Полимерные композиционные материалы из полифениленсульфида с углеродными волокнами и способ их получения

Настоящее изобретение относится к полимерному композиционному материалу из полифениленсульфида с углеродными волокнами, предназначенному в качестве конструкционных полимерных материалов, и к способу его получения. Полимерный композиционный материал включает полифениленсульфид и углеродные волокна, аппретированные органическим аппретом, в качестве которого используют 3-(фенилсульфонил)бензолсульфохлорид. Количество аппретирующего вещества к углеродному волокну составляет 1-4 мас.%. Количество аппретированного углеродного волокна в композиционном материале составляет 20 мас.%. Полученные композиционные материалы обладают улучшенными физико-механическими и реологическими свойствами за счет введения аппрета, повышающего смачиваемость наполнителя и увеличивающего граничные взаимодействия между углеродным волокном и полифениленсульфидной матрицей. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 7 пр.

 

Изобретение относится к полимерным композиционным материалам из полифениленсульфида с углеродными волокнами 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, мас.%: 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 невыгодны.

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 бисметакрилоилокситриэтиленгликольфталата, 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 полимерных композиционных материалов с улучшенными физико-механическими и реологическими свойствами на основе матричного полимера полифениленсульфида (ПФС_Д), содержащим аппретированные углеродные волокна (УВ) и разработке способа их получения.

Поставленная задача достигается тем, что композиционные материалы, армированные углеродными наполнителями, получают предварительной обработкой углеродного волокна органическим аппретирующим соединением - 3-(фенилсульфонил)бензолсульфохлоридом (ФСБХ) приведенной ниже формулы:

причем количество аппретирующего вещества к углеродному волокну соответствует 1-4 мас.%, тогда как количество аппретированного углеродного волокна в композиционном материале соответствует 20 мас.%. 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 углеродного волокна 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 Изода 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 ФСБХ.

Пример 1. Приготовление аппретированного УВ с 1 мас.% ФСБХ

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 ФСБХ в 67 мл хлороформа (0,25%-й раствор). Включают мешалку и перемешивают в течение 25 мин при температуре 25°С. Далее проводят нагревание содержимого колбы и отгонку хлороформа по режиму: 35°С - 35 мин; 45°С - 35 мин; 55°С - 45 мин; 75°С - 45 мин.

Аппретированный продукт сушат в сушильном шкафу под вакуумом при 90-100°С в течении 2-х часов. Выход аппретированного углеволокна - 94,7%.

Пример 2. Приготовление аппретированного УВ с 1,5 мас.% ФСБХ

По примеру 1, только количество ФСБХ составляет 0,38 г (0,38%-й раствор). Выход аппретированного углеволокна – 95,2%.

Пример 3. Приготовление аппретированного УВ с 2 мас.% ФСБХ

По примеру 1, только количество ФСБХ составляет 0,51 г (0,51%-й раствор). Выход аппретированного углеволокна – 95,7%.

Пример 4. Приготовление аппретированного УВ с 2,5 мас.% ФСБХ

По примеру 1, только количество ФСБХ составляет 0,64 г 0,64%-й раствор). Выход аппретированного углеволокна – 96,5%.

Пример 5. Приготовление аппретированного УВ с 3 мас.% ФСБХ

По примеру 1, только количество ФСБХ составляет 0,77 г (0,76%-й раствор). Выход аппретированного углеволокна – 96,9%.

Пример 6. Приготовление аппретированного УВ с 3,5 мас.% ФСБХ

По примеру 1, только количество ФСБХ составляет 0,9 г (0,89%-й раствор). Выход аппретированного углеволокна – 97,3%.

Пример 7. Приготовление аппретированного УВ с 4 мас.% ФСБХ

По примеру 1, только количество ФСБХ составляет 1 г (0,99%-й раствор). Выход аппретированного углеволокна – 97,6%.

Из аппретированных УВ и ПФС_Д получены ПКМ, содержащие 20 мас.% обработанных ФСБХ углеволокон.

В таблице 1 представлены составы, физико-механические и реологические свойства композитов, содержащих различные массы аппретирующей добавки по примерам 1-7.

Таблица 1

Состав	ПТР, г/10 мин	Ар, кДж/м² б/н	Е изг, ГПа	σ изг, МПа	Е раст, ГПа	σ разр, МПа	ε, %
ПФСД + 20 % УВ неаппретированный	12,0	17,6	11,5	144,6	8,1	87,5	2,3
По примеру 1	14,1	18,3	11,8	148,8	8,3	91,4	2,3
По примеру 2	15,3	18,8	12,3	154,1	8,3	94,3	2,3
По примеру 3	17,5	19,2	12,7	159,7	8,5	97,8	2,4
По примеру 4	19,2	19,5	13,0	164,2	8,8	102,5	2,4
По примеру 5	20,3	20,3	13,2	166,5	8,9	105,6	2,4
По примеру 6	20,2	20,2	13,1	166,4	8,8	105,4	2,4
По примеру 7	20,1	20,2	13,0	166,3	8,8	105,2	2,3

где ПТР - показатель текучести расплава, А_р - ударная прочность, Е_изг - модуль упругости при изгибе, σ_изг - предел прочности при изгибе, Е_раст - модуль упругости при растяжении, σ_разр - предел прочности при растяжении, ε, % - относительное удлинение при разрыве.

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 полимерных композиционных материалов за счет введения органического аппрета - 3-(фенилсульфонил)бензолсульфохлорида, который повышает смачиваемость наполнителя и увеличивает граничные взаимодействия между углеродным волокном и полифениленсульфидной матрицей.

1. Полимерные композиционные материалы из полифениленсульфида с углеродными волокнами, предназначенные в качестве конструкционных полимерных материалов, отличающиеся тем, что в качестве аппрета используют органическое соединение - 3-(фенилсульфонил)бензолсульфохлорид формулы:

в легколетучем органическом растворителе хлороформе, причем количество аппретирующего вещества к углеродному волокну составляет 1-4 мас.%, тогда как количество аппретированного углеродного волокна в композиционном материале составляет 20 мас.%.

2. Способ получения полимерных композиционных материалов из полифениленсульфида с углеродными волокнами по п. 1 путем предварительного смешения полифениленсульфида с аппретированным углеродным волокном с последующей экструзией полученной полимерной смеси, включающий аппретирование углеродного волокна путем нанесения аппретирующего вещества из раствора с последующей сушкой, отличающийся тем, что аппрет - 3-(фенилсульфонил)бензолсульфохлорид наносят из растворов с массовой долей 0,25-0,99% в органическом легколетучем растворителе и проводят ступенчатый подъем температуры с одновременной отгонкой растворителя по режиму: 25°С - 25 мин; 35°С - 35 мин; 45°С - 35 мин; 55°С - 45 мин; 75°С - 45 мин.