Способ получения композиционных материалов на полимерной основе, армированных углеродными волокнами


 


Владельцы патента RU 2500697:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (НИТУ "МИСиС") (RU)

Изобретение относится к способам получения композиционных материалов на полимерной основе, армированных волокнами, и может быть использовано для получения полимерматричных композитов с улучшенными физико-механическими и трибологическими характеристиками. Способ заключается в получении композита на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, армированного углеродными волокнами, со степенью наполнения не более 30 масс.%, посредством формования композита твердофазным деформационным методом, который заключается в совместном помоле порошка термопласта и углеродных волокон в ножевой мельнице. Получение монолитных образцов из композиционного порошка реализуют методом термопрессования при температуре 160°С и давлении 60 МПа. Результатом является получение композитов с улучшенными физико-механическими и трибологическими характеристиками. 3 пр.

 

Данное изобретение относится к способу получения композиционных материалов на основе термопластичных полимеров, а именно, к способу получения композита на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, армированного углеродными волокнами. Для большинства высокомолекулярных термопластов традиционные методы формования, такие как экструзия, литье под давлением и т.д., затруднены из за их высокой вязкости, т.к. они не переходят в вязкотекучее состояние даже при температурах, превышающих температуру плавления. Следовательно, важной проблемой, требующей решения, является невозможность использования жидкофазных методов формования при создании композитов на основе этих полимеров.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка твердофазного деформационного метода формования композиционных порошков на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, наполненного углеродными волокнами, со степенью наполнения не более 30 мас.%, обеспечивающего равномерное распределение наполнителя в объеме материала-матрицы, с последующим этапом горячего прессования для изготовления объемных образцов и готовых изделий.

Известен способ получения композиционного материала на полимерной основе, армированного углеродными волокнами (патент UA 41868 U1, 10.06.2009, Д1), а именно способ получения композитов на основе термопластичного полимера, армированного углеродными волокнами, со степенью наполнения не более 30 мас.%, включающий формование композита и получение монолитных образцов из композиционного порошка, которое реализуется методом термопрессования.

Отличием заявленного изобретения является то, что в качестве термопласта используется сверхвысокомолекулярный полиэтилен, а формование композита осуществляется твердофазным деформационным методом, позволяющим распределять наполнитель в объеме материала матрицы и добиваться определенной длины волокон, со следующим этапом термопрессования.

Наиболее широко используемым методом твердофазного формования является обработка в планетарных мельницах, который позволяет наилучшим образом распределить материал-наполнитель по объему. Главным недостатком этого метода является его применимость только к дисперсным наполнителям (порошки, гранулы). В случае использования волокнистых наполнителей, таких как углеродные волокна, которые очень нестойки под воздействием ударных нагрузок, использование высокоэнергонапряженных мельниц приведет к полному механическому разрушению волокон. Расчет для системы СВМПЭ-углеродные волокна показал, что при длине волокон менее 0,8 мм они перестают нести на себе нагрузку и происходит их вырывание из объема материала матрицы, а образовавшиеся поры могут служить концентраторами напряжений и источниками зарождения трещин. Следовательно, для достижения упрочняющего эффекта от армирования волокнами необходимо строго контролировать степень дисперсности используемых волокон, что в случае применения планетарных мельниц практически невозможно. Предложенный метод отличается тем, что для придания волокнам необходимой длины и одновременного их распределения по объему композиционного порошка используется твердофазный метод формования композиционных порошков в ножевой мельнице.

Таким образом, настоящее изобретение относится к способу получения композиционных материалов на основе термопластичных полимеров, а именно, к способу получения композита на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, армированного углеродными волокнами, со степенью наполнения не более 30 мас.%, причем формование композита осуществляется твердофазным деформационным методом, который заключается в совместном помоле порошка термопласта и углеродных волокон в ножевой мельнице, а получение монолитных образцов из композиционного порошка реализуют методом термопрессования, в частности, при температуре 160°С и давлении 60 МПа.

Так как обеспечение адгезии наполнителя к полимеру является принципиальным моментом при создании композиционных материалов, предварительно проводили модификацию поверхности углеродных волокон. Анализ поверхностей модифицированных волокон и их механических характеристик при испытаниях на растяжение выявил, что наиболее оптимальным вариантом является окисление кислородом воздуха при температуре 500°С в течение 10 минут, результатом которого является хорошо развитая поверхность углеродных волокон.

В то же время использование метода деформационного синтеза возможно и в случае использования не модифицированных или модифицированных любыми другими известными способами углеродных волокон.

Предложенный способ реализуется следующим образом: навески порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена и предварительно окисленных углеродных волокон в необходимом процентном соотношении загружают в ножевую мельницу и обрабатывают в течение определенного промежутка времени, необходимого для достижения требуемой длины углеродных волокон и их равномерного распределения по объему композиционного порошка. Длину волокон и равномерность их распределения можно контролировать, проводя отбор проб в процессе помола и исследуя их методом электронной или оптической микроскопии. Для ускорения процесса деформационной обработки, углеродные волокна могут быть нарезаны на куски длиной 5-7 см. В случае с композитами, содержащими графит, сначала смешивают порошки СВМПЭ и графита в течение 15-20 минут, затем добавляют углеродные волокна.

Ниже приведены конкретные примеры получения композиционного материала предложенным способом.

Пример 1: Порошки сверхвысокомолекулярного полиэтилена и графита берут в следующих процентных соотношениях: графит 6 мас.%, СВМПЭ - 94 мас.%, и загружают в ножевую мельницу. Общая масса порошков - не более 30 грамм. Смешение производят в течение 15 минут при водяном охлаждении барабана во избежание перегрева порошков. Электронно-микроскопические исследования показали, что этого времени достаточно для равномерного распределения графита по объему. После этого добавляют углеродные волокна после термического окисления кислородом воздуха при 500°С в течении 10 минут в количестве 4 мас.% и смешивают в течении 5 минут, в результате чего средняя длина углеродных волокон становиться равной 5 мм. Далее из полученного композиционного порошка формируют монолитные образцы методом термопрессования при 160°С и давлении 60 МПа с последующим охлаждением до комнатной температуры.

Пример 2: В порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена добавляют 4 мас.% углеродного волокна нарезанного на куски длиной примерно 5 см, обработанного аналогично примеру 1. В отличие от примера 1 в данном случае требуется меньшее время деформационной обработки, и при времени помола 3 минуты средняя длина волокон в порошковом композите составляет 1 мм. Монолитные образцы получают по режимам, указанным в примере 1.

Пример 3. Отличается от примера 2 тем, что содержание волокна увеличивают вдвое, т.е. до 8 мас.%, в данном случае, для достижения длины волокон 1 мм требуется более длительное деформационное воздействие, поэтому смешение проводят в течение 6 минут. Полученный композиционный порошок компактируют методом термопрессования аналогично примеру 1.

Способ получения композиционного материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, армированного углеродными волокнами, со степенью наполнения не более 30 мас.%, отличающийся тем, что формование композита осуществляется твердофазным деформационным методом, который заключается в совместном помоле порошка термопласта и углеродных волокон в ножевой мельнице, а получение монолитных образцов из композиционного порошка реализуют методом термопрессования при температуре 160°С и давлении 60 МПа.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к гетерофазной пропиленовой композиции для изготовления изделий, полученных способом литьевого формования, а также к композиции для улучшения прочности полипропилена при низких температурах.
Изобретение относится к способу получения термопластичной эластомерной композиции на основе полиэтилена и хлорсульфированного полиэтилена, применяемой при изготовлении различных эластичных резинотехнических изделий методами экструзии, литья под давлением и выдувного формования.

Изобретение относится к композиции полиолефинов, не пропускающей кислород, предназначенной для применения при изготовлении упаковок для пищи. Композиции содержит полиолефин, в состав которого входит сополимер этилена с виниловым спиртом, содержащий от 27 до 44% мол.

Изобретение относится к композиционным материалам на основе полимеров, в частности, в качестве конструкционных материалов для создания узлов трения, где применение смазок и воды ограничено или недопустимо.

Изобретение относится к способу получения устойчивого к окислению материала СВМПЭ. Способ включает формование СВМПЭ с добавкой и обработку гамма-лучами или электронным пучком.

Изобретение относится к технологии получения древесно-полимерных композиций и может быть использовано в промышленности строительных материалов, мебельной промышленности, машиностроении и других отраслях промышленности.
Изобретение относится к области химии сероорганических соединений и касается методов получения органических соединений ароматического ряда, содержащих дисульфидные группы, и их применения в качестве стабилизаторов окислительных процессов в термопластичных полимерах.
Изобретение относится к полимерным композиционным материалам с особыми свойствами, используемым в качестве медицинских имплантатов, трансформирующихся конструкций, термоактиваторов и других конструкций народно-хозяйственного назначения.

Изобретение относится к материалу-заменителю древесины для карандашей в деревянном корпусе. .

Изобретение относится к производству термореактивных композиционных материалов, в частности к материалу из эпоксидного полимера, содержащего частицы магнетита и частицы материала, проводящего углерод, действующие как приемники микроволн.
Изобретение относится к способам получения композиций поливинилового спирта для изготовления пленочных материалов медицинского назначения. Предлагаемый способ включает смешение эквиконцентрированных водных растворов поливинилового спирта глубокой степени омыления и поливинилового спирта неполной степени омыления и наполнителя, где в качестве наполнителя используют нанотела, выбранные из фуллеренов и нанотрубок, в количестве 0,02-1,0 мас.% в расчете на полимер.

Изобретение относится к получению резиновых смесей и может быть использовано для получения уплотнительных материалов, работоспособных в условиях агрессивных сред при высоких температурах.
Изобретение относится к композиционным фрикционным неметаллическим материалам на основе полимеров, а именно к материалам на основе фенолформальдегидной смолы, и может быть использовано при изготовлении амортизаторов, муфт сцепления, тормозных узлов и т.п.

Изобретение относится к материалам, используемым в дорожном, аэродромном и гражданском строительстве, а именно к полимерно-битумным вяжущим для строительной отрасли, и способам их получения.
Изобретение относится к области электротехники, а именно к кабельной технике и, в частности, к полимерным композициям на основе пластифицированного поливинилхлорида (ПВХ) с пониженными горючестью, выделением дыма и хлористого водорода при горении, предназначенным для изоляции внутренних и наружных оболочек проводов.
Изобретение относится к термостойким резиновым смесям и может быть использовано в автомобильной, нефтяной и резинотехнической промышленности. Термостойкая резиновая смесь содержит бутадиен-нитрильный каучук, серу, тиазол 2 МБС, дифенилгуанидин, N-нитрозодифениламин, оксид цинка, стеарин, дибутилсебацинат, технический углерод и диафен ФП.

Изобретение относится к резиновой смеси на основе комбинации натурального и синтетического цис-бутадиенового каучуков, содержащей кремнекислотный наполнитель, и может быть использовано в шинной промышленности для протектора с зимним рисунком нешипуемых шин.
Изобретение может быть использовано для производства защитных покрытий трубопроводов в нефтяной, газовой, нефтегазоперерабатывающей, горнодобывающей и химической промышленности.
Изобретение относится к области материаловедения. Способ получения полимерного композита антифрикционного назначения на основе политетрафторэтилена включает предварительную физико-химическую обработку порошка ультрадисперсного детонационного алмаза, механическое диспергирование смеси порошков политетрафторэтилена и ультрадисперсного детонационного алмаза, прессование и термическое спекание композита в инертной среде.

Изобретение относится к технологии производства композитов, в частности багассового композита, имеющего натуральную структуру и рисунок, аналогичные натуральной древесине, который может быть использован для внутреннего применения вместо других различных материалов и обработанной древесины.
Наверх