Способ модификации поверхности углеволокнистых материалов

 

Сущность: модификацию поверхности углеволокнистых материалов (УВМ) электрохимической обработкой под действием постоянного тока осуществляют в условиях, характеризуемых отношением величины мощности процесса к произведению массы обрабатываемого материала на скорость его транспортировки: 0,3W/(mV) 100, где W - мощность процесса, Вт, m - масса обрабатываемого УВМ, г, V - скорость транспортировки, м/мин. 2 табл.

Изобретение относится к способам электрохимической модификации поверхности углеволокнистых материалов (УВМ), обеспечивающих улучшение адгезии УВМ к полимерной матрице и повышение прочности углепластиков на их основе.

Известны методы модификации УВМ, позволяющие повысить активность поверхности волокон. Обработку проводят в газообразных и жидких окислителях при комнатной или повышенной температурах. Широкое применение находят способы электрохимической обработки, использующие свойство УВМ проводить электрический ток, с применением различных электролитов и температурно-временных параметров.

Известен способ, при котором активацию поверхности проводят в водных растворах 0,5-20% NaOH, KOH, H₃PO₄, H₂SO₄ в течение 25-500 с при плотности тока 5-50 А/м².

Известна двухстадийная обработка УВМ в смеси NaOH и NaCl, при которой плотность тока составляет 0,5-100 А/м².

Известна обработка углеродных волокон в 1-15%-ных растворах H₂SO₄или ее солей, которую лучше проводить при малых плотностях тока, 0,05-0,5 А/м².

Прототипом является способ модификации поверхности УВМ электрохимической обработкой под действием постоянного тока по величине подаваемого на электроды потенциала напряжения.

Несмотря на то, что известные способы в той или мной степени приводят к активации поверхности УВМ и улучшению характеристик композитов на их основе, эти способы имеют существенный недостаток, т.к. они не учитывают важный параметр толщину обрабатываемого материала, а следовательно, и его массу. В то же время на опытных и промышленных предприятиях по выпуску УВМ электрохимической обработке подвергают широкий ассортимент углеродных волокон различного элементарного номера и линейной плотности. Так, ведущие фирмы по производству высокопрочных высокомодульных УВМ в США, Японии, ФРГ, Англии и Франции ("Геркулес", "Торэ", "Тохо Бэслон", "Нихо Карбон", "Мицубиси рэйон", "Хитко", "Целаниз", "Куртольдз", "Зигри" и др.) выпускают нити или жгуты (ASI, AS4, AS6, 1М6, Т-300, Т-400, Т-800, Т-1000, Besfight, М-40, М-50, НТS, НТМ, Z-1-T, Z-1-й и др.), состоящие из 1000, 3000, 6000, 12000 элементаpных волокон. Известны и выпускаются УВМ с числом элементарных волокон 280000-320000. В Российской Федерации и ряде стран СНГ также производят УВМ различной текстильной структуры, толщины и массы (непрерывные жгуты, однонаправленные ленты, ткани, трикотаж и др.). Требования к этим материалам указаны в нормативно-технической документации (ТУ 6-06-И-119-85, ТУ 6-06-И-86-86, ТК 6-06-31- 602-87 и др.).

При использовании в качестве технологического параметра процесса электрохимической обработки поверхности УВМ величины плотности тока ( А/м²) и, тем более, напряжения (V, В) предполагается, что обрабатываемый материал абсолютно плоский либо приближен к таковому. Однако десятки и сотни тысяч элементарных волокон в нитях практически не могут быть одновременно разложены (раскатаны) для создания обрабатываемой площади УВМ толщиной в одно элементарное волокно. Этот факт еще более очевиден в условиях выпуска материала, где нити или жгуты имеют определенное число кручений на метр (ленты, ткани, трикотаж и т.п.). В результате определенная часть элементарных волокон находится внутри обрабатываемого материала и не учитывается при использовании такого параметра, как плотность тока. Чем больше толщина обрабатываемого материала и сложней его текстильная форма, тем больше вносимая погрешность при ведении процесса обработки и больше разброс по свойствам поверхности волокон и тем меньше гарантия получения устойчиво высоких характеpистик углепластиков.

Цель изобретения повышение качества и равномерности обработки поверхности готового материала различной толщины, массы и текстильной формы и как следствие снижение коэффициентов вариации прочностных характеристик углепластиков на их основе.

Поставленная цель достигается тем, что в способе модификации поверхности углеволокнистых материалов электрохимической обработкой под действием постоянного тока, обработку проводят в условиях, характеризуемых отношением величины мощности процесса к произведению массы обрабатываемого материала на скорость его транспортировки: 0,3 100, где W мощность процесса обработки, Вт; m масса обрабатываемого УВМ, г; V скорость транспортировки УВМ, м/мин.

Установлено, что использование для проведения и контроля процесса модификации поверхности УВМ условий, соответствующих отношению W / (m v) в диапазоне абсолютных значений 0,3-100 Вт (г м/мин), позволяет получить УВМ с высоким качеством и равномерностью обработки, а углепластики на их основе имеют высокие значения прочности с низкими коэффициентами вариации.

П р и м е р 1. Углеродную однонаправленную ленту шириной 240 мм, состоящую в основе из 1370 углеродных нитей линейной плотности 30 текс каждая при толщине слоя ленты 0,08 мм, массе 1 погонного метра ленты 20 г, прочности элементарных волокон 320 кгс/мм² и модуле упругости нитей 22500 кгс/мм² подвергают модификации поверхности путем электрохимической обработки в 1 н. растворе NH₄NO₃ при плотности постоянного тока = 0,2 А/м² (пример 1 табл. 1). На основе обработанной ленты изготавливают углепластики и испытывают на прочность при сдвиге ( _сд), сжатии (_-В) и растяжении ( _+B), определяя коэффициент вариации по результатам испытаний. Полученные данные представлены в табл.2 (пример 1).

П р и м е р 2. Углеродную однонаправленную ленту с теми же характеристиками, что и в примере 1, подвергают обработке поверхности электрохимическим способом аналогично условиям примера 1, но величина мощности процесса составляет 2,0 Вт, скорость транспортировки 0,3 м/мин, а отношение W / (m v) составляет 0,3 Вт(г м/мин) (пример 2, табл.1). На основе обработанной ленты изготавливают углепластик и испытывают в соответствии с условиями примера 1. Результаты испытаний приведены в табл.2 (пример 2).

Формула изобретения

СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ УГЛЕВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ электрохимической обработкой под действием постоянного тока, отличающийся тем, что обработку проводят в условиях, характеризуемых отношением величины мощности процесса к произведению массы обрабатываемого материала на скорость его транспортировки, при этом данное отношение имеет значение где W - мощность процесса обработки, Вт; m - масса обрабатываемого углеволокнистого материалов, г; V - скорость транспортировки углеволокнистого материала, м/мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3