[go: up one dir, main page]

RU2660865C1 - Method for obtaining surface-activated fibrous carbon material - Google Patents

Method for obtaining surface-activated fibrous carbon material Download PDF

Info

Publication number
RU2660865C1
RU2660865C1 RU2017117545A RU2017117545A RU2660865C1 RU 2660865 C1 RU2660865 C1 RU 2660865C1 RU 2017117545 A RU2017117545 A RU 2017117545A RU 2017117545 A RU2017117545 A RU 2017117545A RU 2660865 C1 RU2660865 C1 RU 2660865C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
carbon material
fibrous carbon
activated
pva
concentration
Prior art date
Application number
RU2017117545A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Борисович Шатров
Галина Ивановна Шайдурова
Анастасия Владимировна Малышева
Александр Григорьевич Мелехин
Марина Юрьевна Ощепкова
Original Assignee
Публичное акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Публичное акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра" filed Critical Публичное акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра"
Priority to RU2017117545A priority Critical patent/RU2660865C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2660865C1 publication Critical patent/RU2660865C1/en

Links

Images

Classifications

    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F11/00Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture
    • D01F11/10Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture of carbon
    • D01F11/16Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture of carbon by physicochemical methods

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Treatments For Attaching Organic Compounds To Fibrous Goods (AREA)

Abstract

FIELD: technological processes.
SUBSTANCE: invention relates to the technology of producing surface-activated fibrous and non-fibrous materials and can be used in the manufacture of erosion-resistant parts and structural elements in the aircraft, missile and other engineering industries. This method for producing a surface-activated fibrous carbon material consists in treating the material with a surfactant, thermostatting the material, impregnating it with a binder such as phenol-formaldehyde resin and polymerization, wherein an aqueous solution of polyvinyl alcohol of 8–20 % concentration is used as the surfactant for the treatment of the material, while the thermostatting process is carried out in the temperature range from 200 to 380 °C for 2–4 hours.
EFFECT: surface-activated fibrous carbon material with increased physicomechanical characteristics is obtained.
1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к технологии получения поверхностно-активированных тканых и нетканых материалов и может быть использовано при изготовлении эрозионно-стойких деталей и элементов конструкций в авиационном, ракетном и других отраслях машиностроения.The invention relates to a technology for the production of surface-activated woven and non-woven materials and can be used in the manufacture of erosion-resistant parts and structural elements in the aviation, rocket and other engineering industries.

Разработка конкурентоспособной продукции на современном этапе требует новых подходов в развитии материаловедения композитов, широко применяемых во многих отраслях промышленности.The development of competitive products at the present stage requires new approaches in the development of materials science of composites, which are widely used in many industries.

В качестве наполнителя выбран углеродный волокнистый материал, как наиболее перспективный армирующий наполнитель композитов, формируемых по технологии «материал-деталь».Carbon fiber material was chosen as a filler, as the most promising reinforcing filler of composites formed by the material-part technology.

Изменение поверхностной энергии наполнителя вызвано необходимостью усиления межфазного взаимодействия на границе контакта разнородных материалов, которое достигается в настоящее время различными способами (прокаливанием, обработкой поверхностно-активными веществами, электро- и диффузионным осаждением металлов переменной валентности), однако, они являются недостаточными для существенного увеличения сдвиговой прочности углепластиковых деталей.The change in the surface energy of the filler is caused by the need to enhance interfacial interaction at the contact boundary of dissimilar materials, which is currently achieved by various methods (calcination, surface-active treatment, electro-and diffusion deposition of metals of variable valency), however, they are insufficient for a significant increase in shear durability of carbon fiber parts.

Рассмотренные выше методы, применяемые в России и зарубежных технологиях, хотя и являются эффективными, но не позволяют повысить физико-механические характеристики (ФМХ) углепластика более чем на 40-50%.The above methods used in Russia and foreign technologies, although effective, do not allow increasing the physicomechanical characteristics (FMX) of carbon fiber reinforced plastic by more than 40-50%.

Известен способ (прототип) получения тканого активированного углеродного волокнистого материала (патент РФ №2000360), включающий обработку материала поверхностно-активным веществом, термостатирование, пропитку связующим, полимеризацию, где в качестве поверхностно-активного вещества используют водный раствор хлористого цинка 10-40%-ной концентрации.A known method (prototype) of obtaining a woven activated carbon fiber material (RF patent No. 2000360), including processing the material with a surfactant, thermostating, impregnating with a binder, polymerization, where an aqueous solution of zinc chloride of 10-40% is used as a surfactant - concentration.

Недостатками данного способа являются низкая технологичность (требуется проведение дополнительных операций карбонизации и до активирования) и невысокие показатели ФМХ волокнистого углеродного материала.The disadvantages of this method are the low processability (additional carbonization operations are required before activation) and the low FMX values of the fibrous carbon material.

Известен способ получения углеродных металлсодержащих наноструктур (патент РФ №2393110), включающий механохимическую обработку реакционной смеси из металлургической пыли, содержащую оксиды железа или никеля, ступенчатый нагрев в интервале температур 100-400°C, где в качестве органического вещества используют отходы промышленного производства - вторичные полимеры, такие как поливинилхлорид (ПВХ) или поливинилацетат (ПВА).A known method of producing carbon metal-containing nanostructures (RF patent No. 2393110), including mechanochemical processing of the reaction mixture from metallurgical dust containing iron or nickel oxides, step heating in the temperature range 100-400 ° C, where industrial waste is used as organic matter - secondary polymers such as polyvinyl chloride (PVC) or polyvinyl acetate (PVA).

Недостатком данного способа является использование токсичных исходных материалов ПВХ и ПВА в высоких концентрациях, что ограничивает его применение по экологическим составляющим.The disadvantage of this method is the use of toxic starting materials PVC and PVA in high concentrations, which limits its use in environmental components.

Задачей изобретения является повышение физико-механических характеристик поверхностно-активированного волокнистого углеродного материала.The objective of the invention is to increase the physico-mechanical characteristics of the surface-activated fibrous carbon material.

Технический результат заключается в повышении физико-механических характеристик поверхностно-активированного волокнистого углеродного материала на 50-100% за счет изменения энергии Гиббса и увеличении гидрофильности в результате формирования наноструктур на поверхности волокнистого углеродного материала.The technical result consists in increasing the physicomechanical characteristics of the surface-activated fibrous carbon material by 50-100% due to a change in Gibbs energy and an increase in hydrophilicity as a result of the formation of nanostructures on the surface of the fibrous carbon material.

Технический результат достигается тем, что в способе получения поверхностно-активированного волокнистого углеродного материала, включающем обработку материала поверхностно-активным веществом, термостатирование, пропитку связующим - фенолформальдегидной смолой, полимеризацию, в качестве поверхностно-активного вещества для обработки материала используют водный раствор поливинилового спирта (ПВС) 8-20%-ной концентрации с последующим термостатированием от 200 до 380°C в течение 2-4 часов.The technical result is achieved by the fact that in the method for producing a surface-activated fibrous carbon material, including treating the material with a surfactant, temperature control, impregnation with a binder — phenol-formaldehyde resin, polymerization, an aqueous solution of polyvinyl alcohol (PVA) is used as a surface-active substance for processing the material ) 8-20% concentration with subsequent temperature control from 200 to 380 ° C for 2-4 hours.

Применение в качестве поверхностно-активного вещества водного раствора ПВС 8-20%-ной концентрации обусловлено тем, что при обработке им волокнистого углеродного материала поливиниловый спирт в виде водного раствора взаимодействует с атомами углерода с мицеллообразованием, гидрофильные концы при этом направлены наружу, а гидрофобные - внутрь, что и есть наноструктурирование поверхности волокнистого углеродного материала, и вследствие чего увеличивается ее гидрофильность.The use of an aqueous solution of PVA of 8-20% concentration as a surfactant is due to the fact that when it is treated with a fibrous carbon material, polyvinyl alcohol in the form of an aqueous solution interacts with carbon atoms with micelle formation, while the hydrophilic ends are directed outward and the hydrophobic ends inside, which is the nanostructuring of the surface of the fibrous carbon material, and as a result of which its hydrophilicity increases.

В процессе термостатирования завершается процесс наноструктурирования поверхности волокнистого углеродного материала и образуется скрепленный с субстратом наноструктурированный слой (фиг. 1) с измененной относительно волокнистого углеродного материала энергией Гиббса, вследствие чего обеспечивается равномерность распределения связующего при межфазном взаимодействии с наноструктурированным слоем и после полимеризации повышаются ФМХ поверхностно-активированного волокнистого углеродного материала на 50-100%.In the process of temperature control, the process of nanostructuring the surface of the fibrous carbon material is completed and a nanostructured layer bonded to the substrate is formed (Fig. 1) with Gibbs energy changed relative to the fibrous carbon material, which ensures uniform distribution of the binder during interfacial interaction with the nanostructured layer and, after polymerization, the PMF of the surface 50-100% activated fibrous carbon material.

Большую роль играет критическая концентрация поливинилового спирта, при которой после наноструктурирования проявляются лиофильные свойства полимерных матриц.A critical role is played by the critical concentration of polyvinyl alcohol, at which lyophilic properties of polymer matrices appear after nanostructuring.

Для определения критической концентрации были проведены исследования влияния концентраций ПВС на изменение физико-механических свойств наполнителя, а также влияние на ФМХ волокнистого углеродного материала на основе углеродной ткани Урал Т-22Р ЭХО-«А» со связующим марки СФ-010 (фенолформальдегидная смола), были проведены исследования трех диапазонов концентраций ПВС:To determine the critical concentration, we studied the effect of PVA concentrations on the change in the physicomechanical properties of the filler, as well as the effect on the FMC of a fibrous carbon material based on carbon fabric Ural T-22R ECHO-“A” with a binder grade SF-010 (phenol-formaldehyde resin), studies have been conducted of three ranges of concentrations of PVA:

- первый диапазон - до 8%;- the first range is up to 8%;

- второй диапазон - от 8 до 20%;- the second range is from 8 to 20%;

- третий диапазон - от 20 до 25%.- the third range is from 20 to 25%.

Результаты исследований с учетом влияния критических концентраций ПВС, используемых для наноструктурирования, приведены в таблице 1.The research results, taking into account the influence of critical concentrations of PVA used for nanostructuring, are shown in table 1.

Figure 00000001
Figure 00000001

Из анализа характеристик, приведенных в таблице 1, следует:From the analysis of the characteristics shown in table 1, it follows:

1. ФМХ образцов с 10%-ной концентрацией ПВС (второй диапазон) превышают ФМХ образцов волокнистого углеродного материала, изготовленных по штатной технологии, в 2 раза.1. The FMH of samples with a 10% concentration of PVA (second range) is 2 times higher than the FMH of samples of fibrous carbon material made by standard technology.

2. ФМХ образцов с 5 и 25%-ной концентрацией ПВС (первый и третий диапазоны) сопоставимы с ФМХ образцов волокнистого углеродного материала, изготовленных по штатной технологии.2. The FMH of samples with a 5 and 25% concentration of PVA (first and third ranges) are comparable with the FMH of samples of fibrous carbon material made using standard technology.

В результате исследования доказано то, что максимально высокие ФМХ волокнистого углеродного материала во втором диапазоне от 8-20%-ной концентрации ПВС в водном растворе, а при снижении или повышении концентрации ПВС относительно второго диапазона, ФМХ волокнистого углеродного материала ухудшаются.As a result of the study, it was proved that the highest FMC of the fibrous carbon material in the second range from 8-20% PVA concentration in aqueous solution, and with a decrease or increase in the PVA concentration relative to the second range, the FMC of the fibrous carbon material deteriorates.

Режимы термостатирования подобраны опытно-экспериментальным путем с целью наиболее эффективного наноструктурирования поверхности волокнистого углеродного материала.Thermostatting modes are selected experimentally with the goal of the most efficient nanostructuring of the surface of the fibrous carbon material.

Температура t=200-380°C и время 2-4 часа термостатирования обусловлены физико-химическим превращением ПВС при разложении с остаточным содержанием влаги.The temperature t = 200-380 ° C and the time 2-4 hours of temperature control are due to the physicochemical conversion of PVA during decomposition with a residual moisture content.

Структурный анализ волокнистого углеродного материала проводился методом оптической микроскопии на приборе МЕТАМ ЛВ -31 (фиг. 2).Structural analysis of the fibrous carbon material was carried out by optical microscopy on a METAM LV-31 instrument (Fig. 2).

Исследования структурного состояния поверхности показали, что наилучшие результаты достигаются путем наноструктурирования волокнистого гидрофобного наполнителя, достигаемого за счет терморазложения поливинилового спирта, адсорбционно и химически связанного с субстратом.Studies of the structural state of the surface showed that the best results are achieved by nanostructuring a fibrous hydrophobic filler, achieved by thermal decomposition of polyvinyl alcohol adsorbed and chemically bonded to the substrate.

Анализ структуры наглядно демонстрирует влияние концентрации ПВС на качество заполнения углеродного наполнителя полимерной матрицей.An analysis of the structure clearly demonstrates the effect of PVA concentration on the filling quality of a carbon filler with a polymer matrix.

Фиг 1. Внешний вид углеродной ткани после наноструктурирования. Размерность полученных наноструктур от 5 до 10 нм.Fig 1. The appearance of carbon fabric after nanostructuring. The dimension of the obtained nanostructures is from 5 to 10 nm.

При этом выявлены отличия в нитях по утку и основе.At the same time, differences in the weft and warp yarns were revealed.

Фиг. 2 - таблица. Структура углепластиков образцов в разрезе.FIG. 2 - table. The structure of carbon fiber samples in the context.

Фиг 3. Внешиний вид ткани Урал Т-22Р ЭХО-А + ПВС 10%-ной концентрации + СФ-010 после стадии термостатирования.Fig 3. The external appearance of the tissue Ural T-22R ECHO-A + PVA 10% concentration + SF-010 after the stage of temperature control.

Фиг 4. Схема прямого прессования для изготовления плит.Fig 4. Scheme of direct pressing for the manufacture of plates.

На фиг. показаны:In FIG. are shown:

1 - углеродный материал с ПВС;1 - carbon material with PVA;

2 - жесткая формующая рамка;2 - rigid forming frame;

3 – пуансон.3 - punch.

Фиг 5. Визуализация нанообразований из ПВС на стекле.Fig 5. Visualization of nano-formations of PVA on glass.

Пример получения поверхностно-активированного волокнистого углеродного материала осуществляется при помощи следующей технологии:An example of obtaining a surface-activated fibrous carbon material is carried out using the following technology:

1. Раскрой ткани из углеродного материала Урал Т-22Р ЭХО-А.1. Cutting fabric from carbon material Ural T-22R ECHO-A.

2. Приготовление ПВС концентрации 8-20%.2. Preparation of PVA concentration of 8-20%.

3. Пропитка ткани раствором ПВС.3. Impregnation of tissue with a solution of PVA.

4. Термостатирование ткани в диапазоне: t=200-380°C в течение 2-4 ч.4. Thermostating of tissue in the range: t = 200-380 ° C for 2-4 hours

5. Пропитка активированной ткани связующим СФ-010.5. Impregnation of activated tissue with a binder SF-010.

6. Разместить пропитанную ткань в пакеты по 6 шт. в каждый, проложить между ними фторопластовую пленку. Установить пакеты в пресс-форму. Дать максимальное давление - 1,2 МПа и установить пресс-форму в термостат нет менее 12 атм.6. Place the impregnated fabric in bags of 6 pcs. in each, lay a fluoroplastic film between them. Install the packages in the mold. Give a maximum pressure of 1.2 MPa and install a mold in a thermostat no less than 12 atm.

Режим полимеризации связующего СФ-010.The mode of polymerization of the binder SF-010.

7. Вырезать образцы из плит размером 235×25×(1÷2).7. Cut the samples from slabs measuring 235 × 25 × (1 ÷ 2).

Способом изготовления образцов является прямое прессование (давление - 1 МПа) (Фиг. 4).A method of manufacturing samples is direct pressing (pressure - 1 MPa) (Fig. 4).

8. Испытания.8. Tests.

Провести испытания образцов на определение ФМХ. Таким образом, описанный в изобретении способ получения поверхностно-активированного волокнистого углеродного материала позволяет повысить физико-механические характеристики поверхностно-активированного волокнистого углеродного материала на 50-100%.Test samples for determination of FMX. Thus, the method described in the invention for producing a surface-activated fibrous carbon material can increase the physicomechanical characteristics of a surface-activated fibrous carbon material by 50-100%.

Claims (1)

Способ получения поверхностно-активированного волокнистого углеродного материала, включающий обработку материала поверхностно-активным веществом, термостатирование, пропитку связующим - фенолформальдегидной смолой, полимеризацию, отличающийся тем, что в качестве поверхностно-активного вещества для обработки материала используют водный раствор поливинилового спирта 8-20%-ной концентрации, при этом термостатирование проводят в диапазоне температур от 200 до 380°C в течение 2-4 часов.A method of obtaining a surface-activated fibrous carbon material, including processing the material with a surfactant, temperature control, impregnation with a binder - phenol-formaldehyde resin, polymerization, characterized in that an aqueous solution of polyvinyl alcohol of 8-20% is used as a surface-active substance for processing the material - concentration, while thermostating is carried out in the temperature range from 200 to 380 ° C for 2-4 hours.
RU2017117545A 2017-05-19 2017-05-19 Method for obtaining surface-activated fibrous carbon material RU2660865C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017117545A RU2660865C1 (en) 2017-05-19 2017-05-19 Method for obtaining surface-activated fibrous carbon material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017117545A RU2660865C1 (en) 2017-05-19 2017-05-19 Method for obtaining surface-activated fibrous carbon material

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2660865C1 true RU2660865C1 (en) 2018-07-10

Family

ID=62815697

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017117545A RU2660865C1 (en) 2017-05-19 2017-05-19 Method for obtaining surface-activated fibrous carbon material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2660865C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2697324C1 (en) * 2018-03-27 2019-08-13 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (Институт катализа СО РАН, ИК СО РАН) Method of producing carbon product

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5679149A (en) * 1993-10-13 1997-10-21 Mitsubishi Chemical Corporation Short carbon fiber chopped strands and short carbon fiber reinforced hydraulic composite materials
RU2350580C1 (en) * 2008-04-03 2009-03-27 Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) Protection method of carbon-bearing materials by silicon carbide
RU2537290C2 (en) * 2009-10-16 2014-12-27 Дюнеа Кемикалз Ой Method of obtaining binding agent for fibres and hardening binder for fibres

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5679149A (en) * 1993-10-13 1997-10-21 Mitsubishi Chemical Corporation Short carbon fiber chopped strands and short carbon fiber reinforced hydraulic composite materials
RU2350580C1 (en) * 2008-04-03 2009-03-27 Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) Protection method of carbon-bearing materials by silicon carbide
RU2537290C2 (en) * 2009-10-16 2014-12-27 Дюнеа Кемикалз Ой Method of obtaining binding agent for fibres and hardening binder for fibres

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2697324C1 (en) * 2018-03-27 2019-08-13 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (Институт катализа СО РАН, ИК СО РАН) Method of producing carbon product

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sarker et al. High-performance graphene-based natural fiber composites
Sarker et al. Ultrahigh performance of nanoengineered graphene-based natural jute fiber composites
Enciso et al. Influence of plasma treatment on the adhesion between a polymeric matrix and natural fibres
Sair et al. Effect of surface modification on morphological, mechanical and thermal conductivity of hemp fiber: Characterization of the interface of hemp–Polyurethane composite
Ramzy et al. Developing a new generation of sisal composite fibres for use in industrial applications
Das Mechanical properties of waste paper/jute fabric reinforced polyester resin matrix hybrid composites
Rodríguez et al. Characterization of composites based on natural and glass fibers obtained by vacuum infusion
Hestiawan The water absorption, mechanical and thermal properties of chemically treated woven fan palm reinforced polyester composites
Sun et al. Enhanced interfacial properties of carbon fiber/polyamide composites by in-situ synthesis of polyamide 6 on carbon fiber surface
Bayart et al. Mechanical and moisture absorption characterization of PLA composites reinforced with nano-coated flax fibers
Raghavendra Rao et al. Flexural and compressive properties of bamboo and glass fiber-reinforced epoxy hybrid composites
Hossen et al. Effect of clay content on the morphological, thermo-mechanical and chemical resistance properties of propionic anhydride treated jute fiber/polyethylene/nanoclay nanocomposites
Mohanty et al. Effect of chemically modified date palm leaf fiber on mechanical, thermal and rheological properties of polyvinylpyrrolidone
Liu et al. Effects of argon plasma treatment on the interfacial adhesion of PBO fiber/bismaleimide composite and aging behaviors
Seghini et al. Effects of oxygen and tetravinylsilane plasma treatments on mechanical and interfacial properties of flax yarns in thermoset matrix composites
Sever The improvement of mechanical properties of jute fiber/LDPE composites by fiber surface treatment
Widodo et al. Effect of alkalization treatment on the tensile strength and interface character matrix-fibber of bamboo Petung (Dendrocalamus Asper) reinforced polyester resin composite
RU2660865C1 (en) Method for obtaining surface-activated fibrous carbon material
Reddy et al. Chemical resistance and tensile properties of glass and bamboo fibers reinforced polyester hybrid composites
Devapiriam et al. Evaluation of mechanical and thermal properties of fabricated Sansevieria and Kaans fiber/Egg shell powder reinforced with polyester matrices
Motaleb Improvement of mechanical properties by alkali treatment on pineapple and jute fabric reinforced polyester resin composites
Maleque et al. Flexural and impact properties of kenaf-glass hybrid composite
Bogdan-Wlodek et al. Influence of surface treatment on the wetting process of jute fibres with thermosetting polyester resin
Owolabi et al. Characterization and analysis of extraction process-parameter of Pandanus tectorius (screw-pine) natural fiber for polymer composites
Kadykova A structural polymeric composite material reinforced with basalt fiber

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200520