С развитием техники и созданием новых видов ответственных изделий возникла необходимость получения композитов с высокими механическими и другими функциональными свойствами. Это потребовало создания армирующих волокон и волокнистых наполнителей на основе углеродных полимеров. Для повышения адгезии к полимерным матрицам углеродные волокна (УВ) могут подвергаться модификации [1].
В связи с этим целью настоящей работы являлось изучение эксплуатационных свойств эпоксидных композитов на основе модифицированных УВ.
Объектами исследования являлись: углеродное волокно, эпоксидная смола (ЭД-20), полиэтилнеполиамин (ПЭПА) и модификаторы: 3-аминопропилтриэтооксисилан (АГМ-9), смесь гликолевых эфиров жирных кислот (DuronOS 3151).
В работе [2] представлены данные по изучению влияния исследуемых модификаторов на физико-механические характеристики полиакрилонитрильных (ПАН) волокон. При модификации волокон водными растворами модификаторов проявляется тенденция к повышению деформационно-прочностных свойств ПАН жгутика. При использовании в качестве модификатора DuronOS 3151 увеличение относительной разрывной нагрузки достигает 50-70 %, а при модификации ПАН волокон водным раствором, содержащим АГМ-9, это увеличение составляет 15-40%.
В работе [3] приведены данные по влиянию модифицированных ПАН волокон на физико-механические характеристики композитов на их основе. Сравнительная оценка эксплуатационных свойств разработанных композиционных материалов на основе ПАН-ТЖ показывает, что введение в эпоксидное связующее волокнистого материала, модифицированного АГМ-9 обеспечивает повышение разрушающего напряжения при растяжении на 13 МПа, разрушающего напряжения при изгибе — на 25 МПа, твердости по Бринеллю — на 67 МПа по сравнению с композитом на основе необработанного ПАН волокон. Установлено, что армирование эпоксидной матрицы модифицированного DuronOS 3151 ПАН волокна повышает разрушающее напряжение при растяжении на 16 МПа, разрушающее напряжение при изгибе – на 19 МПа, твердость по Бринеллю – на 159 МПа.
Для оценки влияния исследуемых модификаторов на свойства эпоксидных композиционных материалов на основе модифицированных УВ были получены образцы разработанных композитов, эксплуатационные свойства которых представлены в табл. 1.
Таблица 1
Сравнительная оценка прочностных свойств разработанных эпоксидных композитов на основе модифицированного УВ
|
Вид наполнителя |
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа |
Твердость по Бринеллю, МПа |
|
ЭД-20 ненаполненная |
20 |
50 |
|
УВ |
142 |
293 |
|
УВ+АГМ-9 |
153 |
315 |
|
УВ+Duron OS 3151 |
158 |
340 |
Из полученных данных видно, что при армировании эпоксидного связующего модифицированными УВ способствует повышению прочностных характеристик композитов. Композиционный материал на основе модифицированного АГМ-9 характеризуется увеличением разрушающего напряжения при растяжении на 11 МПа, твердости по Бринеллю на 22 МПа. Эксплуатационные характеристики композитов на основе УВ, модифицированные водным раствором DuronOS 3151 показывают увеличение разрушающего напряжение при растяжении на 16 МПа, твердости по Бринеллю – на 47 МПа. Таким образом, из полученных экспериментальных данных следует, что эффективным армирующим материалом для получения эпоксидного композита, характеризующегося высокими прочностными характеристиками, является УВ, обработанное DuronOS 3151.
Исследования по химической стойкости композиционных материалов на основе модифицированных УВ проводили в концентрированном растворе фосфорной кислоты, по ГОСТовской методике [4].
Степень агрессивного воздействия среды на композиционные материалы оценивали по изменению массы образцов (рис.1) и рассчитанных на основании этого изменения коэффициентов диффузии (D), сорбции (S) и проницаемости (Р) (табл.2).
Из полученных данных видно, что удовлетворительной химической стойкостью обладают образцы ненаполненной ЭД-20 (кривая 1) и образцы композиционного материала на основе исходных УВ (кривая 2). Причем образцы композиционных материалов на основе исследуемых УВ характеризуется низким коэффициентом проницаемости. Композит на основе УВ, модифицированного DuronOS 3151 (кривая 4) отличается повышенной стойкостью к действию фосфорной кислоты.
Рис. 2 Зависимость изменения массы образцов от времени: 1 — ЭД-20;
2 — ЭД-20+УВ; 3 — ЭД-20+УВ+АГМ-9; 4 — ЭД-20+УВ+Duron OS 3151.
Таблица 2
Коэффициенты диффузии, сорбции и проницаемости разработанных эпоксипластов
|
Состав композита |
Коэффициент диффузии, см2/с |
Коэффициент сорбции, г/см3 |
Коэффициент проницаемости, г·см/см2·с |
|
ЭД-20 ненаполненная |
4,0·10-9 |
3,0·10-1 |
2,0·10-11 |
|
ЭД-20+УВ |
4,0·10-8 |
2,0·10-1 |
6,0·10-11 |
|
ЭД-20+УВ+АГМ-9 |
3,0·10-8 |
3,0·10-1 |
9,0·10-11 |
|
ЭД-20+УВ+Duron OS 3151 |
5,0·10-8 |
8,0·10-2 |
4,0·10-11 |
Таким образом, анализ проведенных исследований о влиянии модифицированных УВ на свойства эпоксидных композитов, свидетельствует о возможности использования модификаторов АГМ-9 и DuronOS 3151 для направленного регулирования эксплуатационных характеристик композиционных материалов на основе УВ.
Литература:
- Перепелкин, К.Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты: учебник / К.Е. Перепелкин.- СПб.: Научные основы и технологии, 2009.-380с.
- Корчина, Л.В. Исследование влияния параметров модификации ПАН-жгутика аппретирующими составами на его свойства / Л.В. Корчина, Н.Г. Зубова, Т.П. Устинова // Вестник СГТУ.- 2014.- №2 (75).-С.83-86.
- Корчина, Л.В. Оценка влияния полиакрилонитрильных волокон, модифицированных аппретами различной химической природы, на кинетику отверждения и свойства эпоксидного композита на их свойства / Л.В. Корчина, Н.Г. Зубова, Н.Е. Попова, Т.П. Устинова // Химические волокна.- 2014.-№6.-С.28-30.
- ГОСТ 12020-72. Пластмассы. Методы определения стойкости к действию химических сред. – Введен 01.07.73. – М.: Изд-во стандартов, 1997. – 20 с.
