Углеродные волокна используются для производства изделий, где определяющим фактором является не цена, а эксплуатационные свойства. Области и особенности применения углеродных волокон постоянно расширяются, поэтому к волокнам предъявляются высокие требования в отношении прочностных характеристик.
Прочность углеродных волокон во многом зависит от наличия дефектов, получающихся на различных стадиях переработки исходного волокна в углеродные волокна [1].
Углеродные волокна просты по своему химическому составу, но из-за большого многообразия углерод- углеродных связей и кристаллических структур создаются сложные, трудно поддающиеся изучению надатомные образования высшего порядка – фибриллы, взаимное расположение которых «унаследовано» от исходного полимерного волокна [2].
Для улучшения эксплуатационных свойств углеродных волокон на их поверхность наносят аппрет. Аппретирующие составы защищают волокна от разрушения при трении их друг о друга, во время переработки волокна при соприкосновении с поверхностью оборудования, от действия влаги.
В ряде случаев по тем или иным причинам, производятся углеродные волокна без защитного аппрета или его количества недостаточно для того, чтобы волокно обладало необходимыми эксплуатационными характеристиками. Такие углеродные волокна весьма хрупки и легко подвергаются повреждению и разрушению при переработке. С целью предотвращения ухудшения свойств таких волокон и осуществляется их аппретирование. Необходимо учитывать, что аппрет не может быть универсальным. Варьируя составом и протяженностью слоя аппрета на поверхности волокон можно достигнуть полного смачивания волокна аппретом, вытесняя из всех микротрещин и пор адсорбированные газы и пары воды, а также создать на поверхности прочно удерживаемую пленку.
В данной работе авторы подбирали аппретирующие составы для партии жгута ВМН-4МИ2:
— линейная плотность345 текс,
— модуль упругости 450 ГПА,
— прочность 5 ГПА.
Исходный жгут не покрыт аппретом, поэтому обладает многими отрицательными характеристиками: ворсистый, неравномерный по толщине, нестойкий в узле, нестойкий к истиранию, тусклого черного цвета. Пропустить такой жгут через фильеру невозможно, а проводить дальнейшую переработку – тем более. Поэтому нанесение аппрета необходимо для повышения технологичности дальнейшей переработки такого жгута, например, в стержни.
После изучения соответствующей литературы [3,4] и проведения пробных испытаний были подобраны 4 органических соединения, растворы которых могут быть использованы в качестве аппретов:
— поливиниловый спирт (ПВС),
— поливинилацетат (ПВА),
— полиуретан (ПУТ),
— фторопласт (ФТП).
Органические соединения ПВС и ПВА растворяли в воде при температуре ~ 80 ºС и готовили из них растворы концентрацией от 1 до 5 %.
В качестве полиуретанового аппрета использовали однокомпонентный клей «Спантан-1к», который растворяли в ацетоне и готовили растворы концентраций от 1 до 5 %.
Образцы исходного жгута выдерживали в приготовленных растворах в течение 10 мин при комнатной температуре, затем помещали в сушильный шкаф на 20 мин при температуре 100-110 ºС для высушивания. В результате проведенных испытаний получали образцы, которые оценивались визуально на стойкость в узле, стойкость к истиранию и ворсистость. Из опробованных нами растворов были выбраны в качестве аппретирующих растворы с концентрациями:
— ПВС 1 %,
— ПВА 1 %,
— ПУТ 2 %.
Стойкость в узле и стойкость к истиранию полученных образцов жгута увеличилась, но недостаточна для использования в процессе получения углеродных стержней. Увеличение концентраций растворов делает обрабатываемый жгут более жестким и ломким. Поэтому аппретирующие растворы решили скомбинировать, то есть провести двойную последовательную обработку жгута.
Так как в последствии технологи предполагают обрабатывать аппретированный жгут более концентрированными растворами ПВС, было принято решение – сначала обработать жгут 2% ПУТ или 1% ПВА, высушить, а сверху нанести 1% раствор ПВС. Обработку проводили последовательно, выдерживая жгут в каждом растворе 10 мин. Время сушки составляло 20 мин.
Полученный аппретированный жгут обладал недостаточной прочностью, поэтому концентрации аппретирующих растворов были увеличены до 3% и 2% соответственно.
Полученные образцы жгута имели лучшие показатели по сравнению с исходным, но недостаточные для дальнейших работ.
Затем исследовали аппретирующие свойства суспензии фторопласта марки Ф-4Д. Суспензию разбавляли дистиллированной водой в объемных соотношениях от 1:1 до 1:5. Образцы исходного жгута выдерживали в разбавленной суспензии 5 мин, затем помещали в сушильный шкаф. Сушки при 100 ºС оказалось недостаточно; образец жгута долго оставался влажным, поэтому температуру и время сушки увеличили до 150 ºС и 20 мин соответственно.
Полученные образцы аппретированного жгута обладали необходимыми качествами для дальнейшей переработки, причем образцы жгута, обработанные более разбавленной суспензией (в объемных соотношениях 1:5), по качеству оказались даже лучше, так как отсутствовал белый налет на жгуте.
Следующую партию аппретированных образцов получали, не выдерживая в растворе разбавленной суспензии фторопласта, а медленно протягивая образец через приготовленный раствор суспензии и высушивали при 150 ºС в течение 20 мин.
Получили образцы высокого качества. Жгут не рвался, не махрился, обладал хорошей стойкостью в узле и к истиранию.
Следующим этапом на технологической установке УИС-4 провели опытные испытания обработки исходного жгута суспензией, разбавленной в соотношении 1:5. Получены образцы хорошего качества с высокой стойкостью в узле и истиранию.
Дальнейшей технологической задачей являлась переработка аппретированного жгута в стержни. Поэтому были изготовлены опытные образцы стержней. Образцы аппретированного фторопластом жгута обрабатывали горячим 17% раствором ПВС. Полученные пропитанные, высушенные образцы стержней исследовали методом электронной сканирующей микроскопии на приборе ТМ-3000 Hitachi.
На рисунке 1 видно, что после аппретирования суспензией фторопласта получили плотный, хорошо пропитанный жгут без ворсистостей.
На рисунке 2 видно, что дальнейшая обработка раствором ПВС дает возможность получать образцы стержней без рыхлостей и пустот, покрытые тонкой пленкой ПВС.
Суммируя все полученные результаты можно сказать, что суспензия фторопласта Ф-4Д является, по существу, хорошим аппретом, который позволяет получить более высокие эксплуатационные характеристики волокна без заводского аппретирования для дальнейшей технологической переработки.
Литература
- Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы // – Спб.: НОТ. – 2008.–820с.
- Пакшвер Э.А. Карбоцепные синтетические волокна // – М.: Химия.–1973.– 589с.
- Роговин З.А. Основы химии и технологии химических волокон //– М.: Химия.– 1974. – Т.1. – С518, Т.2. – С292.
- Углеродные волокна. /Ред.С. Симамура // – М.:Мир.– 1987.–[schema type=»book» name=»ОБРАБОТКА УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА ДЛЯ ДАЛЬНЕЙШЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ» author=»Кондрашова И.А., Чеблакова Е.Г., Евтеева Е.Е.» publisher=»б\БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-04-20″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.03.2015_03(12)» ebook=»yes» ]