Влияние замасливающего агента на технологические свойства бескернового карбидокремниевого волокна

Введение

Внедрение прогрессивных композиционных материалов является основой перспективного развития авиационной и ракетно-космической техники. Композиты на основе современных материалов находят широкое применение в производстве элементов и агрегатов для аэрокосмической отрасли промышленности [1–3].

Конструкции современных летательных аппаратов требуют минимальной массы, высокой надежности, жесткости и прочности узлов, максимального эксплуатационного ресурса конструкций, способных эффективно работать в условиях высоких температур и агрессивных окислительных сред.

Использование перспективных композитов с усовершенствованной технологией изготовления и внедрением новых материалов при их производстве играет ключевую роль в решении поставленных задач [4; 5]. Композиционные материалы, армированные непрерывными бескерновыми карбидокремниевыми волокнами с металлическими и керамическими матрицами применимы для различных узлов летательных аппаратов, эксплуатирующихся при высоких температурах: поворотных сопел силовых установок, клапанов для истечения выхлопных газов, направляющих поверхностей сопла двигателя и т.д. [6–14].

Карбидокремниевые волокна отличаются высокими прочностными характеристиками, достигающими 3 ГПа, модулем упругости 400 ГПа, низким содержанием кислорода в составе (менее 1 %), высокой окислительной стабильностью при повышенных температурах вплоть до 1500 °С [15; 16].

Приведенные данные позволяют рассматривать SiC-волокна в качестве перспективного армирующего компонента композитов, длительно работающих в агрессивных окислительных средах при высоких температурах эксплуатации [17; 18].

Области применения конечного изделия из композиционного материала в отдельных случаях требуют использования армирующего наполнителя в виде ткани. Создание текстильных преформ является непростой задачей ввиду повышенной ломкости SiC-волокон. Повышение пригодности карбидокремниевых волокон к текстильной переработке осуществляется путем применения замасливающих составов. Введение операции эмульсирования, т.е. нанесения на поверхность волокна замасливателя, повышает технологические качества волокон и нитей на их основе, предупреждает обрывы и истирание в процессе формирования нити, уменьшает коэффициент трения при контакте высокомодульных керамических волокон с технологическим оборудованием, объединяет отдельные моноволокна, снижает динамический коэффициент трения и электризацию [19–22].

В качестве текстильных замасливателей для химических волокон наиболее часто применяемыми являются масла (минеральные и природные), поверхностно-активные вещества, составы на основе крахмала и органические полимеры [23–25].

Целью настоящей работы является исследование влияния различных рецептур замасливающих агентов на технологические свойства бескернового карбидокремниевого волокна.

Материалы и методы

Исследование осуществлялось на специально изготовленных для данной работы образцах в виде пучков непрерывных бескерновых карбидокремниевых волокон. Диаметр волокон составлял 14–20 мкм, а их количество в пучке было 150 шт.

В данной работе использовали замасливающие составы на основе кремнийорганических соединений (полиметилсилоксанов (ПМС)), полиэтиленгликоля (ПЭГ-400), поливинилового спирта (ПВС) и крахмала. В качестве растворителей применялись ацетон, изопропиловый спирт и вода.

Нанесение замасливателя на поверхность карбидокремниевого волокна производилось путем погружения пучка волокон в раствор с последующим мягким отжимом по следующей схеме (рис. 1): волокно с направляющего валка 1 опускалось в ванну с замасливателем 2, продвигалось роликом 3 и далее проходило через отжимные валки 4 для удаления излишков агента.

Прочность замасленных волокон при растяжении оценивалась на испытательной машине «Instron 5942» (Instron, США) по ГОСТ 32667 для образцов с длиной рабочей части 25 мм и средним диаметром 17 мкм. Скорость растяжения захватов испытательной машины составляла 1,0 мм/с.

Исследование морфологии поверхности замасленных волокон производилось с применением сканирующего электронного микроскопа.

Гибкость карбидокремниевых волокон с нанесенным на их поверхность замасливателем оценивали по величине минимального радиуса изгиба образца вокруг цилиндрической оправки с переменным диаметром от 10 до 70 мм (рис. 2). Образец прикрепляли одним концом к поверхности измерительного диска, оборачивали вокруг него в прижатом состоянии и выдерживали 5 мин. Минимальным радиусом изгиба считали радиус измерительного диска, предшествующего измерительному диску, на котором произошло разрушение волокон.

Результаты и их обсуждение

Применение ацетона и изопропилового спирта в качестве растворителей потребовало использования низкомолекулярных полиметилсилоксановых жидкостей: ПМС-5, ПМС-10, ПМС-20. При тестировании данных замасливателей обработанные ими образцы волокон приобретали излишнюю ломкость, что связано с удалением придававшей им гибкость адсорбированной влаги с поверхности волокна, приводящим к значительному повышению пушения и обрывности (рис. 3).

Исследование гибкости волокон с использованием оправки показало разрушение более 80 % филаментов уже на первой ступени диаметром 70 мм.

Замасливающие составы, содержащие в качестве растворителей ацетон и изопропиловый спирт, показали свою неэффективность.

Применение замасливателей в виде водных эмульсий позволило использовать более высокомолекулярные жидкости повышенной вязкости (ПМС-200). Cиликоновые водные эмульсии ПМС-200 и ПМС-200 с добавлением поливинилового спирта (ПВС) потребовали включения в состав диспергатора IVP-317, что улучшило смачиваемость волокон и способствовало стабилизации раствора в виде дисперсии.

Замасливатели данных рецептур показали высокую эффективность: равномерное распределение (рис. 4, а, б) и хорошую смачиваемость поверхности волокон, значительное снижение пушения и повышение однородности пучка волокон (рис. 5, б, в).

Добавление поливинилового спирта к водной эмульсии ПМС-200 позволило дополнительно повысить прочностные характеристики карбидокремниевых волокон и их технологические качества (см. таблицу).

Карбидокремниевые волокна, эмульсированные водными составами на основе полиметилсилоксана (ПМС-200 и ПМС-200 с добавлением поливинилового спирта), показали разрушение не более 1 % филаментов в составе пучка на оправке 10 мм, что является косвенным признаком повышения их технологических свойств для текстильной переработки (см. таблицу).

Кроме силиконовых жидкостей исследовали замасливающий состав, содержащий водный раствор полиэтиленгликоля ПЭГ-400 (30 %). Обработанные им волокна хуже смачивались, наблюдалась меньшая эффективность замасливания по сравнению с применением силиконовых жидкостей, отмечалось повышение ломкости филаментов (рис. 5, г). Данная проблема может быть объяснена низким сродством состава к карбидокремниевому волокну. При испытании образцов на цилиндрической оправке разрушалось более 40 % филаментов на ступени диаметром 40 мм.

Водный раствор крахмала (10 %) при нанесении на поверхность карбидокремниевых волокон показал хорошее распределение (рис. 4, г), отличную скрепляемость филаментов в составе пучка, снижение пушения (рис. 5, д), повышение прочности (см. таблицу). Однако после высыхания данный состав приводил к излишней ломкости волокон, что в значительной степени снижало их технологические свойства для дальнейшей текстильной переработки. Исследование гибкости волокон с применением оправки выявило разрушение порядка 20 % филаментов в пучке на ступени диаметром 60 мм.

В таблице представлены полученные результаты испытаний по определению минимального радиуса изгиба замасленных SiC-волокон, их прочностных характеристик (прочности при растяжении) относительно чистого волокна и описание морфологии поверхности.

Заключение

В ходе экспериментального исследования установлено, что замасливающие агенты, в качестве растворителя в которых используются ацетон и изопропиловый спирт, приводят к ухудшению технологических качеств обработанных волокон, значительному повышению ломкости, тем самым осложняя их текстильную переработку. Водный раствор полиэтиленгликоля (ПЭГ-400) (30 %) показал неэффективность ввиду плохого распределения по поверхности волокна и снижения прочностных характеристик образцов после обработки (на 16 % по сравнению с чистым волокном). Наилучшее объединение филаментов в составе пучка и повышение его однородности наблюдались на образцах с нанесенным водным раствором крахмала (10 %). Прочность образцов по результатам испытания на растяжение оказалась близкой к прочности необработанных волокон: снижение всего на 1 %. Вместе с тем повышенная ломкость волокон при изгибе после высыхания данного состава в значительной степени снизила их технологичность, что вызовет трудности при текстильной переработке.

В ходе исследования было установлено, что применение замасливателей для бескерновых карбидокремниевых волокон в виде водных эмульсий является наиболее эффективным. Наилучший результат показала эмульсия ПМС-200 с добавлением поливинилового спирта и диспергатора IVP-317 – отмечались повышение гибкости, уменьшение пушения, улучшение технологических качеств обработанных волокон при незначительном снижении прочности образцов (на 2 % по сравнению с чистым волокном). Использование водной эмульсии ПМС-200 с IVP-317 также способствовало повышению однородности и гибкости пучка, однако привело к ухудшению прочностных характеристик образцов по сравнению с чистым волокном.

Полученные результаты позволяют считать водные эмульсии на основе полиметилсилоксановых жидкостей и поливинилового спирта наиболее технологичными при подготовке бескерновых карбидокремниевых волокон к текстильной переработке.