СОЗДАНИЕ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИТНЫХ ПОЛОСОК НА ОСНОВЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНОГО ПОЛИУРЕТАНА

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются перспективы использования термопластичного полиуретана (ТПУ) в качестве основы для создания композитных материалов, армированных углеродным волокном.

Сочетание эластичности, износостойкости и химической устойчивости ТПУ с высокой удельной прочностью и жёсткостью углеродного волокна позволяет создавать лёгкие, прочные и долговечные изделия различной геометрии.

Такие композитные материалы имеют возможность применения для аэрокосмической, автомобильной и других высокотехнологичных отраслей, где критически важны малый вес, прочность и стойкость к экстремальным нагрузкам.

Ключевые слова: термопластичный полиуретан, углеродные волокна, композит, полимеры.

В последние годы аддитивные технологии занимают одно из ключевых мест в развитии современной промышленности. Это обусловлено их высокой гибкостью, возможностью создания изделий сложной геометрии и сокращением производственных затрат. Особый интерес в данной области представляет разработка новых композиционных материалов, которые сочетают в себе высокие механические характеристики, малую плотность и технологичность при переработке. Перспективным направлением является создание углеродных композитов на основе термопластичных полимеров с применением компьютерных методов проектирования и моделирования. Одним из наиболее востребованных полимерных материалов для аддитивного производства является термопластичный полиуретан (ТПУ), обладающий сочетанием прочности, эластичности и высокой износостойкости. ТПУ отличается устойчивостью к циклическим деформациям, воздействию химических реагентов, масел и ультрафиолетового излучения, а также сохраняет свои эксплуатационные свойства в широком диапазоне температур [1, с. 28]. Для повышения механических характеристик полимеров широко применяется армирование углеродными волокнами и полосками, которые обеспечивают высокий модуль упругости, прочность на растяжение и малую массу готового изделия. Введение углеродного армирующего наполнителя в структуру ТПУ позволяет существенно улучшить его эксплуатационные свойства при сохранении определённой гибкости, что особенно важно для изделий, работающих в условиях переменных нагрузок [2, с. 556]. Эти композитные полоски можно использовать в производстве различных деталей, корпусов. Путём наслаивания друг на друга и спекания лазером. Полученная деталь выходит прочной, в меру гибкой, лёгкой и термостойкой. За счёт лёгкости и прочности можно использовать в авиастроение для корпусов самолётов, либо в качестве каркаса.

Термопластичный полиуретан (ТПУ) – это полимерный материал, который относится к группе термопластичных эластомеров. Сочетает свойства пластика и резины. ТПУ производят в основном методом полиприсоединения (полимеризации присоединением), при котором диизоцианаты реагируют с полиолами и удлинителями цепи в экструдере или реакторе. Этим методом получают однородный продукт с высоким молекулярным весом [3, с. 323].

Полимеризация термопластичного полиуретана приобретает при создании композитов с углеродными полосками или волокнами. В данном случае необходимо обеспечить равномерное распределение полимерной матрицы и полноценное протекание реакции полиаддиции, что способствует формированию прочной межфазной адгезии. Последующая термообработка приводит к упорядочению жёстких сегментов и усилению водородных связей, что положительно сказывается на прочности, износостойкости и стабильности структуры композита. Термопластичный полиуретан сохраняет гибкость в широком диапазоне температур (от –40 до +80 °C), что делает его надёжным в экстремальных условиях. Всё это делает его удобным материалом для изготовления уплотнений, гибких соединений и функциональных элементов, для смачивания и спекания углеродного волокна.

Углеродное волокно – это материал, который состоит из тонких нитей диаметром от 3 до 15 мкм, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу; выравнивание кристаллов придаёт волокну большую прочность на растяжение. Карбоновая нить – это ткань, не нуждающаяся в дополнительной обработке. Ее не требуется красить, покрывать лаком, а декоративные покрытия могут потребоваться только для улучшения вида конструкции, покрытой карбоном. Угольная нить устойчива к старению при контакте с воздухом или под действием ультрафиолета, что выгодно выделяет этот материал на фоне, например, дерева. А от металла карбоновое полотно отличается не только высочайшей прочностью, но и химической стойкостью. После того как нити соединяют в сплетенное полотно, их пропитывают полиэфирной или эпоксидной смолой для упрочнения и повышенной гибкости. Ткань получают послойным склеиванием полотен до получения материала с требуемыми характеристиками прочности, толщины. Как правило, для углепластика толщиной 1 мм склеивают 4-5 слоев. Параметры готового материала зависят от состава связующего вещества, технологии производства. Тем не менее, карбон известен многими преимуществами, которые уже перечислены в этой статье. Полотно из угольной нити безвредно для здоровья, оно может снижать вибрации и забирать на себя часть нагрузок строительных конструкций. Толщина нити составляет около 0,005 – 0,1 мм и состоит только из атомов углерода (на 99%). Получают такую нить путем сжигания полимерных или органических волокон в кислородной атмосфере. Когда все компоненты выгорают, остаются только молекулы углерода. Но для того чтобы структура сохранила прочность, требуется выдержка температуры, давления, других параметров обжига в строго заданных пределах [4, с. 520].

Нити прочные на разрыв, но очень ломкие. Поэтому производители применяют специальные техники для формирования тканого или нетканого полотна. В результате получается тончайшая ткань, которой нужна пропитка полимерными материалами. Она склеивается послойно, образуя прочный композит с рядом уникальных свойств.

Нити углеродного волокна сплетаются между собой и погружаются в термопластичный полиуретан. После этого материал подвергается запеканию в печи, где под воздействием температуры происходит кристаллизация полимера, что придаёт ему высокую стойкость и стабильность структуры.

На выходе формируются углеродные волокна, пропитанные термопластичным полиуретаном, которые приобретают дополнительную прочность, устойчивость к износу и механическим нагрузкам.

Такой композит отличается не только жёсткостью, но и сохраняет определённую эластичность, благодаря чему детали из него выдерживают циклические деформации без разрушения.

Список литературы:

1. Корнев В.А., Рыбаков Ю.Н., Харламова О.Д., Чириков С.И. Перспективы применения термопластичных полиуретанов в технических средствах нефтепродуктообеспечения // Наука, техника и образование. – 2015. – № 3 (9). – 28 с.
2. Шабаринов В.Б., Штекляйн В.М. Полимеры на основе полиуретана. Термопластичный полиуретан // Химия и химическая технология в XXI веке : материалы конф. – Томск : Изд-во ТПУ, 2018. – 556 с.
3. Горбунова М.А., Анохин Д.В., Бадамшина Э.Р. Современные достижения в области получения и использования термопластичных частично кристаллических полиуретанов с эффектом памяти формы // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. – 2020. – Т. 62, № 5. – 323 с.
4. Варанкина Д.А., Юркин Ю.В., Широкова Е.С., Рогожкин Р.С., Авдонин В.В. Динамические механические характеристики композитов на основе блок-сополимеров стирол-изопрен-стирола, полибутилметакрилата и термопластичного полиуретана // Инженерный вестник Дона. – 2024. – № 10 (118). – 520 с.