по полимерному материаловедению / Под ред. П. Г. Бабаевского. – М. : Химия, 1980. – 256 с.