ИССЛЕДОВАНИЕ СМАЧИВАЕМОСТИ УГЛЕРОДНЫХ СТЕРЖНЕЙ НА ОСНОВЕ ВОЛОКНА УКН/5000
Аннотация
В результате исследования установлено, что важнейшим фактором, определяющим эксплуатационные свойства изделий из углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ), является адгезионное взаимодействие на границе наполнитель-связующее, зависящее от адсорбционной способности углеродных волокон (УВ) и смачивающей способности прекурсора матрицы (каменноугольного пека). Свойства УВ закладываются полиакрилонитрильным (ПАН) сырьем и технологией изготовления. В ходе исследования изучены свойства углеродных волокон, полученных на основе различного ПАН-сырья, и установлено значительное отличие в структурных характеристиках (d002, ID/IG), а также энергии активации и удельной поверхности, обуславливающих различие в дефектности поверхности УВ. Изготовлены и исследованы углеродные стержни на основе данных волокон с дополнительной пропиткой аппретирующим составом на основе поливинилового спирта (ПВС). Разработана методика исследования смачиваемости углеродных стержней непосредственно каменноугольным пеком. Получена зависимость смачиваемости образцов углеродных стержней каменноугольным пеком в диапазоне температур от 60 до 150 °C. Зафиксировано формоизменение пека при нагревании и снижении вязкости, характеризующее последовательное изменение физического состояния от упруговязкого до вязкотекучего. Определены температуры начала смачивания, минимальные краевые углы смачивания образцов углеродных стержней на основе углеродных волокон разного производства. Выполнены расчеты эффективной энергии активации для различных стадий смачивания и пропитки и выдвинуты предположения о кинетике протекания процессов в различных температурных интервалах. Установлено, что аппретирующий состав при изготовлении углеродных стержней оказывает доминирующее влияние на функциональность поверхности и соответственно смачиваемость прекурсором матрицы и адгезионное взаимодействие между компонентами композита.
Для цитирования:
Сидорова Е.В., Стариченко Н.С., Карпов А.П., Федюшкина А.Г., Бехелева Ю.В., Ельчанинова В.А. Исследование смачиваемости углеродных стержней на основе волокна УКН/5000. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 9. С. 20-27. DOI: 10.6060/ivkkt.20256809.8y.
Литература
Kolesnikov S.A., Maksimova D.S. Formation of physical and mechanical characteristics of carbon-carbon materials with isostatic technology for obtaining a carbon matrix. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 11. P. 50-61 (in Russian). DOI 10.6060/ivkkt.20186111.14y.
Antanovich A.A., Kolesnikov S.A., Maksimova D.S. Features of the impregnation process of four-dimensional frames in the manufacture of carbon-carbon composite materials. Poverhnost'. Rentgen., Sinkhrotron. Neytron. Issled. 2022. N 5. P. 33–36 (in Russian). DOI: 10.31857/S102809602205003X.
Hou Xiao, Cheng Wen, Chen Ni, Zhou Hongying. Preparation of a high performance carbon/ carbon com-posite throat insert woven with axial carbon rods. New Carbon Mater. 2017. V. 28. N 5. P. 355-362. DOI: 10.1016/S1872-5805(13)60088-8.
Nasibulin A.V., Antipov E.A., Bejlina N.Yu. Dogadin G.S., Makarov N.A. The effect of pitch modification on the density of carbon-carbon composite materials. Novye Ogneupory. 2017. N 1. P. 63 – 66 (in Russian). DOI: 10.17073/1683-4518-2017-1-63-66.
Kolesnikov S.A. Technological support for the manufacture of large-sized structures made of carbon-carbon ma-terials. Konstruktsii Kompozits. Mater. 2017. N 4. P. 18-27 (in Russian).
Antanovich A.A., Kolesnikov S.A. Isostatic technologies in the manufacture of carbon structural materials. International symposium: Promising materials and technologies. Vitebsk. 2017. V. 1. 2017. P. 21-23.
Gallyamova R.F., Safiullin R.L., Dokichev V.A. Appli-cation of TiO2 coatings on carbon fibers with a modified surface. Vestn. Bashkir. Univ. 2022. V. 27. N 2. P. 310-315 (in Russian). DOI: 10.33184/bulletin-bsu-2022.2.10.
Maksimova D.S., Kolesnikov S.A., Antonovich A.A. Analysis of the process of impregnation with coal pitches and carbonation under pressure of a carbon-carbon com-posite material. 12 International Conference "Carbon: Fundamental Problems of Science, Materials Science, Technology". Moscow. 2020. P. 105-106 (in Russian).
Ostrovskiy V.S., Starichenko N.S. Coal pakes as binders for carbon materials. Koks Khim. 2016. N 4. P. 30-33 (in Russian).
Popov G.V., Lysova G.F. Wetting ability of pitches to the surface of the periclase. Vestn. Magistratury. 2014. V. 37. N 10. P. 4-6 (in Russian).
Ostrovskiy V.S., Starichenko N.S. Viscosity and wetting ability of pitches. Koks Khim. 2019. N 4. P. 36-41 (in Russian).
Lysova G.A., Borovik S.I. Kinetics of wetting of fused periclase with coal pitches. Novye Ogneupory. 2016. N 6. P. 39-42 (in Russian).
Nasibulin A.V., Antipov E.A., Bejlina N.Yu. Dogadin G.S., Makarov N.A. The effect of the introduction of nanomaterials on the rheological properties of pitch. Novye Ogneupory. 2017. N 5. P. 43 – 47 (in Russian). DOI: 10.17073/1683-4518-2017-5-43-47.
Popova N.A., Madoyan A.M., Zhigalova E.A., Zhigalov D.V., Molotkova N.N., Lobanov D.A., Stepanov G.V., Storozhenko P.A. Influence of organosilicon compounds on the strength properties of polyacrylonitrile fibers and carbon fibers based on them. 12 International Conference "Carbon: Fundamental Problems of Science, Materials Science, Technology". Moscow. 2020. P. 151-152 (in Russian).
Ovchinnikov E.V. Physical and mechanical characteris-tics of carbon fibers modified with surfactants. Progressivnye Tekhnol.Sistemy Mashinostroeniya. 2019. V. 66. N 3. P. 38 – 47 (in Russian).
Shornikova O.N., Malakho A.P., Kenigfest A.M., Ku-lakov V.V., Seleznev A.N., Avdeev V.V. Wetting of car-bon fibers by coaltar pitch melts. Fibre Chem. V. 44. N 4. P. 259 – 264. DOI: 10.1007/s10692-012-9442-4.
Trukhinov D.K., Lebedeva E.A., Ivanova E.V., Istomina T.S., Astaf’eva S.A. Efficiency of carbon fiber extraction by low-temperature solvolysis. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2025. V. 68. N 4. P. 59-66 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20256804.7162.
Sidorina A.I. Modification of the surface of carbon reinforcing fillers for polymer composite materials by electrochemical treatment (review). Tr. VIAM. 2022. V. 110. N. 4. P. 61-74 (in Russian). DOI 10.18577/2307-6046-2022-0-4-61-74
Garifullin A.R., Abdullin I.Sh., Israfilov I.H. Increasing the adhesive properties of carbon fiber-based composites by high-frequency discharge at low pressure. Vestn. Tekhnol. Univ. 2015. V. 18. N 17. P. 169-170 (in Rus-sian).
Gubanov A.A, Korshak Yu.V., Vagramyan T.A., Plyushchij I.V. Electropolymerization of aniline and pyrrole on the surface of carbon fiber. Usp. Khim. Khim. Tekhnol. 2014. V. 28. N 5 (154). P. 109-110 (in Russian).
Verbets D.B., Buchnev L.M., Danilov E.A., Smyslov A.I., Eismont Z.V., Sergeev D.V. Study of morphological changes in PAN fibers during processing into carbon fibers, the effect of heat treatment temperature on mor-phological changes in carbon fibers. Search for the relationship of morphological changes with strength charac-teristics 9 International Conference "Carbon: Fundamental Problems of Science, Materials Science, Technology". Moscow. 2014. P. 95-96 (in Russian).
Morozov S.V., Anan'in S.V. The effect of modification of the surface of carbon fibers on the physical and me-chanical characteristics of carbon fiber plastics. Polzunov. Vestn. 2022. N 1. P. 134–138 (in Russian). DOI: 10.25712/ASTU.2072-8921.2022.01.018.
Petrova G.N., Bejder E.Ya. Development and research of applying formulations for thermoplastic carbon fiber plastics. Tr. VIAM. 2016. N 12(48). P. 9. DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-12-9-9.
Menshova I.I., Averina Y.M., Zabolotnaya E. Carbon fibers in the adsorption processes ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 3. P. 52-58 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236603.6715.
Qiu S., Fuentes C.A., Zhang D.X., Van Vuure A.W., Seveno D. Wettability of Carbon Fibers at the Microscale Conference: The Fiber Society's 2016 Spring Technical Conference. Mulhouse, France. 2016.
Mizitov E.L., Beilina N.Yu. Pseudoisotropic cokes of different nature of the feedstock: Structural features and their effect on interaction with coal tar, its components and other agents. 9 International Conference "Carbon: Fundamental Problems of Science, Materials Science, Technology". Moscow. 2014. P. 294-296 (in Russian).
Shapagin A.V. Methods of physico-mechanical and adhesive studies of carbon fibers and their wettability with binders / A.V. Shapagin. Collection of tr. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry of the Russian Academy of Sciences - 90 years. Moscow: A.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochem-istry of the Russian Academy of Sciences. 2019. P. 54-55 (in Russian).
