RU2767549C1 - Композиционные материалы на основе полифениленсульфида, углеродных волокон и способ их получения - Google Patents
Композиционные материалы на основе полифениленсульфида, углеродных волокон и способ их получения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2767549C1 RU2767549C1 RU2021108837A RU2021108837A RU2767549C1 RU 2767549 C1 RU2767549 C1 RU 2767549C1 RU 2021108837 A RU2021108837 A RU 2021108837A RU 2021108837 A RU2021108837 A RU 2021108837A RU 2767549 C1 RU2767549 C1 RU 2767549C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- composite materials
- sizing
- carbon
- finished
- carbon fiber
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
- C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
- C08J5/06—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material using pretreated fibrous materials
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
- C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
- C08K3/02—Elements
- C08K3/04—Carbon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
- C08K7/00—Use of ingredients characterised by shape
- C08K7/02—Fibres or whiskers
- C08K7/04—Fibres or whiskers inorganic
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
- C08K9/00—Use of pretreated ingredients
- C08K9/04—Ingredients treated with organic substances
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L65/00—Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain; Compositions of derivatives of such polymers
- C08L65/02—Polyphenylenes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L81/00—Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing sulfur with or without nitrogen, oxygen or carbon only; Compositions of polysulfones; Compositions of derivatives of such polymers
- C08L81/04—Polysulfides
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
- D06M13/00—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with non-macromolecular organic compounds; Such treatment combined with mechanical treatment
- D06M13/10—Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with non-macromolecular organic compounds; Such treatment combined with mechanical treatment with compounds containing oxygen
- D06M13/184—Carboxylic acids; Anhydrides, halides or salts thereof
- D06M13/192—Polycarboxylic acids; Anhydrides, halides or salts thereof
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Textile Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
- Reinforced Plastic Materials (AREA)
Abstract
Изобретение относится к композиционным материалам на основе полифениленсульфида и углеродных волокон, аппретированных органическим соединением - 1,4-бензолдикарбоновой кислотой, и способу их получения, предназначенным в качестве конструкционных полимерных материалов. Технический результат предлагаемого изобретения заключается в улучшении физико-механических и реологических свойств создаваемых композиционных материалов за счет введения аппрета, повышающего смачиваемость наполнителя и увеличивающего межмолекулярные адгезионные взаимодействия между углеродным волокном и полифениленсульфидной матрицей. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 7 пр.
Description
Изобретение относится к композиционным материалам на основе полифениленсульфида, углеродных волокон и способу их получения, предназначенным в качестве конструкционных полимерных материалов.
Использование аппретов при создании полимерных композиционных материалов (ПКМ) позволяет модифицировать структуру межфазного слоя и увеличить межмолекулярные взаимодействия на границе раздела фаз матрица/наполнитель. Разработка аппретирующих составов для получения полимерных композиционных материалов на основе суперконструкционных термопластов за счет повышения адгезии между полимером, например, полифениленсульфидом, и наполнителем, в частности, углеродным волокном, в ряде случаев, будет способствовать увеличению эксплуатационных свойств композита, что приведет к увеличению срока службы изделий.
Из уровня техники известны различные виды аппретирующих добавок, используемых при создании полимерного композиционного материала. Так, в патенте на изобретение RU 2057767 приводится полимерный композиционный материал, в состав которого входят полисульфоновый полимер и углеродные волокна. Углеродные волокна содержат на поверхности в качестве аппретирующего слоя сополимер, состоящий из звеньев метакриловой кислоты, диэтиленгликоля и бензосульфокислоты в молярном соотношении от 49,5:49,5:1 до 49:49:2 в количестве 0,52-5,0 % от массы волокна при следующем соотношении компонентов, масс. %: углеродные армирующие волокна, содержащие сополимер, 25-75; полисульфоновая матрица остальное. По словам авторов
изобретения, использование в качестве аппретирующего слоя указанного сополимера позволяет в 1,8-2,2 раза повысить межслоевую прочность при сдвиге полисульфоновых углепластиков. Основным недостатком предлагаемого решения является использование водной среды для нанесения на углеродную ленту смеси мономеров. Так как углеродные волокна и ленты являются гидрофобными, добиться равномерного распределения водного раствора смеси мономеров сложно. В результате полимеризации также возможна неполная конверсия мономеров, что может привести к образованию и выделению воды на других этапах получения полимерного композита, что приведет к образованию пор и снижению прочностных характеристик. Присутствие в водной среде бензолсульфокислоты будет способствовать к накоплению ионов, что будет ухудшать диэлектрические свойства материалов.
По патенту РФ № 2201423 получены полимерные композиции из полимерного связующего (аппрет) и стеклоткани или углеродного наполнителя. Сначала получают связующее - олигомер реакцией тетранитрила ароматической тетракарбоновой кислоты и ароматического бис-о-цианамина при температурах 170-180 °С. Связующее получается в виде порошка. Главным недостатком этого решения является сложность процесса получения связующего. При неполной конверсии мономеров во время синтеза, может происходить выделение побочных низкомолекулярных продуктов реакции во время совмещения связующего с наполнителем при повышенной температуре, следствием чего будет иметь место образование пустот в композиционном материале. Указанное приведет к ухудшению прочностных характеристик материала. Кроме этого, порошкообразные аппреты могут недостаточно равномерно покрывать поверхность наполнителя.
Известны полиэфиримидные композиты по патенту США № 4049613. Чтобы увеличить смачиваемость углеродного волокна полимерной матрицей, авторы предлагают выдерживать наполнитель в
горячей азотной кислоте в течение трех суток, что в технологическом и экономическом плане невыгодно.
Известен способ обработки углеродных наполнителей по патенту на изобретение № 2676036. Изобретение относится к способу обработки углеродных наполнителей, а именно углелент или углеволокон, с целью повышения гидрофильности их поверхности и снижения плотности. Предлагаемый способ заключается в том, что процесс обработки углеродных лент и волокон проводят смесью 100 г разбавленной серной кислоты 60%-ной концентрации и оксида фосфора (V) 1,5-6,0 г при температуре 75°С в течение 0,5 часа. Обработанные вышеуказанным способом протонированные угленаполнители обладают высокой гидрофильностью поверхности и пониженной плотностью, что позволяет их применять в качестве наполнителей полярных полимеров и получать полимерные композиты с более высокой прочностью на сжатие.
Наиболее близким аналогом выступает способ аппретирования углеродного волокна по патенту РФ № 2054015 «Способ аппретирования углеродного волокна для производства полисульфонового углепластика». По предлагаемому способу, проводят смешение блоксополимера с растворителем. Блоксополимером, состоящим из звеньев бисметакрилоилоксидиэтиленгликольфталата и бисметакрилоилокси-триэтиленгликольфталата, осуществляют пропитку углеродного наполнителя с последующей сушкой для удаления растворителя и полимеризации пленки аппрета на волокне, отличающийся тем, что смешение проводят в воде с одновременным воздействием ультразвукового излучения при частоте от 15 до 44 кГц и длительности воздействия от 5 до 14 минут. Недостатками способа являются использование водных растворов блоксополимеров для смачивания гидрофобных поверхностей углеродного волокна и необходимость дальнейшей полимеризации на поверхности наполнителя. Следствием может быть неравномерное смачивание наполнителя, а следовательно, понижение свойств получаемого углепластика.
Задача настоящего изобретения заключается в получении композиционных материалов с улучшенными физико-механическими и реологическими свойствами на основе матричного полимера полифениленсульфида (ПФСд), углеродных волокон (УВ) и разработка способа их получения.
Поставленная задача достигается тем, что композиционные материалы, армированные углеродными наполнителями, получают предварительной обработкой углеродного волокна органическим аппретирующим соединением - 1,4-бензолдикарбоновой кислотой (БДКК) приведенной ниже формулы:
В щелочном растворе, причем количество аппретирующего вещества к углеродному волокну соответствует 1-4 масс. %, тогда как количество аппретированного углеродного волокна в композиционном материале соответствует 20 масс. %. Обработка таким аппретом повышает смачиваемость наполнителя полифениленсульфидом, позволяет многократно проводить при необходимости термообработку получаемого изделия без изменения свойств аппрета.
Композиционные материалы по настоящему изобретению получают путем предварительного смешения полимерной матрицы и аппретированного стекловолокна с использованием высокоскоростного гомогенизатора Multi function disintegrator VLM-40B. Затем полимерная смесь подвергается экструзии на двухшнековом микроэкструдере PJSZ фирмы Haitai Machinery (Китай) с L/D=30, при максимальной температуре 320 °С. Образцы для испытаний были получены методом литья под давлением на термопластавтомате SZS-20 компании Haitai Machinery (Китай) при температуре материального цилиндра 330-350 °С и температуре формы 80 °С.
Использованы молотые углеродные волокна с длиной 0,2 мм производства фирмы R&G (Германия), и полифениленсульфид марки PPS Z-200 фирмы DIC Corporation.
Механические испытания на одноосное растяжение выполнены на образцах в форме двухсторонней лопатки с размерами согласно ГОСТ 112 62-80. Испытания проводили на универсальной испытательной машине Gotech Testing Machine CT-TCS 2000, производство Тайвань, при температуре 23 °С. Ударные испытания выполнены по методу Изо да согласно ГОСТ 19109-84 на приборе Gotech Testing Machine, модель GT-7045-MD, производство Тайвань, с энергией маятника 11 Дж.
Показатель текучести расплава (ПТР) определялся на приборе ИИРТ-5 (Россия) при температуре 320 °С и нагрузке 5 кгс.
Ниже представленные примеры, иллюстрирующие получение аппретированных углеродных волокон с использованием БДКК.
Пример 1. Приготовление аппретированного УВ с 1 масс. % БДКК.
В трехгорловую круглодонную колбу, снабженную прямым холодильником, нагревателем и мешалкой помещают 25 г дискретного УВ с длиной волокон 0,2 мм и приливают раствор, полученный растворением 0,25 г БДКК в 80 мл водного щелочного раствора аммиака (рН = 7,5-^8). Включают мешалку и перемешивают в течение 30 мин при температуре 40 °С. Далее проводят нагревание содержимого колбы и отгонку аммиака и воды по режиму: 50 °С - 30 мин.; 70 °С - 40 мин; 90 °С - 30 мин.; 110 °С - 40 мин.
Аппретированный продукт сушат в сушильном шкафу под вакуумом при 100-120 °С в течении 2-х часов. Выход аппретированного углеволокна - 97,6%.
Пример 2. Приготовление аппретированного УВ с 1,5 масс. % БДКК.
По примеру 1, только количество БДКК составляет 0,38 г. Выход аппретированного углеволокна - 96,9%>.
Пример 3. Приготовление аппретированного УВ с 2 масс. % БДКК.
По примеру 1, только количество БДКК составляет 0,51 г. Выход аппретированного углеволокна - 97,1%.
Пример 4. Приготовление аппретированного УВ с 2,5 масс. % БДКК.
По примеру 1, только количество БДКК составляет 0,64. Выход аппретированного углеволокна - 97,5%.
Пример 5. Приготовление аппретированного УВ с 3 масс. % БДКК.
По примеру 1, только количество БДКК составляет 0,77 г. Выход аппретированного углеволокна - 97,8%>.
Пример 6. Приготовление аппретированного УВ с 3,5 масс. % БДКК.
По примеру 1, только количество БДКК составляет 0,9 г. Выход аппретированного углеволокна - 98,3%>.
Пример 7. Приготовление аппретированного УВ с 4 масс. % БДКК.
По примеру 1, только количество БДКК составляет 1 г. Выход аппретированного углеволокна - 98,5%>.
Из аппретированных УВ и ПФСд получены ПКМ, содержащие 20 масс. % обработанных БДКК углеволокон.
В таблице 1 представлены составы, физико-механические и реологические свойства композитов, содержащих различные массы аппретирующей добавки по примерам 1-7.
где ПТР - показатель текучести расплава, Ар - ударная прочность, ЕИЗГ -модуль упругости при изгибе, σизг - предел прочности при изгибе, Ераст -модуль упругости при растяжении, σразр - предел прочности при растяжении.
Как видно из приведенных данных, полимерные композиции, содержащие аппретированные углеродные волокна (№№ 1-7), по физико-механическим и реологическим характеристикам проявляют более высокие свойства по сравнению с неаппретированным образцом.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в улучшении физико-механических и реологических свойств создаваемых композиционных материалов за счет введения органического аппрета - 1,4-бензолдикарбоновой кислоты, который повышает смачиваемость наполнителя и увеличивает граничные взаимодействия между углеродным волокном и полифениленсульфидной матрицей.
Claims (4)
1. Композиционные материалы на основе полифениленсульфида, предназначенные для использования в качестве конструкционных полимерных материалов, отличающиеся тем, что в качестве наполнителя используют углеродные волокна, аппретированные органическим соединением - 1,4-бензолдикарбоновой кислотой формулы
в водном щелочном растворе аммиака (рН=7,5÷8), причем количество аппретирующего вещества к углеродному волокну составляет 1-4 масс.%, тогда как количество аппретированного углеродного волокна в композиционном материале составляет 20 масс.%.
2. Способ получения композиционных материалов на основе полифениленсульфида и углеродных волокон по п.1, включающий аппретирование углеродных волокон путем нанесения аппретирующего материала из раствора с последующей сушкой, отличающийся тем, что аппрет наносят из водного щелочного раствора аммиака (рН=7,5÷8) и проводят ступенчатый подъем температуры с одновременной отгонкой воды и аммиака по режиму: 40°С - 30 мин; 50°С - 30 мин; 70°С - 40 мин; 90°С - 30 мин; 110°С - 40 мин.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021108837A RU2767549C1 (ru) | 2021-04-01 | 2021-04-01 | Композиционные материалы на основе полифениленсульфида, углеродных волокон и способ их получения |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021108837A RU2767549C1 (ru) | 2021-04-01 | 2021-04-01 | Композиционные материалы на основе полифениленсульфида, углеродных волокон и способ их получения |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2767549C1 true RU2767549C1 (ru) | 2022-03-17 |
Family
ID=80737067
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021108837A RU2767549C1 (ru) | 2021-04-01 | 2021-04-01 | Композиционные материалы на основе полифениленсульфида, углеродных волокон и способ их получения |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2767549C1 (ru) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2057767C1 (ru) * | 1993-06-17 | 1996-04-10 | Московский авиационный технологический институт им.К.Э.Циолковского | Полимерный композиционный материал |
CN108424648A (zh) * | 2018-04-20 | 2018-08-21 | 江苏澳盛复合材料科技有限公司 | 一种注塑用碳纤维复合材料 |
RU2712612C1 (ru) * | 2019-05-16 | 2020-01-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" (КБГУ) | Способ получения аппретированных углеродных волокон и композиционные материалы на их основе |
CN107163291B (zh) * | 2017-07-11 | 2020-06-02 | 四川大学 | 一种碳纤维/聚苯硫醚复合材料及其制备方法 |
RU2744893C1 (ru) * | 2020-03-18 | 2021-03-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова» (КБГУ) | Полимерная углеволоконная композиция и способ её получения |
-
2021
- 2021-04-01 RU RU2021108837A patent/RU2767549C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2057767C1 (ru) * | 1993-06-17 | 1996-04-10 | Московский авиационный технологический институт им.К.Э.Циолковского | Полимерный композиционный материал |
CN107163291B (zh) * | 2017-07-11 | 2020-06-02 | 四川大学 | 一种碳纤维/聚苯硫醚复合材料及其制备方法 |
CN108424648A (zh) * | 2018-04-20 | 2018-08-21 | 江苏澳盛复合材料科技有限公司 | 一种注塑用碳纤维复合材料 |
RU2712612C1 (ru) * | 2019-05-16 | 2020-01-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова" (КБГУ) | Способ получения аппретированных углеродных волокон и композиционные материалы на их основе |
RU2744893C1 (ru) * | 2020-03-18 | 2021-03-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова» (КБГУ) | Полимерная углеволоконная композиция и способ её получения |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Bedriye U., JOURNAL OF COMPOSITE MATERIALS, 2020, vol.54 (1), 89-100. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2744893C1 (ru) | Полимерная углеволоконная композиция и способ её получения | |
RU2767549C1 (ru) | Композиционные материалы на основе полифениленсульфида, углеродных волокон и способ их получения | |
RU2767562C1 (ru) | Полифениленсульфидные композиционные материалы с аппретированными углеродными волокнами и способ их получения | |
RU2773524C1 (ru) | Армированные углеродными волокнами полифениленсульфидные композиционные материалы и способ их получения | |
RU2775606C1 (ru) | Полимерные композиционные материалы из полифениленсульфида с углеродными волокнами и способ их получения | |
RU2770098C1 (ru) | Полимерные композиты из полифениленсульфида, аппретированного углеволокна и способ их получения | |
RU2767564C1 (ru) | Наполненные аппретированным углеволокном полимерные композиты из полифениленсульфида и способ их получения | |
RU2770088C1 (ru) | Полифениленсульфидные композиционные материалы с углеродными волокнами и способ их получения | |
RU2811391C1 (ru) | Способ получения аппретированных углеродных волокон и полиэфирэфиркетонные композиции | |
RU2793890C1 (ru) | Способ получения аппретированного углеволокна и полиэфирэфиркетонный композит на его основе | |
RU2802624C1 (ru) | Способ получения аппретированных углеродных волокон и полиэфирэфиркетонные композиционные материалы на их основе | |
RU2757922C2 (ru) | Углеволокнистый полимерный композиционный материал на основе полиэфирэфиркетона и способ его получения | |
RU2767551C1 (ru) | Полифениленсульфидные композиционные материалы с аппретированными стекловолокнами и способ их получения | |
RU2767546C1 (ru) | Армированные стекловолокнами полифениленсульфидные композиционные материалы и способ их получения | |
RU2770092C1 (ru) | Полимерные композиции на основе полифениленсульфида, стекловолокна и способ их получения | |
RU2796835C1 (ru) | Способ получения аппретированных углеволокон и полиэфиримидные композиции | |
RU2770361C1 (ru) | Полифениленсульфидные стекловолоконные композиты и способ их получения | |
RU2802447C1 (ru) | Способ получения аппретированных углеродных волокон и композиты на их основе | |
RU2770097C1 (ru) | Полифениленсульфидные композиции с аппретированными стекловолокнами и способ их получения | |
RU2796404C1 (ru) | Способ получения аппретированных углеволокон и полимерные композиции на их основе | |
RU2769443C1 (ru) | Стекловолокнистые полимерные композиции на основе полифениленсульфида и способ их получения | |
RU2816425C1 (ru) | Способ получения аппретированного углеволокна и полимерный композиционный материал на его основе | |
RU2793760C1 (ru) | Аппретированное углеродное волокно и полиэфирэфиркетонный композиционный материал на его основе | |
RU2752627C1 (ru) | Полимерный композит на основе полиэфирэфиркетона и углеволокна и способ его получения | |
RU2770087C1 (ru) | Полифениленсульфидные стекловолокнистые композиты и способ их получения |