Улучшение адгезионных свойств пан волокон для их применения в качестве армирующего компонента в композиционных материалах

Текстильная промышленность является одной из наиболее динамичных и инновационных отраслей, которая постоянно стремится к разработке новых материалов и технологий. В последние десятилетия синтетические волокна заняли важное место в этой сфере благодаря своим уникальным свойствам и широкому спектру применения. Одними из таких волокон, которые привлекают все большее внимание и находят широкое применение в текстильной промышленности, являются полиакрилонитрильные (ПАН) волокна. В современном инженерном и строительном мире постоянно возрастает потребность в инновационных материалах, способных обеспечивать высокую прочность, легкость и долговечность конструкций. Перспективным направлением в этой области является использование ПАН волокон в качестве армирующего компонента в композиционных материалах. В нашей статье мы рассмотрим способ улучшения адгезионных свойств ПАН волокон для применения их в качестве армирующего компонента композитов в различных отраслях промышленности.

Одним из основных преимуществ ПАН волокон являются их прочностные свойства, что позволяет использовать их в производстве текстильных изделий с высокими эксплуатационными характеристиками. Кроме того, ПАН волокна обладают высокой стойкостью к химическому воздействию, а также хорошей термической и коррозионной устойчивостью, что повышает привлекательность их применения в качестве армирующего компонента в композиционных материалах для создания прочных и надежных конструкций.

Обработка текстильных волокон плазмой пониженного давления представляет собой важный аспект в области усовершенствования текстильных волокон. Использование плазменных технологий в текстильной промышленности обеспечивает уникальные возможности для модификации поверхности волокон с целью улучшения их физико-химических свойств. Эта методика не только способствует улучшению адгезии с другими материалами, но также повышает влагостойкость, износостойкость и другие характеристики текстильных материалов.

В работе [1] проводится анализ влияния высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда пониженного давления на сорбцию ПАН волокна. В начале ПАН волокна подвергались ВЧЕ плазменной обработке, затем образец пропитывался раствором, содержащим от 10 до 30 % раствора фогинола и 1 % фосфорной кислоты, в течение 2 мин. Для закрепления замедлителя горения волокно погружали в 10 % раствор сшивающего агента DM 70. Результаты показали, что привес фогинола увеличивается в 2 раза при обработке 10%-ным раствором и в 3,5 раза 30%-ным раствором замедлителя горения плазмообработанных образцов. Показатель воспламеняемости огнезащитных ПАН волокон после стирки остается высоким (27,0 – 29,5 % об.).

В источнике [2] приводятся результаты влияния ВЧЕ плазмы пониженного давления на фторполимерное покрытие углеродного волок- на. В процессе обработки углеродного волокна ВЧЕ плазмой пониженного давления при мощности до 100 Вт, в плазмообразующем газе октафторциклобутане (C4F8), установлено, что чем больше по времени обрабатывается волокно в плазме пониженного давления, тем больше толщина покрытия из тетрафторэтилена и октафторциклобутана. Авторами показано, что минимальная толщина покрытия, необходимая для экранирования подложки углеродного волокна, составляет 60–70 нм, которая оценивалась с помощью атомно-силовой микроскопии. Также у углеродного волокна в результате нанесения фторполимерного покрытия наблюдается повышение прочности при растяжении на 25– 35 %, теплопроводности на 20–36 %, нагрузки при 10% деформации сжатия на 16 %, модуля упругости при сжатии на 63–76 % относительно контрольного образца.

Воздействие плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления на гидрофильные свойства арамидных волокон показано в источнике [3]. Результаты экспериментального анализа арамидного волокна «Кевлар» показали, что режим обработки плазмой ВЧЕ разряда пониженного давления: напряжение на аноде 4,5 В, сила тока на аноде 0,4 А, время обработки 2,5 мин приводит к улучшению капиллярности на 40 % относительно контрольного образца.

В источнике [4] представлены результаты влияния плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления на адгезионные и физико-механические свойства арамидных и углеродных волокон. Плазменная обработка арамидных и углеродных волокон осуществлялась на установке Nordson March AP-1500 в режиме: расход плазмообразующего газа 0,05 см3/с, мощность разряда 1000 Вт, время обработки 3 мин, давление вакуумной камеры от 5 до 35 Па. В качестве плазмообразующего газа были использованы аргон и воздух. Зависимость высоты капиллярного поднятия связующего по арамидным волокнам от давления вакуумной камеры показывают, что лучшей обработка является при давлении в вакуумной камеры 5 Па в аргоне и 35 Па в воздухе. А зависимость поднятия высоты связующего по углеродным волокнам от давления вакуумной камеры показывает, что экстремум проявляется при 25 Па для аргона и воздуха. Повышение либо понижение давления в вакуумной камере приводит к снижению показателя капиллярности.

Воздействие плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления на базальтовое волокно исследовалось в работе [5]. Установлено, что обработка базальтовых волокон ВЧЕ плазмой пониженного давления в режиме: мощность разряда 2,2 кВт, время обработки 10 мин, давление в рабочей камере 26,6 Па, вид плазмообразующего газа аргон-воздух (50/50 %) приводит к повышению высоты капиллярности на 104 % относительно контрольного образца.

В работе [6] проводятся результаты влияния плазмы тлеюшего разряда пониженного давления в газовой среде азота на ПАН волокна. Плазменная обработка проводилась в режиме: частота генератора 13,56 МГц, давление в рабочей камере 25 Па, мощность разряда 300 Вт, время обработки 1 – 7 мин. Результаты показывают, что все образцы после плазменной обработки тлеющего разряда пониженного давления продемонстрировали уменьшение краевого угла смачивания, при этом наименьшее значение составило 55 % относительно контрольного образца при обработке в течение 3 мин.

Технологический процесс производства волокна из полиакрилонитрила состоит из нескольких ключевых этапов: синтез полиакрилонитрила, получение текстильного раствора, подготовка раствора к формованию, формование волокна, ориентационное вытягивание и окончательная отделка полученного волокна [7]. Как отмечает автор [8], для получения волокна с наилучшими характеристиками оптимальная молекулярная масса полиакрилонитрила должна составлять 40000 – 60000 а. е. м. Полимер, состоящий из молекулярной массы ниже 10000 а. е. м., не позволяет формировать волокна.

ПАН волокна представляют собой одни из широко применяемых синтетических волокон в промышленности, обладающих возможностью изменения своих характеристик в значительном диапазоне путем применения различных методов модификации. Изменение функциональных свойств текстильных материалов с помощью химической или физической модификации требует значительно меньших ресурсных затрат и времени по сравнению с разработкой принци- пиально новых видов волокон [9]. В контексте решения этого вопроса, наиболее эффективным является использование ВЧЕ плазменной обработки пониженного давления, так как она обладает экологической безопасностью и не требует химического контакта в процессе обработки материала.

Целью работы является исследование влияния плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления на адгезионные свойства ПАН волокон для дальнейшего применения их в качестве армирующего компонента в композиционных материалах. В качестве объектов исследования использовались ПАН волокна производства ООО «Алабу-га-Волокно».

Научная новизна данного исследования заключается в выявлении наилучшего режима ВЧЕ плазменной обработки, позволяющего повысить адгезию ПАН волокон (армирующего компонента) к эпоксидному связующему (матрице) при получении композиционных материалов.

Для модификации ПАН волокна использовалась высокочастотная плазменная установка емкостного разряда с плоско-параллельными электродами, состоящая из вакуумной камеры, высокочастотного генератора, системы регулятора подачи плазмообразующего газа, диагностической аппаратуры [10]. Режимы плазменной обработки представлены в таблице 1.

Для оценки адгезионных свойств между ПАН волокнами и материалом матрицы, состоящим из эпоксидной смолы с отвердителем, применен метод wet-pull-out. После полного отверждения связующего вещества, образцы композитного материала были закреплены в зажимах разрывной машины Shimadzu AGS-X (Япония) и подвергались растяжению, путем вытягивания волокна из отвержденного связующего. Это позволило определить величину разрушающей нагрузки, что является мерой адгезионной прочности соединения [11]. Одним из показателей, косвенно влияющих на адгезионные свойства, является капиллярность, которую можно оценить с помощью высоты капиллярного подъема воды (h, в мм) по пучку ПАН волокон. Определение проводилось в соответствии с ГОСТ 3816-81 (ИСО 811-81) [12]. Для определения этих показателей было проведено 5 измерений, на равном расстоянии друг от друга, состоящих из 10 нитей в каждом пучке волокон.

Использование предварительной плазменной обработки ПАН волокон для улучшения смачиваемости их поверхности и улучшения гигроскопических свойств позволит улучшить пропитку модифицирующими составами, а также получать на их основе многослойные материалы с повышенными адгезионными свойствами.

Зависимость изменения капиллярности от режима высокочастотной плазменной обработки пониженного давления представлена на рисунке 1.

Из результатов, представленных на рисунке 1 видно, что происходит повышение капиллярности ПАН волокон после плазменной обработки во всех режимах. Это можно объяснить тем, что в процессе плазменной обработки пониженного давления в среде воздуха образуются реакционноспособные группы кислорода и азота, которые в свою очередь связываются на поверхности волокна, образовывая функциональные полярные группы.

Установлено, что у образца, обработанного при 1500 Вт, наблюдается наибольшее повышение капиллярности (на 52 %) по сравнению

Таблица 1 – Режимы плазменной обработки ПАН волокон

Образец	Плазмообразующий газ	Расход газа, г/с	Давление вакуумной камеры, Па	Время обработки, мин	Мощность разряда ( W ð ), Вт
1	Воздух	0,04	20	20	1000
2					1500
ч 3					2000 J

Рисунок 1 – Зависимость капиллярности ПАН волокон от мощности разряда ВЧЕ плазменной обработки пониженного давления

с контрольным образцом, не прошедший плазменную обработку.

Высокие адгезионные свойства волокон необходимы для обеспечения эффективной передачи нагрузки между волокнами и матрицей, что повышает прочность и устойчивость материала к разрушению.

Результаты определения нормированной величины разрушающей нагрузки композита на основе ПАН волокна и эпоксидного связующего методом wet-pull-out в зависимости от режима плазменной обработки представлены на рисунке 2, нагрузка в момент выдергивания ПАН волокна представлена в таблице 2.

Результаты, представленные на рисунке 2 и в таблице 2 демонстрируют, что наилучший режим плазменной обработки для достижения максимальной нагрузки (выше на 45,4 % относительно контрольного образца) и нормированная величина разрушающей нагрузки композитов на основе ПАН волокна и эпоксидного связующего (выше на 53 % относительно контрольного образца) наблюдаются у образца прошедшего плазменную обработку при мощности разряда Wð = 1500 Вт. Повышение данных показателей у модифицированных образцов свидетельствует о более интенсивном взаимодействии волокон с эпоксидным связующим.

Вывод. Таким образом, исследование показало, что модификация ПАН волокон с использованием плазмы ВЧЕ разряда пониженного давления способствует улучшению адгезионных свойств и капиллярности. Это может быть особенно полезно в промышленных процессах производства текстильных и строительных изделий, где требуется надежное соединение между компонентами. Одним из ключевых результатов исследования является выявление наилучшего режима ВЧЕ плазменной обработки ( W _ð = 1500 Вт), который приводит к повышению нормированной величины разрушающей нагрузки композитов на основе ПАН волокна и эпоксидного связующего на 53 % и капиллярности на 52 % относительно контрольного образца.

Таблица 2 – Влияние ВЧЕ плазмы пониженного давления на максимальную нагрузку в момент выдергивания ПАН волокна
Образец	Нагрузка, Н
Контрольный образец	97,1
W ð – 1000 Вт	138,2
W ð – 1500 Вт	178,1
W ð – 2000 Вт	128,9                 J

В целом, данное исследование подтверждает потенциал ВЧЕ плазменной обработки для повышения адгезионных свойств как ПАН волокон, так и других синтетических волокон и указывает на необходимость дальнейших исследований в этой области.