Формирование структуры и свойств композиционных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, армированных углеродными волокнами

• Автор: Чуков, Дилюс Ирекович
• Шифр специальности: 05.16.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 148 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен

1.2. Углеродные волокна и их строение

1.3. Основные способы модификации поверхности углеродных волокон

1.3.1 Физические методы модификации поверхности УВ

1.3.2 Химические методы модификации поверхности УВ

1.3.3 Другие методы модификации поверхности УВ

1.4. Полимерматричные композиционные материалы, армированные

волокнистыми наполнителями

1.4.1 Волокнистые композиционные материалы на основе СВМПЭ
1.4.2. Гибридные структуры в полимерматричных композитах
1.4.3. Способы получения волокнистых композиционных материалов
1.5. Постановка задач исследований
Глава 2. Материалы и методы исследований
2.1. Исходные материалы
2.2. Модификация поверхности углеродных волокон
2.3. Получение образцов композиционных материалов
2.4. Структурные и термические исследования исходных компонентов и полученных композиционных материалов 5
2.5. Методика проведения исследований физико-механических и
трибологических характеристик
Глава 3. Результаты и обсуждение
3.1. Теоретическая оценка критических параметров композиционных материалов на основе СВМПЭ, армированных углеродными волокнами
3.2. Экспериментальные исследования исходных компонентов и полученных
композиционных материалов
3.2.1. Получение композиционных материалов СВМПЭ/УВ
3.2.2. Исследование процесса окислительной модификации поверхности УВ
3.2.3. Исследования микроструктуры композиционных материалов СВМПЭ/УВ
3.2.4. Результаты теплофизических исследований композиционных материалов
3.2.5. Исследования механических и трибологических характеристик
композиционных материалов, армированных поверхностно
модифицированными углеродными волокнами
3.3. Возможность коммерциализации разработанных композиционных материалов
3.4. Обобщение результатов диссертационной работы
Выводы
Список литературы
Приложение А. Акт внедрения и защита интеллектуальной собственности

ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день полимерматричные композиционные материалы являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов, перспективных для применения в различных областях науки и техники, где предъявляются высокие требования к физико-механическим и трибологическим характеристикам. Широкое использование композиционных материалов обусловлено присущим им рядом преимуществ над традиционными видами материалов, такими как возможность уникального сочетания свойств, нехарактерного для других материалов (прочностных, деформационных, трибологических, теплофизических и других) и возможность управления свойствами композитов в широких пределах путем подбора армирующих элементов и изменяя степень наполнения.
Наиболее широко изученными и часто используемыми являются композиционные материалы на основе термореактивных полимеров, армированные различного рода волокнами. В последние годы наметилась тенденция использования термопластичных полимеров в качестве матричного материала для создания волокнистых композитов. К числу перспективных матричных материалов относится сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), обладающий высокой износостойкостью, низким коэффициентом трения, высокой химической и морозостойкостью, биоинертностью. В то же время, существующие недостатки, такие как низкая твердость и низкий модуль Юнга, высокий коэффициент ползучести под нагрузкой, существенно ограничивают области его применения. Одним из путей повышения механических характеристик данного полимера является его дисперсное упрочнение, однако, использование дисперсных наполнителей не всегда позволяет добиваться необходимого уровня физико-механических свойств получаемых композитов. Альтернативным подходом в этом отношении может явиться использование в качестве армирующих элементов волокнистых наполнителей, таких как углеродные волокна (УВ), обладающих высокими

значениями предела прочности (2-5 ГПа) и модуля упругости (150 - 500 ГПа). К тому же, армирование углеродными волокнами в ряде случаев позволяет существенно улучшать трибологические и теплофизические характеристики получаемых композитов. Однако реализация данного подхода при использовании некоторых полимерных систем в качестве матричного материала осложняется рядом технологических аспектов. Серьезной проблемой при разработке композиционных материалов на основе СВМПЭ является то, что из-за очень высокой молекулярной массы СВМПЭ (до 107 г/моль), традиционные методы переработки полимеров, такие как экструзия или литьё под давлением, не представляются возможными. Этот полимер даже при температурах, намного превышающих температуру его плавления, не переходит в жидкотекучее состояние, поэтому невозможно провести смешение полимера с наполнителями в расплавленном состоянии. В связи с чем, существует необходимость поиска способов ведения в СВМПЭ армирующих наполнителей. Одним из возможных путей решения поставленной проблемы является получение растворов СВМПЭ и дальнейшее смешение раствора с дисперсным наполнителем, с последующим удалением растворителя. Но использование данного метода для введения в полимер макромасштабных наполнителей, такие как волокна, осложнено достаточно большими линейными размерами последних. К тому же, данная технология является достаточно трудоёмкой, и подразумевает использование едких нефтяных растворителей (декалина, ксилола и парафинового масла).
Еще одной серьезной проблемой при создании композитов системы СВМПЭ - углеродное волокно, является химическая инертность исходных компонентов, и как следствие, отсутствие достаточно прочной межфазной границы волокно-полимер, что, естественно, негативно сказывается на физикомеханических свойствах получаемых материалов. Необходимость решения этих проблем определило цели и задачи настоящего исследования.
Целью диссертационной работы явилось разработка метода получения композиционных материалов, армированных дискретными углеродными

Рисунок 10 - Структура композита СВМПЭ-УВ, плохая адгезия [94]
Кроме того, возникали дополнительные технологические трудности при изготовлении композиционных материалов, связанные с недостаточно равномерным распределением углеродных волокон по объему материала матрицы [95] и неконтролируемым повреждением углеродных волокон при компактировании образцов [82].
Несмотря на не совсем удачные попытки создания волокнистых композитов на основе СВМПЭ, работы в этом направлении ведутся и по сей день. Наиболее интересным представляется вторичное использование углеродных волокон, восстановленных из отработавших композиционных материалов на основе термореактивных полимеров. Одним из эффективных методов восстановления является термохимическое восстановление, при котором происходит стравливание полимерной матрицы под воздействием кислот при повышенных температурах. Данный метод позволяет восстанавливать до 95% углеродных волокон, присутствующих в исходном композите и сохранять их начальную длину [96]. Другой способ заключается в перемалывании отработавшей детали и дальнейшем просеивании, однако, в