Новости компании Вопросы и ответы
Галерея Статьи и публикации
Главная страница / Статьи и публикации / Влияние сорбционных характеристик неорганических волокон на свойства полимерных композиционных материалов

 Влияние сорбционных характеристик неорганических волокон на свойства полимерных композиционных материалов 

Ю.А. КАДЫКОВА, И.С. РОДЗИВИЛОВА, С.Е. АРТЕМЕНКО,

А.В. ЛЕОНТЬЕВ (Саратовский государственный технический университет. Технологический институт);

О.Г. ВАСИЛЬЕВА (Московский институт экономики и предпринимательства)

 

В настоящее время получает развитие технология поликонденсационного способа наполнения [1], которая базируется на пропитке армирующих волокон смесью мономеров с катализатором (фенол, формальдегид, NаОН).
Молекулы мономеров интеркалируют в поры, трещины и др. дефекты внутри волокна и на его поверхности с последующей сорбцией и превращением в полимер.
Особенности структурообразования полимерной матрицы при интеркаляции зависят от величины адсорбции мономеров, общей поверхности волокон различной химической природы, которая определяет комплекс свойств полимерных композиционных материалов (ПКМ).
Наличие макро- и микродефектов в структуре волокон связано с особенностями их технологии. Чем больше пор, трещин и других дефектов в волокне в процессе получения и обработки, тем более низкая их прочность.
Интеркаляция мономеров в такие дефекты с последующим образованием полимера приводит к залечиванию дефектов, а рельеф поверхности самого волокна и различных дефектов способствует образованию ориентированных микро - и макропленок полимера. Сформировавшиеся полиструктуры обеспечивают более высокие характеристики ПКМ.
Целью описанных ниже исследований было изучение адсорбции фенола из разбавленных ацетоновых растворов на базальтовых, углеродных и стеклянных волокнах при различных температурах.
Базальтовые волокна (табл.1) становятся весьма перспективным армирующим материалом, учитывая большие запасы базальтовых пород в нашей стране и относительно простую технологию их получения.
Исследование процесса адсорбции фенола из разбавленных растворов на волокнистых сорбентах проводили по методике, принятой в лаборатории адсорбции МГУ [2]. При изучении адсорбции из растворов в статических условиях определяли изменение концентрации компонентов в объемном растворе. Изменение концентрации относили ко всему объему раствора, взятого для эксперимента, и вычисляли величины адсорбции по Гиббсу.
Расчет избыточной величины адсорбции в данной работе проводился по уравнению, полученному при допущении, что объем раствора V при адсорбции не изменяется:

где С° - исходная концентрация раствора, ммоль/л: С - равновесная концентрация раствора после адсорбции, ммоль/л; т - масса сорбента, г.
На рис.1 приведены изотермы адсорбции фенола из разбавленных растворов на различных волокнах. Как видно из рисунка, изотермы адсорбции фенола из разбавленных растворов на углеродном волокне (кр.1) имеют форму изотерм, характерную для адсорбции микропористыми сорбентами [3,4]. На базальтовом и стеклянном волокнах (рис.1, кр. 3 и 2 соответственно) изотермы адсорбции типичны для адсорбции из разбавленных растворов на минеральных сорбентах [5]. Наибольшая величина адсорбции фенола наблюдается на углеродном волокне. Это объясняется более значительным специфическим взаимодействием молекул фенола с поверхностью волокнистого сорбента, что согласуется с литературными данными о влиянии химической природы поверхности сорбента (наполнителя) [б].
Повышение температуры обычно приводит к уменьшению адсорбции, что служит признаком физической адсорбции.

Наблюдаемое повышение адсорбции с ростом температуры (рис.2) объясняют либо протеканием хемосорбции, либо активированным характером адсорбции. Для процесса адсорбции фенола из растворов ацетона на волокнистых сорбентах наблюдается повышение адсорбции с ростом температуры, так как осуществляется конкуренция молекул различной природы за обладание адсорбционными центрами на поверхности адсорбента. С повышением температуры адсорбция фенола возрастает, что объясняется ослаблением энергии адсорбционной связи растворителя (ацетона) и увеличением доступной поверхности волокна для фенола, то есть конкурирующая способность молекул растворителя становится малой.
Для термодинамического рассмотрения адсорбционных систем использовали метод избыточных величин Гиббса [7,8]. Метод позволяет на основе экспериментально определяемых избыточных величин адсорбции фенола рассчитать основные термодинамические характеристики сорбционных систем в целом.
В соответствии с работой [7] изменение химического потенциала сорбента рассчитывалось по уравнению: 

Ф= - (Ф-Фх) - RT|(n/хх)d(хy)

где Ф - изменение химического потенциала сорбента при смачивании его бинарным раствором, Дж/г:
у - коэффициент активности объемного раствора;
х - мольная доля фенола,
n- избыточная величина адсорбции, ммоль/г.
Расчет ДФ проводился методом графического интегрирования, вычислением площади под кривой:

n'/xх = f(х)

Изменение энергии Гиббса сорбционной системы в результате смачивания сорбента раствором концентрацией х вычислялось по уравнению:

G= - Ф-En(M-M),

где (M-M) изменение химического потенциала объемного раствора.

Анализ концентрационных зависимостей А5 (рис. 3) свидетельствует о том, что наиболее сильные изменения энергии Гиббса системы в результате смачивания сорбента раствором фенола происходят в начальной области изменения концентраций. Наиболее сильные изменения термодинамических функций наблюдаются при использовании в качестве сорбента волокнистого углеродного наполнителя (кр. 1).
Полученные закономерности сорбционных процессов, протекающих в разных условиях и при использовании разных волокон, коррелируют с физико-механическими свойствами ПКМ на основе волокнистых наполнителей.
Для систем с лучшей адсорбцией отмечается также более высокое значение энергии Гиббса, что свидетельствует о более высоких физико-механических свойствах ПКМ (табл. 2).

 

 

 

Таблица 1

Физико-химические характеристики волокон и их стоимость Волокно

Плотность, г/см3

Пористость,смг

Температура плавления,
0С

Прочность при растяжении, МПа

Стоимость 1 кг, руб.

Углеродное

1.6-2.0

0.05-0.1

3600

500-5000

900.0

Стеклянное

2.5-2.6

0.005-0.01

700-900

150-450

15.40

Базальтовое

3.0

-

1400

480

27.20

Таблица 2

Влияние величины энергии Гиббса на характеристики ПКМ Композиция

-дС-106,Дж/г

Физико-механические свойства

Твердость по Бринелли, МПа

Разрушающее напряжение при изгибе, МПа

Углепластик

124.48

402.15

840-950

Базальтопластик

101.94

196.47

640-900

Стеклопластик

96.90

176.66

540-700

 

Данные по адсорбции фенола из его разбавленных растворов хорошо согласуются с данными по смачиванию УВ, СВ и БВ смесью мономеров методом капиллярного поднятия. Для кинетических кривых смачивания (рис. 4) характерна высокая скорость поднятия в первые 10~90 секунд от начала эксперимента, с последующим замедлением смачивания до установления равновесия. Полученные более высокие значения капиллярного поднятия для систем с УВ (рис. 4, кр. 1) могут быть объяснены тем, что жгутик из УВ практически не имеет крутки по сравнению с нитями из БВ и СВ, у которых крутка » 60 и 100 витков/м соответственно. Отсутствие крутки облегчает процесс капиллярного поднятия. Отмеченные близкие значения показателей для СВ и БВ (рис. 4, кр. 3 и 2 соответственно) объясняются близостью значений поверхностной энергии этих волокон.
Выводы: Установлены закономерности процесса адсорбции фенола в структуре различных неорганических волокон. Показана прямая зависимость от величины сорбции фенола физико-механических свойств ПКМ, которые по возрастанию прочности располагаются в ряд углепластики > базальтопластики > стеклопластики.

 

Библиографический список:
1. Патент РФ, № 2021301, 1994. Способ получения полимерной пресс-композиции / Артеменко С.Е., Кардаш ММ. и др.
2. Киселев А.В„ Шикалоеа И.В. Адсорбция жирных спиртов и фенолов из водных растворов на сажах // ЖФХ. 1956. Т.65. Вып.1-с. 2240-2242.
3. Гребенников С.Ф., Кынин АЛ. Сорбционные свойства химических волокон и полимеров // ЖПХ. 1982. Т.5 5, №10, с.2299-2303.
4. Загоруйко Н.И., Родзивилова И.С., Артеменко С.Е., Глухова Л.Г. Сорбционные исследования пористой структуры углеродных волокон // Хим. волокна. Л°6. 2001, с. 62-63.
5. Родзивилова И.С., Овчинникова Г.П., Бух Н.Н., Рахлевская М.Н. Адсорбция поливинилхлорида из различных растворителей на твердой поверхности // ЖФХ. 1993. Т.67, №7, с. 1565-1566.
6. Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполненных полимеров. - М.: Химия. 1991.- 264с.
7. Рахлевская М.Н., Кучерова Н.П. Механизм адсорбции карбоновых кислот из растворов на цеолитах типа Х//ЖФХ. 1981. Т.55. Вып.3. - С. 771 -774.
8. Рябухоаа Т.О., Родзивилова И.С., Рахлевская М.Н. Определение коэффициента активности в трехкомпонентных растворах//ЖФХ. 1991. Т.65. Вып.8. -с.2240-2242.