Усиление углепластиком: Усиление углепластиком конструкций: цена в Москве — Информационный портал города Мичуринска. Афиша

Содержание

Усиление углеволокном зданий, сооружений и других строительных конструкций

Одним из способов восстановления несущих строительных конструкций является усиление углепластиками. При осуществлении работ данного типа используется материал на основе высокопрочных углеродных волокон. Он характеризуется высокой прочностью и не подвержен коррозии, что в сочетании с низким весом, обеспечивает неоспоримые преимущества по сравнению с металлом.

Усиление углеволокном зданий и сооружений: основные особенности

В отличие традиционных способов усиления несущих строительных конструкций, усиление углепластиками не увеличивает сечение усиливаемых элементов, что имеет большое значение не только в случае промышленных зданий и сооружений, но, что особенно важно, в жилом, коммерческом и административном строительстве. Применение углепластиков при усилении зданий значительно сокращает сроки выполнения работ, и при комплексном подходе имеет ощутимый экономический эффект.

Усиление композитными материалами: сферы применения

Усиление конструкций композитными материалами используется для:

Усиления железобетонных конструкций;
Усиления несущих стен, пилонов, колонн;
Усиления перекрытий;
Усиления проемов в перекрытиях;
Усиления кирпичных стен.

Усиление конструкций углепластиком: стоимость работ

На сегодняшний день бытует мнение, что работы по усилению конструкций углепластиками значительно дороже, чем традиционные способы. На самом деле, это не так, в большинстве случаев, усиление углеволокном дешевле, чем усиление металлом на 10-25 %. Для полного комплекса увеличения срока эксплуатации зданий мы рекомендуем увеличить их несущую способность.

Наверх

PGS group
Контакты:

Ткачей, 23
620100
Екатеринбург,

Телефон:+7 (343) 318 00 40
Электронная почта: [email protected]

Усиление конструкций углеволокном

Если Вам нужно выполнить Усиление конструкций углеволокном — позвоните нам и мы проконсультируем Вас и поможем составить план решения Вашей задачи.

Углеволоконные материалы для усиления конструкций

Усиление конструкций углеволокном – относительно новый для России метод – первые реализованные в нашей стране объекты датированы 1998 годом. Заключается этот метод в наклеивании на поверхность конструкции высокопрочного углеволокна, воспринимающего на себя часть усилий, тем самым повышая несущую способность усиленного элемента. В качестве клея применяются специальные конструкционные адгезивы (связующее) на основе эпоксидных смол, либо минерального вяжущего. Благодаря высоким физико-механическим характеристикам углеволокна, повысить несущую способность конструкции можно практически без потери полезного объема помещений и увеличения собственного веса здания – толщина усиливающих элементов обычно составляет от 1 до 5 мм.

Следует понимать, что «углеволокно» — это материал (например, как бетон), а не конечное изделие. Из углеволокна изготавливают целый набор материалов, некоторые из которых применяются в строительстве – углеродные ленты, ламели и сетки.

В подавляющем большинстве случаев усиление углеволокном применяется для железобетонных конструкций – это обусловлено высокими технико-экономическими показателями реализации таких проектов. Однако, данная технология применима и к металлическим, деревянным и каменным зданиям и сооружениям.

Конструктивные решения усиления углеволокном

При проектировании усиления конструкций углеволокном необходимо руководствоваться Сводом правил СП 164.1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования.»

Усиление плит перекрытий и балок выполняется путем наклейки углеволокна в наиболее напряженных зонах – обычно в центре пролета по нижней грани конструкции. Это повышает их несущую способность по изгибающим моментам. Для решения таких задач подходят все виды углеродных материалов – ленты, ламели и сетки.

Кроме того, для балок часто требуется выполнить усиление приопорных зон на повышение несущей способности при действии поперечных сил (по наклонной трещине). Для этого выполняется наклейка U-образных хомутов из углеродных лент, или сеток.

Углеродные ленты и ламели иногда применяются в совокупности, так как их способ монтажа и адгезивные составы схожи. Применение углеродных сеток, как правило, исключает использование лент и ламелей в связи с производством «мокрых» видов работ.

Усиление колонн происходит путем их оклейки углеродными лентами, или сетками в поперечном направлении. Таким образом достигается эффект «бондажирования» и происходит сдерживание поперечных деформаций бетона по схожему принципу с «бетоном в трубе», или «трехосным сжатием».

Подготовка поверхности перед усилением углеволокном

При усилении железобетонных конструкций углеволокном выполнение работ начинается с разметки конструкции – отчерчиваются зоны в которых будут располагаться элементы усиления. Затем эти зоны очищаются от отделочных материалов, загрязнений и цементного молочка до обнажения крупного заполнителя бетона. Для этого применяют, либо угол-шлифовальные машинки с алмазными чашками, либо водо-пескоструйные установки.

Качество подготовленного основания (поверхности на которую приклеивают углеволокно) напрямую влияет на совместность работы конструкции с элементом усиления, поэтому при подготовке основания, в обязательном порядке, контролируют следующие параметры:

ровность поверхности;

прочность и целостность материала усиливаемой конструкции;

температуру поверхности конструкции;

отсутствие загрязнений и пыли;

влажность;

и другие (полный перечень и допустимые значения контролируемых параметров приводятся в технологических картах на выполнение строительных работ).

Приготовление компонентов для усиления углеволокном

Углеродные материалы поставляются смотанными и упакованными в полиэтилен. Очень важно не испачкать их в пыли, которой после шлифования бетона будет очень много, иначе углеродное волокно невозможно будет пропитать связующим, т.е. получится производственный брак. Поэтому, заготовительную зону следует застелить плотным полиэтиленом и уже по нему отматывать требуемую длину углеродного материала. Обрезка углеродных лент и сеток может осуществляться канцелярским ножом, или ножницами по металлу, а углеродных ламелей – угол-шлифовальной машинкой с отрезным кругом по металлу.

Адгезивы, как правило, применяются двухкомпонентные – т.е. требуется смешивать два материала в определенной пропорции. Необходимо четко следовать инструкции производителя и при дозировании использовать весы, или мерную посуду. Смешивание составов происходит путем постепенного добавления одного компонента в другой при постоянном перемешивании низко оборотистой дрелью. Ошибки дозирования, или неправильное вмешивание одного компонента в другой, могут привести к закипанию адгезива.

В последние годы, большинство производителей поставляют адгезив в комплектах – т.е. в двух ведрах с уже дозированными объемами компонентов. Таким образом можно просто вмешать содержимое одного ведра в другое (ведро специально поставляется большего объема (полупустым)) и получить готовый адгезивный состав.

Полимерцементные адгезивы (для углеродных сеток) поставляются в мешках и затворяются водой согласно инструкции, как любой ремонтный материал.

Следует помнить, что адгезив имеет ограниченный срок жизни – порядка 30-40 минут и он резко сокращается при повышении температуры выше 20°С, поэтому объем приготовляемого адгезива не должен превышать физических возможностей его выработки.

Монтаж углеволоконных материалов

В зависимости от вида углеволоконного материала технология его монтажа существенно отличается:

Монтаж углеродных лент может осуществляться по «мокрому», или «сухому» методу. В обоих случаях на основание наносится слой адгезива, но при «мокром» методе углеродная лента сначала пропитывается адгезивом, а потом прикатывается валиком к основанию, а при «сухом» — лента прикатывается к основанию, а потом сверху ее пропитывают слоем адгезива. Пропитка углеродной ленты осуществляется путем нанесения на ее поверхность слоя адгезива и вдавливания его малярным валиком, или шпателем, добиваясь того, что бы верхний слой связующего проник вглубь углеволокна, а нижний слой связующего вышел наружу. Углеродные ленты могут укладываться в несколько слоев, но при наклейке на потолочную поверхность, не рекомендуется за одну смену выполнять более 2-х слоев – материал начинает «сползать» под собственным весом.

Следует помнить, что после полимеризации адгезива, его поверхность будет гладкой и качественно нанести на нее отделку будет невозможно. Поэтому, еще по «свежему» элементу усиления необходимо нанести слой крупного песка.

При монтаже углеродных ламелей адгезив наносится и на конструкцию, и на усиливающий элемент. После этого, ламель прикатывается к основанию малярным валиком, или шпателем.

Монтаж углеродной сетки выполняется на увлажненную поверхность бетона. Сначала наносится первый слой полимерцементного состава. Он может наноситься как ручным, так и механизированным способом – торкретом. По «свежему» слою полимерцемента раскатывается углеродная сетка с небольшим вдавливанием в состав. Удобнее всего это делать шпателем. Затем необходимо выдержать технологическую паузу до начала схватывания состава. Срок схватывания зависит от выбранного состава и температуры окружающей среды, но требуемое состояние – полимерцемент с трудом продавливается пальцем. После этого наносится закрывающий слой полимерцемента.

Защитные покрытия углеволоконного усиления

Необходимо помнить, что адгезивы на основе эпоксидных смол горючи, а кроме того подвержены охрупчиванию при воздействии ультрафиолетовых лучей. Поэтому, применяя их необходимо предусматривать огнезащиту углеволоконных элементов усиления до класса огнестойкости не ниже заявленного для усиливаемой конструкции.

ООО «ПСК Сигма-Ф» выполняет полный комплекс работ по усилению конструкций углеволокном — бесплатный выезд на объект для сбора объемов работ, разрабатывает проект (наличие СРО), осуществляет поставку материалов, выполняет строительные работы, проводит натурные испытания и несет гарантийные обязательства — позвоните нам, и мы рассчитаем стоимость работ на Вашем объекте.

Другие материалы по теме «Усиление углеволокном»:

Усиление конструкций углеволокном в Москве, цены на усиление бетона и несущих конструкций

от 1350 руб/м² Отправить заявку

Усиление конструкций углеволокном – это прогрессивная технология, которая позволяет возвращать конструкциям утраченную несущую способность при помощи армирования специальными усиливающими элементами, изготовленными из композитных материалов.

История применения этого метода в отечественном строительстве достаточно непродолжительна и насчитывает чуть менее двадцати лет. Впервые он был применен всего лишь в 1998 году, однако с тех пор технология серьезно шагнула вперед и, на сегодняшний день, она широко применяется повсеместно. Для того, чтобы усиливать строительные конструкции, используется особо прочное углеволокно. Его наклеивают на элемент, нуждающийся в усилении, тем самым повышая его несущую способность. Для приклеивания используются специальные составы, содержащие эпоксидные смолы и обладающие большим уровнем адгезии, либо минеральные клеи. Углеволокно позволяет усиливать конструкции, при этом не расходуя полезный объем помещения, за счет того, что углеволоконные усиливающие элементы обладают высокими физико-механическими свойствами. Лист, который наклеивается на конструкцию в среднем имеет толщину 1-5 мм, а его небольшой вес позволяет усилить конструкцию без создания дополнительной нагрузки, как это произошло бы в случае использования металлических усиливающих элементов.

Усиление строительных конструкций углеволокном –это один из многих используемых вариантов. Здесь важно помнить, что углеволокно представляет собой лишь материал, а не само изделие, поэтому эффективность принимаемых мер по усилению напрямую зависит не только от свойств самого материала, но и от того, насколько грамотно было проработано расположение армирующих элементов и от, того, какие элементы будут использованы. Их разновидностей много – ленты, ламели, сетки и т.д.

Чаще всего, к усилению углеволокном прибегают на железобетонных конструкциях, что обусловлено невозможностью создания дополнительной незапланированной нагрузки на этот материал. Но также углеволокно активно применяется и когда речь идет о деревянных, железных и кирпичных конструкциях.

Порядок усиления несущих конструкций углеволокном регулируется специальным нормативным документом, который называется «Усиление железобетонных конструкций композитными материалам. Правила проектирования».

Для того, чтобы усиление конструкций было выполнено эффективно, материал должен отвечать определенным требованиям:

Волокна в структуре материала должны располагаться параллельно

Чтобы сохранять структуру армирующих элементов, нужно использовать специальную стеклянную сетку

Для того, чтобы материал соответствовал принятым требованиям, он должен изготавливаться в строгом соответствии с производственной технологией, в этом случае, качество материала будет высоким, а комплекс мер по усилению конструкции углеволокном – эффективным.

Правильно изготовленный материал обладает поистине уникальными свойствами. У него совсем небольшой вес, который не создает дополнительной нагрузки на конструкцию по массе, однако, в то же время, даже материал небольшой толщины обладает очень высокой прочностью. Армирующие элементы из углеволокна используются, как при усилении конструкций уже возведенных зданий, так и при строительстве новых.

Преимущества композитных материалов

Усиление несущих конструкций углеволокном – это прогрессивный и современный метод, который обладает целым рядом преимуществ, обусловленных свойствами самого материала:

Для того, чтобы выполнить работы по усилению, вам не понадобится привлечение специальной техники с большой грузоподъемностью, поскольку материал имеет небольшой вес.

Технология внешнего армирования железобетонных конструкций с помощью композитных материалов позволяет выполнять эти работы до 10 раз быстрее, чем при использовании других технологий.

Материал, позволяет добиться четырехкратного увеличения несущей способности конструкции по сравнению с аналогичным показателем при использовании других материалов.

Нагрузка по массе на конструкцию не становится больше

Углеволокно не подвержено воздействию коррозийных процессов и негативных факторов внешней среды

Срок службы материала может составлять более 75 лет

На сегодняшний день углеволокно – это наименее затратный и наиболее эффективный способ исправления ошибок при проектировании и выполнении предварительных строительных работ

Эффективность данной технологии трудно переоценить. Ее применение помогает избежать серьезных эксплуатационных проблем при повреждении конструкций в результате естественного износа или механических воздействий. Усиление позволит не только минимизировать последствия полученных повреждений, вернув конструкции прежнюю несущую способность, но даже существенно повысить ее. Кроме того, плотный и водонепроницаемый композитный материал защитит бетон от влаги и предотвратит появление коррозии в арматуре.

Этапы работ и виды армирующих элементов

Общий принцип усиления везде одинаков – углеволокно наносится на те участки конструкции, где присутствует наибольшее напряжение. Чаще всего это – центр пролета конструкции по нижней грани. А для решения конкретных задач нужно будет определиться с тем, какой вид армирующих элементов подойдёт лучше всего – ленты, ламели или сетка.

Ленты и ламели

Усиление строительных конструкций лентами и ламелями из углеволокна происходит сходным образом. Для этого применяются одинаковые или схожие адгезивы, а монтаж осуществляется по общим принципам. Именно поэтому их часто используют в совокупности.

Применение углеродной сетки практически в ста процентах случаев исключает возможность использования ленты и ламелей, поскольку ее монтаж сопряжен с выполнением «мокрых» работ.

Как происходит выполнение работ?

Изначально, главное, что необходимо сделать –это определить те самые участки конструкции, которые испытывают наибольшие нагрузки, а, следовательно, нуждаются в усилении. После этого происходит разметка конструкции и начинаются подготовительные работ, в ходе которых, участки, на которые будет наклеиваться композит тщательно очищают от отделки, грязи и т.д. Очистка происходит с применением специального шлифовочного оборудования.

Шлифовка

То, насколько хорошо подготовлена была поверхность бетона к наклеиванию композитного усиления, напрямую влияет на его эффективность, поскольку от этого зависит совместная работа бетона и композита по распределению нагрузки. Шлифовка должна осуществляться с соблюдением технологии. Полностью должно быть исключено попадание влаги на шлифуемую поверхность, а также после шлифовки следует полностью удалить пыль и грязь.

Компоненты

После того, как была подготовлена поверхность усиливаемой бетонной конструкции, настает очередь подготовки армирующих компонентов. Углеволокно поставляется в заводской упаковке в скатанном виде. Для того, чтобы начать работать с материалом, подготовьте для этого специальную зону на строительной площадке, застеленную полиэтиленом. Делается это для того, чтобы исключить попадание бетонной пыли на материал, поскольку это приведет к браку. Нарезать углеродное полотно можно при помощи обычного строительного ножа, ножниц по металлу. Отрезка ламелей может быть осуществлена при помощи угол-шлифовальной машинки.

Для наклейки чаще всего используют двухкомпонентные клеящие составы. Приобрести ингредиенты не составит труда, но следует строго соблюдать инструкции производителя при их смешивании, четко рассчитывать дозировку с помощью весов. Проблемы с этим возникнуть не должно, поскольку многие современные поставщики строительных адгезивов предлагают их уже упакованными в специальные ведра. Добавляйте адгезив постепенно, чтобы предотвратить его закипание в процессе смешивания компонентов.

Монтаж

Монтаж углеродной ленты производится «сухим» или «мокрым» методом. Разница между ними заключается в том, в первом случае ленту сначала прикладывают к основанию, после чего пропитывают адгезивом, а втором случае пропитка происходит сначала. Состав тщательно наносят на поверхность армирующего компонента таким образом, чтобы об проник вглубь материала и вышел наружу со стороны бетонного основания. Ламели монтируются схожим образом, только связующий состав в этом случае наносится и на основание, и на сам элемент. А углеродная сетка всегда монтируется на слегка увлажненную поверхность бетонного основания.

Если вам нужна консультация…

Рассказать в рамках одной статьи все тонкости выполнения работ по усилению конструкций углеволокном не представляется возможным – настолько обширна эта технология. Однако, если на вашем объекте возникла необходимость выполнения эти работ, вы всегда можете обратиться в компанию «ПРАЙМ».

Мы будем рады проконсультировать вас по любым вопросам, а также произвести любые работы по усилению конструкций композитом. У нас имеется обширный опыт работы на объектах любых масштабов и любого профиля!

Усиление конструкций углепластиком – цена на услугу в Москве – РусКомпозит

Оглавление страницы

1.Когда применяют
2.Преимущества
3.Цены

Сооружения из металла, камня, железобетона и дерева со временем изнашиваются: их несущая способность существенно снижается. Это может привести к частичному или полному обрушению здания. Чтобы предотвратить такие опасные последствия, необходимо своевременно реставрировать и укреплять конструкцию постройки. С этой целью мы рекомендуем проводить усиление углепластиком.

Наша компания занимается производством и продажей углепластиковых сеток, холстов и лент. Мы предлагает своим клиентам весь спектр услуг – от помощи в выборе материала и расчета его необходимого количества, до поставки товара на объект. Чтобы заказать качественный углепластик по выгодной цене, звоните нам по номеру на сайте!

Что можно им укрепить

Металлические элементы. Поверхность зачищают, после покрывают эпоксидным клеем, на который укладывают углеволокно. Финальный этап – это покрытие огнезащитной краской.
Железобетонные детали изнашиваются под влиянием нагрузок, коррозийных процессов, а также из-за неправильного проектирования сооружения. Использование углеволокна особенно актуально для реставрации мостов и других видов гидротехнических конструкций.

Каменные постройки усиливают углепластиком для сведения к минимуму их разрушения в процессе естественного старения материала.
Деревянные элементы покрывают углеволокном в тех зонах, где есть риск раскалывания. С помощью этого материала можно не только увеличить прочность постройки, но и сделать визуально незаметными усиливающие детали.

Плюсы укрепления CFRP

Экономичность. Вряд ли вы найдете более быстрый и менее затратный способ укрепить любое сооружение, чем усиление углепластиком. Цена самого материала тоже относительно низкая.

Простота использования. Для монтажа материала требуется небольшая бригада рабочих. Углепластик укладывают без применения специального оборудования или инструментов.

Прочность, долговечность. Углепластик значительно увеличивает срок эксплуатации строения и повышает уровень его надежности.

Универсальность. Углеволокно «дружит» с любыми материалами и может применяться для каких-угодно построек и конструкций.

Сколько всё это стоит

Вид объекта	Срок выполнения работы (в днях)	Объём работ	Цена за единицу	Метод укрепления
Проёмы и отверстия	5	от 1 до 50 шт.	от 9 000 до 25 000 руб/шт.	Использование углепластика, карбоновых лент, сеток, ламелей.
Усиление перекрытий и покрытий	5-8	от 100 кв.метр	от 340 до 4 400 руб/кв.метр	Обустройство углеволоконных ламелей, сетки, ленты. Монтаж металлоконструкций.
Стены и пилоны	7-10	от 100 до 5 000 кв.метр	от 500 до 3 700 руб/кв.метр	Укрепление углеволокном.
Ригели/балки	3-5	от 100 пог.м	от 410 до 4 600 руб/пог.м	Наращивание сечений, обустройство сеток и ламелей из углеволокна.
Железобетонные фермы	от 100 пог.м	индивидуальный расчёт	по договору	Укрепление растягиванием арматурой, наращиванием сечений.
Колонны	5-7	от 100 до 5 000 кв. метр	от 500 до 4 500 руб/пог.м	Создание стальных обойм, применение композитных материалов.

Кроме того, стоимость усиления стен из железобетона действительно выгодна в сравнении с другими способами армирования. Закажите консультацию у нас на сайте – и убедитесь в этом сами!

Усиление конструкций углеволокном – цены в Москве – РусКомпозит

Оглавление страницы

1.Когда применяют
2.Преимущества
3.Цены

Физико-механические свойства углеволокна позволяют значительно повысить несущую способность любой конструкции без увеличения веса сооружения и потери полезной площади помещений: толщина усиливающего материала составляет всего 1-5 мм. Зачастую усиление углеволокном используют для железобетонных сооружений, но технология применима и для укрепления построек из дерева, металла или камня.

Наша компания занимается производством и продажей качественного углеволокна. Мы также оказываем услуги по расчету количества необходимых материалов для определенных потребностей заказчика. По вашему запросу, наши менеджеры подберут композиты, оптимально подходящие для конкретного случая. Если вам необходимо усиление конструкций углеволокном, звоните по телефону на сайте и наш технический эксперт проконсультирует вас по всем интересующим вопросам!

Преимущества использования углеволокна

Защита материала от механических повреждений, деформации.

Усиление ж/б конструкций углеволокном не мешает стройке или использованию уже готового здания. Из эксплуатации выводят лишь участок реконструкции.

Не нужно переделывать строительный проект или вносить изменения в первоначальный план сооружения.

Благодаря гибкости материала им можно укреплять конструкции даже сложных архитектурных форм.

Углеродному волокну не грозит коррозия, его можно применять даже в условиях высокой влажности.

Простота работ, экономия. Для монтажа материала не нужно использовать сложную технику или большое количество человеческих ресурсов, кроме того, стоимость самого углеволокна относительно невысокая.

Композиты из углеволокна в 10 раз легче аналогичных материалов из бетона или металла. Это позволяет использовать их там, где увеличение массы конструкции критически опасно.

Усиление бетона углеволокном гарантирует более высокую прочность сооружения, чем усиление металлом. При этом, прочностные характеристики распространяются на растягивание, упругость, изгибание, разрыв и все другие параметры усиления.

Материал невосприимчив к агрессивным веществам: его используют на объектах химической промышленности, производствах газа и нефти.

В зависимости от типа сооружения и материала несущих элементов, наши специалисты подберут для вас подходящие материалы в нужном количестве. Кроме того, мы предлагаем своим клиентам выгодную цену на усиление железобетонных конструкций углеволокном.

Наши квалифицированные и опытные инженеры ответят на все ваши вопросы и предоставят рекомендации по проекту. Для этого звоните по номеру: +7 499 348 82 52

Сколько стоит обследование, проектирование и усиление углеродным волокном

Вид объекта	Срок выполнения работы (в днях)	Объём работ	Цена за единицу	Метод укрепления
Проёмы и отверстия	5	от 1 до 50 шт.	от 9 000 до 25 000 руб/шт.	Использование углепластика, карбоновых лент, сеток, ламелей.
Усиление перекрытий и покрытий	5-8	от 100 кв.метр	от 340 до 4 400 руб/кв.метр	Обустройство углеволоконных ламелей, сетки, ленты. Монтаж металлоконструкций.
Стены и пилоны	7-10	от 100 до 5 000 кв.метр	от 500 до 3 700 руб/кв.метр	Укрепление углеволокном.
Ригели/балки	3-5	от 100 пог.м	от 410 до 4 600 руб/пог.м	Наращивание сечений, обустройство сеток и ламелей из углеволокна.
Железобетонные фермы	от 100 пог.м	индивидуальный расчёт	по договору	Укрепление растягиванием арматурой, наращиванием сечений.
Колонны	5-7	от 100 до 5 000 кв.метр	от 500 до 4 500 руб/пог.м	Создание стальных обойм, применение композитных материалов.

Усиление конструкций углеволокном. Углепластик, цена

Всего существует 3 группы подобных способов: традиционные (стандартные), инновационные (более технологичные) и комбинированные (соединение наилучших технологий и рабочих схем). Перед работой над каждым проектом полностью анализируются главные объекты. На основе данных уже подбирают подходящий способ их укрепления.

Начнем с традиционных вариантов:

Обетонирование — работа по нанесению бетонных слоев для увеличения площади сечения. Соответственно возрастает и прочность сооружения.

Использование стального проката — к примеру, установка на стены металлических тяжей, укрепление отверстий уголками или швеллерами.

Монтаж дополнительных элементов для усиления колонн, перекрытий и т. д. (установка распорок или свай).

Инновационные методы усиления конструкций основаны на применении композитов, в том числе углепластика, добавлении смесей, использовании преднапряженных канатов:

использование композитных полуфабрикатов — метод, который применяется для точного и значительного укрепления зданий. Его суть заключается в послойной наклейке углеволокнистых композитов на несущие конструкции. Толщина слоя в итоге составит несколько миллиметров, т. е. размеры помещений не изменятся;

инъектирование — работа по наполнению различных полостей и трещин. Этот способ помогает накрепко соединить разрозненные части зданий. С помощью различных смесей и инъекций укрепляются стены, фундамент и т. д.;

укрепление преднапряженными канатами — работы, способствующие повышению прочности зданий, их устойчивости к трещинам. Главный инструмент — предварительно напряженные канаты. Метод применяется только для укрепления монолитных сооружений.

Усиление железобетонных конструкций может проводиться комбинированными способами. В таких случаях применяются стандартные варианты совместно с инновационными.

Почему нужно укреплять карбоновым волокном?

В современном мире усиление строительных конструкций целесообразно проводить с помощью углеволокна и материалов, в основе которых лежат углеволокнистые структуры. Почему же нужно применять именно углеродные композиты?

Данные полуфабрикаты значительно превосходят конструкционную сталь, алюминий, распространенные сплавы по физико-механическим параметрам. Термостойкость, устойчивость к агрессивным химическим средам — все это достоинства углеволокна.

Износостойкие и долговечные углеволокнистые сетки, ленты и жгуты не подвергаются коррозии. Поэтому усиление металлических конструкций не превратится в бесполезную трату средств и материалов. Сооружение прослужит еще достаточно долго при помощи углеволокнистых композитов.

Углеволокно весит в 10 раз меньше стали, в 4 раза меньше алюминия. Поэтому целесообразно использовать именно углеволокнистые материалы для укрепления старых и ветхих зданий, древних исторических объектов. В таких сооружениях недопустима излишняя нагрузка на стены, фундамент и перекрытия.

Углеволокно прекрасно справляется с поставленными задачами «усиление железобетонных конструкций» без изменения основных конструктивных схем (по работе со сталью и другими материалами).

Технология применения углеволокна позволяет не прерывать функционирование объекта. Сам процесс усиления железобетонных конструкций композитными материалами проходит быстро и не требует масштабных подготовительных действий.

3 распространенных технологии усиления бетона углепластиком

Укрепление сооружений углепластик подразделяется на 3 технологии, каждая из которых предназначена для отдельной ситуации:

применение лент из углепластика с эпоксидным клеем. Обычно с помощью материалов данного типа укрепляют мосты и пролетные постройки. 1 рулон — 250 метров ленты, которая обладает чрезвычайной жесткостью и прочностью;

использование углеволокнистых холстов с эпоксидным клеем. Такая технология необходима для укрепления балок, ригелей, отверстий и колонн. Плюс углеродных холстов в том, что они мягкие и податливые, поэтому им легко можно придать нужную форму;

применение углепластиковых сеток совместно с цементными связующими. Основная задача — укрепление кирпичных, каменных и железобетонных строений. Сетки огнеупорны.

Далее разберем поэтапно процесс усиления конструкций углеволокном.

Подготовка поверхности сооружения к началу работ

Перед началом основных работ требуется выполнить ряд подготовительных этапов.

Изначально следует разметить поверхность. Ярко выделяются те области, где будет идти ремонт. Затем обозначенные зоны максимально очищаются от грязи и цемента. Рабочим требуется очистить все вплоть до бетона.

Необходимо точно определить состояние поверхности сооружения, ведь от этого зависит совместимость углеродного волокна и строения:

гладкость и чистота;

стабильная температура;

монолитность;

влажность.

Подготовка углеволокна или других углеродных материалов

После очищения поверхности вокруг ремонтных зон наверняка скопится большое количество пыли и грязи. Углеродное волокно необходимо уберечь от любых загрязняющих элементов. Иначе нити не пропитаются связующим. Положительный эффект данного материала будет утрачен.

Перед распаковкой материалов следует накрывать подготовительную область полиэтиленом для защиты углеродного волокна. Заранее необходимо отмерять требуемую длину волокна, а затем приступать к установке.

Усиление бетонных конструкций композитными материалами

Процесс может идти с использованием «сухого» или «мокрого» методов. Каждый из этих двух способов предполагает обработку материала адгезивом. Различаются они лишь последовательностью обработки скрепляющего средства (адгезива) и прокатывания валиком.

Углеродное волокно послойно накладывается на бетонную поверхность. За 1 смену нужно наносить не более двух слоев.

При монтаже ламелей адгезив нужно наносить и на них, а не только на укрепляемый объект. Далее материал прокатывается валиком.

Укрепление различных сооружений композитными материалами — надежный способ увеличить долговечность построек. Ветхие здания, исторические объекты, древние мосты — несущую способность всех этих конструкций можно усилить с помощью композитов.

Как сделать усиление бетона углеволокном (бетонных и железобетонных конструкций)

Усиление бетона углеволокном – сравнительно новый для отечественной ремонтно-строительной сферы метод, который в России впервые был реализован в 1998 году. Суть метода заключается в наклеивании на поверхность нуждающейся в укреплении конструкции высокопрочного углеволокна, которое забирает часть усилий на себя и существенно повышает несущую способность упрочненного элемента/конструкции.

В качестве клеящего вещества обычно применяют специальные конструкционные связующие с высокой адгезионной способностью, сделанные на базе эпоксидных смол или минеральных составов.

Благодаря тому, что углеволокно обладает высокими физико-механическими свойствами, несущая способность конструкции повышается без потери полезного объема коробки и увеличения собственной массы здания. Обычно толщина усиливающих элементов варьируется в диапазоне 1-5 миллиметров.

Читайте также: про строительство и ремонт.

Чаще всего реализуют усиление железобетонных конструкций, что объясняется высокими технико-экономическими показателями выполнения работ подобного типа. Но сама технология может применяться к зданиям/сооружениям из металла, дерева, камня и других материалов.

Применение углеродного волокна наиболее оправданно, так как материал считается самым недорогим и эффективным для исправления ошибок в проектировании, выполнении разного типа строительных работ.

Каким требованиям должно отвечать углеволокно:

Параллельное расположение волокна в структуре материала.
Для сохранения структуры армирующих элементов применяется специальная стеклянная сетка.
Углеволокно должно производиться в точном соответствии с технологией, соответствовать высоким стандартам качества.

Изготовленный по правилам материал демонстрирует уникальные свойства – обладает небольшим весом, не дает дополнительной нагрузки по весу, при минимальной толщине дает максимальную прочность. Армирующие углеволоконные элементы используются для усиления уже созданных конструкций и тех, что находятся еще в процессе строительства.

Преимущества композитных материалов

Содержание статьи:

Усиление конструкций углеволокном представляет собой современный эффективный метод, демонстрирующий целый ряд явных преимуществ. Технология внешнего армирования ЖБ конструкций композитными материалами дает возможность выполнить процесс быстро и увеличить несущую способность конструкции в среднем в 4 раза (если сравнивать с иными материалами).

Основные достоинства усиления углеволокном:

Отсутствие необходимости привлекать для выполнения работ специальную технику благодаря малому весу материала.
Длительный срок эксплуатации (до 75 лет) – углеволокно не боится коррозии, агрессивного воздействия внешних факторов.
Нагрузка на здание не увеличивается, так как вес волокна минимален.
Возможность исключить серьезные эксплуатационные проблемы, появляющиеся в случае повреждения конструкций, минимизировать последствия повреждений.

Защита бетона от влаги, арматуры внутри монолита от коррозии благодаря способности волокна создавать водонепроницаемый плотный слой.
Высокая прочность на растяжение – материал демонстрирует значения в диапазоне 4900 МПа.
Простота, высокая скорость монтажа, что позволяет усилить любую конструкцию в малые сроки и без существенных затрат на привлечение людей, техники.
Работы можно проводить без остановки производства, движения транспорта.
Существенная экономия на трудозатратах, времени, финансах.

Общий принцип технологии простой – углеволокно наносят на участки бетонной или железобетонной конструкции в местах наибольшего напряжения. Решение конкретных задач может выполняться с применением сеток, ламелей, лент.

Работы проводятся эффективно и быстро. Любой бетонный или железобетонный элемент восстанавливает свои несущие характеристики, становится защищенным от влаги и коррозии, механических воздействий.

Работы по усилению железобетонных конструкций

Усиление конструкций является очень важной задачей любого ремонтно-строительного процесса, связанного с повышением показателей общей прочности здания. Благодаря усилению удается продлить время эксплуатации элементов и конструкций, возвратить им утраченную несущую способность, улучшить свойства. Часто усиление углеволокном актуально при реставрации железобетонных изделий из-за износа, механических повреждений.

Углеродное волокно – это линейно-упругий полимерный композитный материал, который производится из углеродных нитей толщиной 5-15 микрон. Тонкие волокна выровнены и объединены в микроскопические кристаллы, способные успешно противостоять растяжению. Углеродное волокно по техническим свойствам превосходит металл в несколько раз, поэтому используется в аэрокосмической сфере, оборонной промышленности, строительстве.

Одно из основных преимуществ усиления конструкций углеволокном считается простота реализации задачи. Материал просто нужно правильно наклеить на поверхность упрочняемых элементов на специальные адгезионные составы. Ленты из волокна можно крепить на сжатые/растянутые элементы, пролетные зоны изгибаемых конструкций, короткие стойки, консольные системы, гибкие колонны.

После того, как на конструкцию наклеено волокно, на поверхность наносят специальный полимерцементный состав, делают финишную отделку и красят акриловыми покрытиями.

Усиление углеволокном может применяться для бетонных, железобетонных, металлических, каменных, деревянных конструкций. Метод хорошо подходит для стеновых/потолочных проемов, строительных ферм, стен построек/зданий, плит перекрытия, колонн, иных элементов.

Усиление железобетонных конструкций

Любая конструкция со временем может приходить в негодность либо же изначально быть спроектированной с ошибками. Поэтому появляется необходимость в упрочнении.

Когда нужно выполнять усиление строительных конструкций:

Естественный процесс физического старения и износа материалов, элементов.
Перепланировка помещений с внесением изменений в разного типа несущие конструктивные узлы.
Повреждение конструкции с понижением уровня несущей способности.
Потребность в увеличении этажности здания.
Ошибки в первичном проекте.
Усиление для исключения последствий аварийных ситуаций.
Подвижки грунта.

Железобетонные конструкции могут укрепляться такими способами:

В процессе упрочнения важно отыскать зоны наибольших нагрузок, разметить конструкцию, правильно выполнить подготовительные работы. Участки, на которые планируется клеить композит, нужно тщательно очистить шлифовальным оборудованием. Выбор подходящих методов и решений по упрочнению конструкций осуществляется по проектной документации, созданной на базе исходных данных.

Что учитывается при составлении проекта на усиление ЖБ конструкций:

Результаты обследования, экспертизы объекта (ищут зоны с дефектами и потерей прочности).
Документы по проекту уже созданной конструкции.
Срок эксплуатации объекта.
Информация про гидротехнические и инженерные характеристики участка, которая учитывалась при первичном проектировании, прогнозы возможных подтоплений.
Данные про отличия проектных и реальных значений исполнения узлов, указание отступлений от проекта.
Технологические нагрузки при эксплуатации.
Информация про положение железобетонных конструкций, которая была получена в процессе геодезической съемки.
Реальные характеристики бетона, стали конструктивных узлов.
Все данные про аварийные режимы конструкций, имеющиеся деформации и их причины, про усиленные ранее элементы и узлы.
Сведения про возможные новые нагрузки, ожидания агрессивности среды, особенности эксплуатационного режима.

Как осуществляется усиление конструкций углеволокном:

Поверхность бетона должна быть хорошо подготовлена к композитному усилению – все детали шлифуют по технологии, исключают возможность попадания влаги, удаляют после грязь и пыль. Углеродную ленту можно монтировать сухим/мокрым способом – разница заключается в технологии: в случае применения сухого метода ленту прикладывают к поверхности основания, пропитывают адгезивом.

Если используется мокрый метод – сначала пропитывают, потом монтируют. В таком случае состав наносят на всю поверхность армирующего компонента, дожидаются полного проникновения вещества в структуру и выхода его наружу с бока бетонного основания.

Ламели монтируют так же, но адгезивный состав в таком случае наносят как на бетонную поверхность, так и на армирующий элемент. Сетка углеродная армируется на влажную поверхность бетона.

Усиление перекрытий

Усиление перекрытий углеволокном осуществляется очень часто ввиду того, что материал демонстрирует высокую коррозийную стойкость, не дает дополнительной нагрузки, не меняет внутреннюю геометрию зданий (так как толщина пластины составляет всего 1 миллиметр), долго служит, дает максимальную прочность, не требует применения дополнительного оборудования в процессе выполнения работ. Консервировать объект не нужно, все работы может реализовать небольшая группа работников.

Как выполняется упрочнение перекрытий:

Перекрытия обследуются с целью поиска мест, которые требуют усиления и выполнения расчетов нагрузок.
Создается проект упрочнения перекрытия.
Утверждается итоговая смета.
Все перекрытия очищаются от пыли и мельчайших частиц, чтобы обеспечить максимальную адгезию.
В случае необходимости перекрытие ремонтируется: заделываются трещины, удаляются возможные дефекты.
На перекрытия клеятся листы или ламели углепластика, сверху наносится запечатывающий слой.
В случае необходимости можно присыпать всю поверхность кварцевым песком, что даст лучшее сцепление с материалами отделки.

Расчет усиления железобетонных конструкций

Расчет упрочнения железобетонных конструкций (стен, перекрытий, фундаментов, колонн) и иных систем зданий предполагает ответственную и сложную работу, которая может быть выполнена исключительно профессионалами высокой квалификации. Самостоятельно выполнять расчеты не рекомендуется однозначно. Обычно задачу поручают целым отделам проектных организаций – отыскать специалистов в пределах Москвы и дальних регионов не составит труда.

Какие данные нужны для расчета усиления ЖБ конструкций:

Результаты экспертизы, обследований тех строительных конструкций, что планируется усиливать – без них расчеты осуществить невозможно.
Подробные фото поверхности – очень желательны.
Детальные пояснения, что и как нужно делать.

Обычно расчеты усиления конструкций проводят в течение 1-5 дней, но желательно уточнить, так как срок может зависеть от объемов работ, загруженности специалистов и других не менее важных параметров.

Усиление бетона углеволокном – современный и эффективный метод повышения несущей способности конструкций, устранения последствий аварий, реконструкции старых элементов и упрочнения новых.

Источник

Рост производства пластмасс, армированных углеродным волокном

Углеродные волокна в пластмассах

Использование углеродных волокон в пластмассах имеет долгую историю. Еще в 1879 году Томас Эдисон экспериментировал с углеродными волокнами, сделанными из хлопковых нитей и бамбуковых лент. Фактически, первая лампа накаливания, нагретая электричеством, содержала углеродные волокна.

В 1960-х годах доктор Акио Шиндо из Агентства промышленных наук и технологий Японии разработал углеродное волокно на основе полиакрилонитрила (PAN).Полученное волокно содержало 55% углерода.

Процесс конверсии на основе PAN быстро стал основным методом производства углеродного волокна. Сегодня 90 процентов углеродных волокон изготовлено из полиакрилонитрила (C ₃ H ₃ N) _n или синтетической полукристаллической органической полимерной смолы PAN. Остальные 10% произведены из искусственного волокна или нефтяного пека. Волокна из PAN очень прочные и легкие. Эти волокна связаны термореактивными или термопластичными полимерами, такими как полиэфир, сложный виниловый эфир или нейлон, для изготовления пластика, армированного углеродным волокном, или углеродного FRP.

Добавление углеродного волокна в полимер имеет много преимуществ

Увеличиваются прочность на разрыв и модуль упругости при изгибе, как и температура теплового прогиба или HDT. Кроме того, добавление армирования углеродным волокном уменьшает усадку и коробление.

Каждое углеродное волокно представляет собой длинную тонкую нить, состоящую из тысяч углеродных нитей. Одно волокно имеет диаметр около 5-10 мкм и состоит в основном из углерода. Микроскопические кристаллы в углероде связываются вместе в структуре, которая более или менее выровнена параллельно длинной оси волокна.Именно это расположение кристаллов делает волокна такими прочными.

Классификация по модулю упругости

Углеродные волокна классифицируются по модулю растяжения * волокна. Модуль упругости при растяжении может находиться в диапазоне от 34,8 миллионов фунтов на квадратный дюйм до 72,5-145,0 миллионов фунтов на квадратный дюйм. Сталь имеет модуль упругости 29 миллионов фунтов на квадратный дюйм, поэтому самое прочное углеродное волокно в пять раз прочнее стали.

Волокна

с «низким» модулем упругости имеют модуль упругости ниже 34,8 миллиона фунтов на квадратный дюйм (240 миллионов кПа).Волокна также классифицируются в порядке возрастания модуля упругости на «стандартный модуль», «промежуточный модуль», «высокий модуль» и «сверхвысокий модуль». Углеродные волокна с классом сверхвысокого модуля упругости имеют модуль упругости 72,5–145,0 миллионов фунтов на квадратный дюйм (500–1,0 миллиарда кПа).

Прядение, стабилизация, карбонизация, обработка поверхности и калибровка

Процесс производства углеродного волокна частично химический, а частично механический.
Прядение: PAN прядется с использованием одного из нескольких процессов прядения.Этот шаг важен, потому что он формирует внутреннюю атомную структуру волокна. Затем волокна промываются и растягиваются до необходимого диаметра. Растяжение также помогает выровнять молекулы, чтобы способствовать образованию кристаллов углерода, созданных карбонизацией.
Стабилизация: На этом этапе волокна обрабатываются химикатами, чтобы изменить их линейное соединение на термически стабильную структуру лестничного соединения. Затем нити нагреваются на воздухе, так что они захватывают молекулы кислорода и меняют структуру их атомных связей.
Карбонизация: Затем волокна подвергаются очень сильному нагреву без присутствия кислорода, поэтому волокно не может гореть. Атомы в волокне сильно колеблются, вытесняя большинство неуглеродных атомов в предшественнике.
Обработка поверхности: После карбонизации поверхность волокон плохо сцепляется с материалами, используемыми для изготовления композитных материалов. На этом этапе поверхность волокон слегка окисляется путем погружения в различные газы или жидкости.
Калибр: В этом процессе волокна покрываются покрытием, защищающим их от повреждений во время намотки или ткачества.
Некоторые изделия из углеродного волокна включают удочки, велосипеды, снаряжение для гольфа, теннисные ракетки, детали для самолетов, мостов и автомобилей.
* Модуль упругости — это то, сколько тянущего усилия волокно определенного диаметра может проявить без разрушения. Модуль упругости выражается в фунтах на квадратный дюйм или фунтах на квадратный дюйм.
Вопросы? Дайте мне знать в разделе комментариев ниже.
Ищете дополнительную информацию о пластмассах? Загрузите наше бесплатное руководство!

Что такое композиты CRFP и почему они полезны?

Полимерные композиты, армированные углеродным волокном (CFRP), представляют собой легкие и прочные материалы, используемые в производстве множества продуктов, используемых в нашей повседневной жизни. Это термин, используемый для описания армированного волокном композитного материала, в котором углеродное волокно используется в качестве основного структурного компонента. Следует отметить, что буква «P» в углепластике также может означать «пластик», а не «полимер».»

Как правило, в композитах из углепластика используются термореактивные смолы, такие как эпоксидная смола, полиэфир или винилэфир. Хотя термопластические смолы используются в композитах из углепластика, «термопластичные композиты, армированные углеродным волокном» часто называют их собственным акронимом — композиты из углепластика.

При работе с композитами или в производстве композитов важно понимать термины и сокращения. Что еще более важно, необходимо понимать свойства композитов FRP и возможности различных армирующих материалов, таких как углеродное волокно.

Свойства композитов из углепластика

Композитные материалы, армированные углеродным волокном, отличаются от других композитов FRP, в которых используются традиционные материалы, такие как стекловолокно или арамидное волокно. К преимуществам композитов из углепластика относятся:

Легкий вес: Традиционный композит, армированный стекловолокном, с использованием непрерывного стекловолокна с 70% -ным содержанием стекла (вес стекла / общий вес) обычно будет иметь плотность 0,065 фунта на кубический дюйм.

Между тем, композит CFRP с тем же весом волокна 70% обычно может иметь плотность 0,055 фунта на кубический дюйм.

Повышенная прочность: Не только композиты из углеродного волокна легче, но и композиты из углепластика намного прочнее и жестче на единицу веса. Это верно при сравнении композитов из углеродного волокна со стекловолокном, но даже в большей степени по сравнению с металлами.

Например, неплохое практическое правило при сравнении стали с композитами из углепластика состоит в том, что структура из углеродного волокна одинаковой прочности часто будет весить 1/5 от веса стали.Вы можете себе представить, почему автомобильные компании исследуют использование углеродного волокна вместо стали.

При сравнении композитов из углепластика с алюминием, одним из самых легких используемых металлов, стандартное предположение состоит в том, что алюминиевая структура равной прочности, вероятно, будет весить в 1,5 раза больше, чем структура из углеродного волокна.

Конечно, есть много переменных, которые могут изменить это сравнение. Сорт и качество материалов могут быть разными, и в случае композитов необходимо учитывать производственный процесс, архитектуру волокна и качество.

Недостатки композитов углепластика

Стоимость: Несмотря на то, что это замечательный материал, есть причина, по которой углеродное волокно не используется во всех сферах применения. В настоящее время композиты из углепластика во многих случаях являются дорогостоящими. В зависимости от текущих рыночных условий (спроса и предложения), типа углеродного волокна (аэрокосмический или коммерческий) и размера жгута волокна цена на углеродное волокно может сильно различаться.

Необработанное углеродное волокно по цене за фунт может быть в 5-25 раз дороже, чем стекловолокно.Это несоответствие еще больше при сравнении стали с композитами из углепластика.

Электропроводность: Это может быть как преимуществом композитов из углеродного волокна, так и недостатком в зависимости от области применения. Углеродное волокно обладает высокой проводимостью, а стекловолокно — изоляционными. Многие приложения используют стекловолокно и не могут использовать углеродное волокно или металл строго из-за проводимости.

Например, в коммунальной промышленности требуется, чтобы во многих продуктах использовалось стекловолокно.Это также одна из причин, по которой в качестве перил лестниц используется стекловолокно. Если лестница из стекловолокна соприкоснется с линией электропередачи, вероятность поражения электрическим током будет намного ниже. Это не относится к лестнице из углепластика.

Хотя стоимость композитов из углепластика по-прежнему остается высокой, новые технологические достижения в производстве продолжают обеспечивать возможность создания более рентабельных продуктов. Надеюсь, что в течение нашей жизни мы сможем увидеть экономичное углеродное волокно, используемое в широком спектре потребительских, промышленных и автомобильных приложений.

Углеродные волокна: производство, свойства и возможности использования

Пуджа Бхатт и Алка Го

Старший научный сотрудник, профессор и руководитель отдела одежды и текстиля, G.B.P.U.A and T, Пантнагар

Автор, ответственный за переписку Электронная почта: [email protected]

DOI: http://dx.doi.org/10.13005/msri/140109

История публикации статьи
Статья получена: 30 мая 2017 г.
Статья принята: 5 июня 2017 г.
Статья опубликована: 9 июня 2017 г.
Проверка на плагиат: Да

АННОТАЦИЯ:

Углеродное волокно состоит из атомов углерода, связанных вместе, образуя длинную цепочку.Волокна чрезвычайно жесткие, прочные и легкие и используются во многих процессах для создания превосходных строительных материалов. Углеродный волокнистый материал бывает различных «сырых» строительных блоков, в том числе пряжи, однонаправленной пряжи, переплетения, тесьмы и некоторых других, которые, в свою очередь, используются для создания композитных деталей. Детали из углеродного волокна по своим свойствам близки к стальным, а по весу — к пластиковым. Таким образом, отношение прочности к весу (а также отношение жесткости к весу) детали из углеродного волокна намного выше, чем у стали или пластика.Углеродное волокно чрезвычайно прочное. В инженерии обычно измеряют преимущество материала с точки зрения отношения прочности к весу и отношения жесткости к весу, особенно при проектировании конструкций, где добавленный вес может привести к увеличению стоимости жизненного цикла или неудовлетворительным характеристикам.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

Углеродное волокно; Ткань; Текстиль; Пряжа

Скопируйте следующее, чтобы процитировать эту статью:

Бхатт П., Го А. Углеродные волокна: производство, свойства и потенциальное использование.Математические науки и ресурсы Индии; 14 (1)

Введение

Углеродные волокна или углеродные волокна — это волокна диаметром около 5–10 микрометров, состоящие в основном из атомов углерода. Углеродные волокна обладают рядом преимуществ, включая высокую жесткость, высокую прочность на разрыв, малый вес, высокую химическую стойкость, устойчивость к высоким температурам и низкое тепловое расширение. Эти свойства сделали углеродное волокно очень популярным в аэрокосмической отрасли, гражданском строительстве, военном деле и автоспорте, а также в других соревновательных видах спорта.Однако они относительно дороги по сравнению с аналогичными волокнами, такими как стекловолокно или пластмассовые волокна.

Классификация и виды

Углеродные волокна по модулю упругости, прочности и конечной температуре термообработки можно разделить на следующие категории:

В зависимости от свойств углеродного волокна углеродные волокна можно сгруппировать в:

Сверхвысокий модуль, тип UHM (модуль> 450 ГПа)
Высокомодульный, тип HM (модуль упругости 350-450 ГПа)
Промежуточный модуль, тип IM (модуль между 200-350 ГПа)
Низкомодульный и высокопрочный, тип HT (модуль <100 ГПа, предел прочности> 3.0 ГПа)
Сверхвысокопрочный, тип SHT (предел прочности на разрыв> 4,5 ГПа)

Углеродные волокна на основе материалов-предшественников подразделяются на:

Углеродные волокна на основе ПАН
Углеродные волокна на основе пека
Углеродные волокна на основе мезофазного пека
Изотропные углеродные волокна на основе пека
Углеродные волокна на вискозной основе
Углеродные волокна, выращенные в газовой фазе

Углеродные волокна по температуре окончательной термообработки подразделяются на:

Углеродные волокна, подвергнутые высокой термообработке (HTT), тип I, где конечная температура термообработки должна быть выше 2000 ° C, и может сочетаться с волокном высокомодульного типа.
Углеродные волокна с промежуточной термообработкой (IHT), тип II, где конечная температура термообработки должна быть около или выше 1500 ° C и может быть связана с волокном высокопрочного типа.
Углеродное волокно с низкой термической обработкой, тип III, температура конечной термообработки которого не превышает 1000 ° C. Это низкомодульные и малопрочные материалы.

Производственный процесс

Углеродные волокна из полиакрилонитрила (ПАН):

Сырье

Сырье, используемое для производства углеродного волокна, называется прекурсором.Около 90% производимых углеродных волокон состоит из полиакрилонитрила. Остальные 10% сделаны из искусственного шелка или нефтяного пека. Все эти материалы представляют собой органические полимеры, характеризующиеся длинными цепочками молекул, связанных вместе атомами углерода. Точный состав каждого прекурсора варьируется от одной компании к другой и обычно считается коммерческой тайной. В процессе производства используются различные газы и жидкости. Некоторые из этих материалов предназначены для взаимодействия с волокном для достижения определенного эффекта.Другие материалы предназначены для того, чтобы не вступать в реакцию или предотвращать определенные реакции с волокном. Как и в случае с прекурсорами, точный состав многих из этих технологических материалов считается коммерческой тайной.

Производственный процесс PAN

Рисунок 1

Прядильная

Порошок акрилонитрильного пластика смешивают с другим пластиком, таким как метилакрилат или метилметакрилат, и подвергают взаимодействию с катализатором в обычном процессе суспензионной или растворной полимеризации с образованием полиакрилонитрильного пластика.
Затем пластик превращается в волокна одним из нескольких различных методов. В некоторых методах пластик смешивается с определенными химическими веществами и перекачивается через крошечные форсунки в химическую ванну или камеру закалки, где пластик коагулирует и затвердевает в волокна. Это похоже на процесс, используемый для формирования полиакриловых текстильных волокон. В других методах пластиковая смесь нагревается и перекачивается через крошечные форсунки в камеру, где растворители испаряются, оставляя твердое волокно. Этап прядения важен, потому что во время этого процесса формируется внутренняя атомная структура волокна.
Затем волокна промывают и растягивают до желаемого диаметра волокна. Растяжение помогает выровнять молекулы внутри волокна и обеспечивает основу для образования прочно связанных кристаллов углерода после карбонизации.

Стабилизирующий

Перед карбонизацией волокон их необходимо химически изменить, чтобы преобразовать их линейную атомную связь в более термически стабильную лестничную связь. Это достигается путем нагревания волокон на воздухе примерно до 390-590 ° F (200-300 ° C) в течение 30-120 минут.Это заставляет волокна улавливать молекулы кислорода из воздуха и изменять структуру их атомных связей. Стабилизирующие химические реакции сложны и включают несколько этапов, некоторые из которых происходят одновременно. Они также генерируют собственное тепло, которое необходимо контролировать, чтобы избежать перегрева волокон. В коммерческих целях для процесса стабилизации используется различное оборудование и методы. В некоторых процессах волокна протягиваются через ряд камер с подогревом. В других случаях волокна проходят через горячие валки и через слои сыпучих материалов, удерживаемых во взвешенном состоянии потоком горячего воздуха.В некоторых процессах используется нагретый воздух, смешанный с определенными газами, которые химически ускоряют стабилизацию.

Карбонизация

После того, как волокна стабилизируются, их нагревают до температуры примерно 1,830-5,500 ° F (1,000-3,000 ° C) в течение нескольких минут в печи, заполненной газовой смесью, не содержащей кислорода. Недостаток кислорода предотвращает сгорание волокон при очень высоких температурах. Давление газа внутри печи поддерживается выше, чем давление наружного воздуха, а точки входа и выхода волокон из печи герметизированы, чтобы не допустить попадания кислорода.Когда волокна нагреваются, они начинают терять свои неуглеродные атомы, а также несколько атомов углерода в виде различных газов, включая водяной пар, аммиак, монооксид углерода, диоксид углерода, водород, азот и другие. Когда неуглеродные атомы вытесняются, оставшиеся атомы углерода образуют прочно связанные углеродные кристаллы, которые ориентированы более или менее параллельно длинной оси волокна. В некоторых процессах используются две печи, работающие при двух разных температурах, чтобы лучше контролировать скорость разогрева во время карбонизации.

Рисунок 2

Обработка поверхности

После карбонизации волокна имеют поверхность, которая плохо сцепляется с эпоксидными смолами и другими материалами, используемыми в композитных материалах. Чтобы волокна лучше склеивали, их поверхность слегка окисляется. Добавление атомов кислорода к поверхности обеспечивает лучшие свойства химического связывания, а также травит и делает поверхность шероховатой для улучшения механических свойств связывания.Окисление может быть достигнуто путем погружения волокон в различные газы, такие как воздух, диоксид углерода или озон; или в различных жидкостях, таких как гипохлорит натрия или азотная кислота. На волокна также можно нанести электролитическое покрытие, сделав волокна положительным выводом в ванне, заполненной различными электропроводящими материалами. Процесс обработки поверхности необходимо тщательно контролировать, чтобы избежать образования крошечных дефектов поверхности, таких как ямки, которые могут вызвать повреждение волокна.

Калибровка

После обработки поверхности волокна покрываются покрытием для защиты от повреждений при намотке или плетении.Этот процесс называется калибровкой. Материалы покрытия выбираются таким образом, чтобы они были совместимы с клеем, используемым для формирования композитных материалов. Типичные материалы покрытия включают эпоксидную смолу, полиэстер, нейлон, уретан и другие.
8 Волокна с покрытием наматываются на цилиндры, называемые бобинами. Бобины загружаются в прядильную машину, и волокна скручиваются в пряжу различных размеров.

Недвижимость

Углеродное волокно имеет высокое отношение прочности к массе (также известное как удельная прочность)

Прочность материала — это сила, приходящаяся на единицу площади при разрушении, деленная на его плотность.Любой прочный И легкий материал имеет подходящее соотношение прочности и веса. Такие материалы, как алюминий, титан, магний, углеродное волокно и стекловолокно, высокопрочные стальные сплавы, имеют хорошее соотношение прочности к весу.

Углеродное волокно очень жесткое

Жесткость или жесткость материала измеряется его модулем Юнга и измеряет, насколько материал прогибается под действием напряжения. Пластик, армированный углеродным волокном, более чем в 4 раза жестче, чем пластик, армированный стекловолокном, почти в 20 раз больше, чем сосна, 2.В 5 раз больше алюминия.

Углеродное волокно устойчиво к коррозии и химически устойчиво

Хотя углеродное волокно само по себе не портится, эпоксидная смола чувствительна к солнечному свету и требует защиты. Другие матрицы (независимо от того, в какое углеродное волокно встроено) также могут быть реактивными.

Углеродное волокно электропроводное

Эта функция может быть полезной и мешать. При строительстве лодок это необходимо учитывать, так как в игру вступает проводимость алюминия.Электропроводность углеродного волокна может способствовать гальванической коррозии арматуры. Тщательная установка может уменьшить эту проблему.

Усталостное сопротивление хорошее

Устойчивость к усталости композитов из углеродного волокна — хорошая. Однако, когда углеродное волокно выходит из строя, оно обычно катастрофически выходит из строя, и это не говорит о его неизбежном разрыве. Повреждение в результате усталости при растяжении рассматривается как снижение жесткости при увеличении числа циклов напряжения (если температура не высокая). Испытания показали, что разрушение вряд ли будет проблемой, когда циклические напряжения совпадают с ориентацией волокна.Углеродное волокно превосходит стекло E по усталостной и статической прочности, а также по жесткости.

Углеродное волокно имеет хорошую прочность на разрыв

Предел прочности на разрыв или предел прочности — это максимальное напряжение, которое может выдержать материал при растяжении или растяжении до образования шейки или разрушения. Сужение — это когда поперечное сечение образца начинает значительно сокращаться. Если вы возьмете полоску полиэтиленового пакета, она растянется и в какой-то момент начнет сужаться. Это шею.Он измеряется в силе на единицу площади. Хрупкие материалы, такие как углеродное волокно, не всегда выходят из строя при одном и том же уровне напряжения из-за внутренних дефектов. Они терпят неудачу при малых деформациях.

Испытание включает взятие образца с фиксированной площадью поперечного сечения, а затем его вытягивание, постепенно увеличивая силу, пока образец не изменит форму или не сломается. Волокна, такие как углеродные волокна, имеющие диаметр всего 2 / 10,000 дюйма, превращаются в композиты соответствующей формы для проведения испытаний.

Огнестойкость / невоспламеняющийся

В зависимости от производственного процесса и материала-прекурсора углеродное волокно может быть довольно мягким и его можно использовать в качестве защитной одежды для пожарных или, что более часто, интегрировать в нее.Примером может служить волокно с никелевым покрытием. Поскольку углеродное волокно также химически очень инертно, его можно использовать там, где есть огонь в сочетании с коррозионными агентами. Carbon Fiber Fire Blanket извините за опечатки.

Теплопроводность углеродного волокна

Теплопроводность — это количество тепла, передаваемого через единицу толщины в направлении, нормальном к поверхности единицы площади, из-за единичного температурного градиента в установившихся условиях. Другими словами, это показатель того, насколько легко тепло проходит через материал.

Поскольку существует множество вариаций углеродного волокна, невозможно точно определить теплопроводность. Специальные типы углеродного волокна были специально разработаны для обеспечения высокой или низкой теплопроводности. Также предпринимаются попытки улучшить эту функцию.

Низкий коэффициент теплового расширения

Это мера того, насколько материал расширяется и сжимается при повышении или понижении температуры. Единицы измерения указаны в дюймах / дюймах градусах F, как и в других таблицах, единицы не так важны, как сравнение.При достаточно высокой мачте разница в коэффициентах теплового расширения различных материалов может незначительно изменить натяжение буровой установки. Низкий коэффициент теплового расширения делает углеродное волокно подходящим для применений, где малые движения могут быть критичными. Одно из таких приложений — телескоп и другое оптическое оборудование.

Неядовит, биологически инертен, проницаем для рентгеновских лучей

Эти качества делают углеродное волокно полезным в медицине. Использование протезов, имплантатов и восстановления сухожилий, рентгеновских принадлежностей, хирургических инструментов — все это находится в стадии разработки.Углеродные волокна не ядовиты, но могут вызывать сильное раздражение, поэтому необходимо ограничить длительное незащищенное воздействие. Однако эпоксидная или полиэфирная матрица может быть токсичной, поэтому необходимо соблюдать осторожность.

Углеродное волокно относительно дорого

Несмотря на то, что он предлагает исключительные преимущества прочности, жесткости и снижения веса, его стоимость является сдерживающим фактором. Если преимущество в весе не является исключительно важным, например, в аэронавтике или гонках, оно часто не стоит дополнительных затрат.Дополнительным преимуществом является низкая потребность в обслуживании углеродного волокна.

Трудно количественно охарактеризовать круто и модно. Углеродное волокно имеет ауру и репутацию, которые заставляют потребителей платить больше за то, чтобы иметь его. Возможно, вам понадобится меньше его по сравнению со стекловолокном, и это может быть экономией.

Углеродные волокна хрупкие

Слои волокон образованы прочными ковалентными связями. Листовые агрегаты легко допускают распространение трещин.Когда волокна изгибаются, они выходят из строя при очень низкой деформации.

Приложения

Характеристики и применение углеродных волокон

1. Физическая прочность, удельная вязкость, легкий вес	Авиакосмическая промышленность, автомобильный и морской транспорт, спортивные товары
2. Высокая стабильность размеров, низкий коэффициент теплового расширения и низкое истирание	Ракеты, авиационные тормоза, аэрокосмическая антенна и опорная конструкция, большие телескопы, оптические стенды, волноводы для стабильных высокочастотных (ГГц) прецизионных измерительных рам
3.Хорошее гашение вибрации, прочность и ударная вязкость	Аудиотехника, громкоговорители для Hi-Fi оборудования, звукосниматели, манипуляторы
4. Электропроводность	Автомобильные капоты, новая оснастка, корпуса и основания для электронного оборудования, защита от электромагнитных и радиочастотных помех, щетки
5. Биологическая инертность и рентгеновская проницаемость	Медицинское применение в протезах, хирургическом и рентгеновском оборудовании, имплантатах, восстановлении сухожилий / связок
6.Усталостная прочность, самосмазка, высокое демпфирование	Текстильное оборудование, общее машиностроение
7. Химическая инертность, высокая коррозионная стойкость	Химическая промышленность; ядерное поле; клапаны, уплотнения и компоненты насосов на технологических установках
8. Электромагнитные свойства	Большие стопорные кольца генератора, радиологическое оборудование

Заключение

Последняя разработка в технологии углеродного волокна — это крошечные углеродные трубки, называемые нанотрубками.Эти полые трубки, некоторые из которых имеют диаметр 0,00004 дюйма (0,001 мм), обладают уникальными механическими и электрическими свойствами, которые могут быть полезны при создании новых высокопрочных волокон, субмикроскопических пробирок или, возможно, новых полупроводниковых материалов для интегральных схем.

Список литературы

Франк Э., Херманутц Ф. и Бухмайзер М. Р. Углеродные волокна: прекурсоры, производство и свойства. Макромол. Mater. Eng . 2012; 297: 493–501.
CrossRef
Шаваллер Д., Клаус Б. и Бухмайзер М. Р. Керамические филаментные волокна — Обзор A. Макромол . Mater. Eng . 2012: 297: 502–522.
CrossRef
Хо К., Цянь К. К. и Бисмарк Х. А. Углеродное волокно: свойства поверхности. Энциклопедия композитов Wiley . 2011; 1–11.
Хуанг X. Изготовление и свойства углеродных волокон. Материалы. 2009; 2 : 2369-2403.
CrossRef
Баджадж П., Паливал Д. К., Гупта А. К. Влияние ионов металлов на структуру и свойства акриловых волокон. J. Appl. Polym. Sci. 1998; 67: 1647–1659.
CrossRef
Гудхью П. Дж., Кларк А. Дж., Бейли Дж. Э. Обзор производства и свойств углеродных волокон. Mater. Sci. Англ. 1975; 17: 3–30.
CrossRef

Эта работа находится под международной лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить, хотите ли вы принимать файлы cookie.
Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.
Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.
Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с вашим системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить, хотите ли вы принимать файлы cookie.
Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с вашим системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Что сохраняется в файле cookie?

границ | Короткие полимеры, армированные углеродным волокном: использование лигнина для разработки потенциально устойчивых биокомпозитов на основе природных ресурсов

Введение

Из-за, казалось бы, необратимого следа, который человеческая деятельность уже оставила на Земле, пластмассы среди многих современных промышленных материалов можно найти в геологических отложениях (Waters et al., 2016; Шнайдерман и Хиллмайер, 2017). Таким образом, становится все более очевидным, что новая геологическая эра, «антропоцен», безусловно, наступила благодаря антропогенной деятельности последних десятилетий (Waters et al., 2016). В свете обострения ситуации настало время сделать правильный выбор и рассмотреть возможность использования биоразлагаемых источников при разработке материалов (Chen and Patel, 2012; Sheldon, 2014; Graichen et al., 2017; Schneiderman and Hillmyer, 2017). В результате огромных исследовательских усилий выяснилось, что большинство важных пластиков можно получить из возобновляемых источников (Chen and Patel, 2012; Schneiderman and Hillmyer, 2017), и эти материалы могут быть дополнительно адаптированы для создания устойчивых биокомпозитов для широкого спектра приложений (Mohanty et al., 2018). Для принятия правильных решений необходимо глубокое понимание и адаптация взаимодействий между матричными сегментами в этих биокомпозитах, однако во многих случаях возникают серьезные научные проблемы.

Особые опасения по поводу устойчивости возникают в связи с передовыми конструкциями, которые в последнее время вызывают интерес в нескольких областях и, следовательно, по прогнозам станут ключевыми компонентами в мире материалов будущего. Основываясь на росте рынка и исключительных свойствах (Frank et al., 2014; Witten et al., 2017), полимеры, армированные углеродным волокном, представляют собой материалы, которые должны разрабатываться строго с точки зрения экологичности. В ответ на эти опасения во всем мире началась новаторская работа по производству углеродных волокон из возобновляемых источников (Milbrandt and Booth, 2016). Среди возможных кандидатов лигнин как наиболее распространенный ароматический биополимер оказался очень многообещающим экологически безопасным предшественником, открывающим двери для производства недорогих углеродных волокон из биомассы (Fang et al., 2017). Что касается полимерной матрицы композитов, армированных углеродным волокном, интенсивные исследования были сосредоточены на замене наиболее часто используемой термореактивной эпоксидной матрицы на пригодные для вторичной переработки термопластичные смолы, предназначенные для экологически более безопасных композиций (Yao et al., 2018). Термопластические композиты, армированные коротким углеродным волокном, являются особенно привлекательными материалами для промышленного массового производства из-за их короткого времени производства и возможности вторичной переработки (Fu and Lauke, 1996; Fu et al., 2000; Karsli and Aytac, 2011, 2013; Ozkan et al., 2014; Unterweger et al., 2015).

Последние достижения, достигнутые в нашей лаборатории, обещают получение производных термопластической целлюлозы из биомассы (Kakuchi et al., 2017; Suzuki et al., 2018) и использование этих материалов для изготовления коротких пластиков, армированных углеродным волокном (Szabó et al., 2019a ). Мы также показали, что адгезию между целлюлозной матрицей и углеродным волокном можно улучшить, изменив поверхность углеродного волокна (Szabó et al., 2018a, b, 2019b). Оказалось, что иммобилизация лигнина на поверхности углеродного волокна приводит к значительному улучшению межфазных свойств из-за вторичных взаимодействий между лигнином и полимерной матрицей (Szabó et al., 2019b). Отсюда следует, что лигнин может служить функциональным материалом для улучшения межфазных взаимодействий в зеленых композитах на биологической основе. Чтобы дополнительно проверить эти теории, в данном исследовании мы готовим короткие армированные углеродным волокном композиты с использованием полимеров, которые потенциально могут быть получены из биомассы [производных целлюлозы (Kakuchi et al., 2017; Suzuki et al., 2018) и полиамида 6 (Buntara). et al., 2011; Winnacker and Rieger, 2016)] в качестве модельных материалов и адаптировать межфазные взаимодействия с использованием лигнина в качестве возобновляемого ресурса.

Хотя в нашем предыдущем исследовании мы тщательно изучили межфазные взаимодействия (Szabó et al., 2019b), и, следовательно, модификация поверхности была достигнута с помощью менее привлекательных в промышленном и экологическом отношении химического состава, здесь мы связываем лигнин с поверхностью углеродного волокна с помощью мягкого, экологически чистого доброкачественная и масштабируемая в промышленных масштабах реакция эпоксидирования. Короткие волокна с модифицированной поверхностью внедряются в полимерные матрицы, и макроскопические свойства композитов подробно охарактеризованы.Наши результаты также сравниваются с результатами, полученными для полипропиленовой матрицы, полученной исключительно из нефти.

Экспериментальный

Материалы

Короткое углеродное волокно, используемое в этом исследовании, представляло собой волокно типа PX35 длиной 3 мм, полученное от Zoltek (Toray Group, Сент-Чарльз, Миссури, США). Эти рубленые волокна не имеют проклеивающего агента на поверхности и имеют номинальный диаметр 7,2 мкм. Перед экспериментами волокна сушили в вакуумной печи при 130 ° C в течение 72 ч. В экспериментах по циклической вольтамперометрии из-за экспериментальной установки использовались длинные волокна (T700SC-12000-50C, Toray Industries, Токио, Япония), в этом случае проклеивающий агент был удален в соответствии с нашей ранее разработанной процедурой (Szabó et al., 2018а, б, 2019б).

В качестве матриц на основе целлюлозы были использованы два коммерчески доступных термопластичных эфира (пропионат целлюлозы и бутират ацетата целлюлозы), эти полимеры показали отличную обрабатываемость в предварительных экспериментах. Пропионат целлюлозы ( M _n ≈ 79000 г моль ^-1) был приобретен у Scientific Polymer Products, Inc. (Онтарио, Нью-Йорк, США; каталожный номер 321), величина степени замещения (DS) была определено ранее как DS = 2.76 (92% гидроксильных групп функционализированы) (Szabó et al., 2018a). Бутират ацетата целлюлозы ( M _n ≈ 70000 г моль ^-1) был предоставлен Eastman Chemical Company (Кингспорт, Теннесси, США; каталожный номер 381-20), величина степени замещения следующая: DS _ацетил = 1,00 (33,3% изначально доступных гидроксильных групп), DS _{бутирил} = 1,66 (55,3% изначально доступных гидроксильных групп). Кроме того, смола полиамид 6 (скорость течения расплава 15 г за 10 мин при 230 ° C) была получена от Toray Industries (Токио, Япония; каталожный номер CM1006).Полипропилен (скорость течения расплава 25 г за 10 мин при 230 ° C) был от Japan Polypropylene Corporation (Yokkaichi, Japan; каталожный номер WINTEC ™ WSX03). Целлюлозные смолы и полиамид 6 сушили в вакуумной печи при 120 ° C в течение 1 дня перед экспериментами, и все смолы перед использованием хранили в сухом боксе (содержащем силикагель).

Крафт-лигнин ( M _w ≈ 10000 г моль ^-1; низкое содержание сульфонатов) был приобретен у Sigma Aldrich (Сент-Луис, Миссури, США; лот № 04414PEV), распределение гидроксильных групп определено в нашем предыдущем исследовании (Szabó et al., 2019b): OH _{фенольный} = 2,12 ммоль г ^-1, OH _{алифатический} = 1,65 ммоль г ^-1, OH _{карбоксильный} = 0,59 ммоль г ^-1, OH _всего = 4,36 ммоль г ^-1.

Безводный пиридин, N , N -диметилформамид (ДМФ) и ферроценметанол были предоставлены Sigma Aldrich (Сент-Луис, Миссури, США). Растворители ацетонитрил (ACN) и дихлорметан (DCM) были получены от Naclai Tesque, Inc. (Киото, Япония) и Kanto Chemical (Токио, Япония) соответственно.Все остальные химические вещества были от Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. (Токио, Япония).

Синтетические процедуры

Модификация лигнина

Крафт-лигнин был тозилирован в соответствии с нашей ранее описанной процедурой с использованием тозилхлорида (и пиридина в качестве растворителя), подробное описание можно найти в другом месте (Szabó et al., 2019b). Синтетический метод дает тозилированное производное лигнина с содержанием тозильных групп 0,26 ммоль г ^-1 (рассчитано на основе элементного анализа).Процедура тозилирования необходима для того, чтобы сделать исходный лигнин растворимым в обычном растворителе, используемом для процедуры прививки ( N , N -диметилформамид, см. Рисунок 1).

Рисунок 1 . Типичная схема реакции, изображающая процедуру функционализации (иллюстративный пример).

Модификация поверхности из углеродного волокна

Поверхность углеродных волокон была эпоксидирована в соответствии с недавно описанной процедурой в мягких условиях (Koutroumanis et al., 2018), метод синтеза ранее был разработан для углеродных нанотрубок (Огрин и др., 2006). Процедура прививки представлена на Рисунке 1.

Вкратце, 6 г измельченных углеродных волокон погружают в раствор, содержащий 30 г 3-хлорпероксибензойной кислоты [по сухому весу, обратите внимание, что из-за проблем нестабильности в реагенте содержится около 30% воды; соответствует 29,2 ммоль г ^-1 волокон, в соответствии со стехиометрией, разработанной в наших предыдущих работах (Szabó et al., 2018a, b, 2019b)] в 500 мл дихлорметана.Реакцию проводят в течение 5 минут, и волокна немедленно промывают, используя примерно 1 л дихлорметана, для удаления непрореагировавших реагентов, а затем их помещают в раствор, содержащий 10 г тозилированного лигнина в 300 мл ДМФ. Реакцию проводят при комнатной температуре в течение ночи в двойном шейкере, работающем при скорости 80 мин ^-1 (Double Shaker NR-30, Taitec Corporation, Кошигая, Япония). Функционализированные волокна промывают водой, дихлорметаном и ацетоном. Затем волокна сушат в вакуумном сушильном шкафу при 50 ° C в течение 24 часов.

Следует отметить, что времени реакции 5 мин было достаточно для достижения максимального количества эпоксидных функций на поверхности (Koutroumanis et al., 2018). В соответствии с этими выводами, мы не смогли наблюдать улучшения количества эпоксидных функций, когда мы применили время реакции 10 минут (электрохимический анализ после реакции 3, см. Рисунок 2, обратите внимание, что данные за 10 минут не показаны).

Рисунок 2 . Типичная схема реакции для связывания электрохимического зонда с поверхностью углеродного волокна после стадии эпоксидирования (иллюстративный пример).

Эксперименты по циклической вольтамперометрии

Эксперименты по циклической вольтамперометрии были проведены для подтверждения реакции эпоксидирования и доказательства реакционной способности вновь образованного кислорода функционировать по отношению к алифатической гидроксильной группе. Для этого после реакции эпоксидирования (реакция 1 на фиг. 1) 25 мг углеродных волокон помещали в раствор, содержащий 0,158 г ферроценметанола (0,73 ммоль) в ДМФ, на 24 часа при комнатной температуре. После реакции волокна были тщательно промыты в соответствии с ранее упомянутой процедурой очистки, а затем использованы в качестве рабочих электродов в следующей установке циклической вольтамперометрии.Реакция изображена на рисунке 2.

Трехэлектродная ячейка циклической вольтамперометрии включала в себя вспомогательный платиновый электрод, электрод сравнения Ag / Ag ⁺ (0,01 M AgNO ₃ и 0,1 M перхлорат тетрабутиламмония в ацетонитриле; ALS Co., Ltd, Токио, Япония) и угольный В качестве рабочего электрода использовалось волокно. Вольтамперометрическую ячейку типа SVC3 соединяли с потенциостатом Electrochemical Analyzer Model 1200A компании ALS / CH Instruments (ALS Co., Ltd, Токио, Япония). Дальнейшие экспериментальные детали можно найти в нашей предыдущей работе (Szabó et al., 2019b).

Препарат композитный

Углеродные волокна и смолу смешивали в микрокомпаундере Xplore MC5, оборудованном коротким двухшнековым двигателем, вращающимся в одном направлении (Xplore Instruments BV, Ситтард, Нидерланды). Композиты были подвергнуты стадии литья под давлением с использованием машины для литья под давлением Imoto IMC-5705 для подготовки стандартных образцов в форме гантелей (JIS K 7161-2: 2014 1BA) для механических испытаний. Детали экспериментов для каждого типа смол приведены в таблице 1.

Таблица 1 . Условия обработки для стадий экструзии и литья под давлением.

Характеристики текучести смол были проанализированы с использованием капиллярного реометра экструзионного типа с постоянным испытательным усилием Shimadzu CFT-500EX (Киото, Япония) в соответствии с нашими ранее описанными процедурами (Szabó et al., 2019a). Характеристики текучести чистых полимеров можно найти в дополнительном материале (рисунок S1).

Механический тест

Испытание на растяжение было выполнено в соответствии со стандартом JIS K7161 (в соответствии с ISO 527) с использованием прибора для испытания на растяжение Shimadzu Autograph AG-X Plus 5 кН (Киото, Япония), оснащенного бесконтактным экстензометром видеонаблюдения (TRViewX, Shimadzu; Киото, США). Япония).Скорость крейцкопфа составляла 5 мм мин. ^-1, и было приложено давление зажима 0,5 МПа. Для каждого состава было приготовлено по десять образцов.

Множественный тест t был проведен для выявления статистически значимых различий (со значением P <0,05) в результатах теста на растяжение, предполагая, что данные представляют совокупность с равной дисперсией.

Анализ поверхности

рентгеновских фотоэлектронных спектров зарегистрировано на приборе Thermo Scientific K-Alpha X-ray Photoelectron Spectrometer System с использованием монохроматизированного рентгеновского излучения Al K _α (1486.6 эВ, 36 Вт; Уолтем, Массачусетс, США). Данные были собраны для пятна размером 400 мкм, а шкала энергии связи была откалибрована по пику углеводорода C1s при 285,0 эВ. Обзорные спектры были получены с разрешением 1 эВ, а спектры высокого разрешения C1s, N1s, O1s и S2p были записаны с использованием энергии прохождения 20 эВ и спектрального разрешения 0,1 эВ. Данные обрабатывали с помощью программного обеспечения Thermo Scientific Avantage Software версии 5.89 (Уолтем, Массачусетс, США). Перекрывающиеся пики были разрешены с использованием метода Пауэла с алгоритмом Gauss-Lorentz Mix и встроенным алгоритмом Smart для коррекции фона.

Морфологический анализ выполняли с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа (FE-SEM) JSM-7610F с рабочим расстоянием 8 мм и ускоряющим напряжением 15 кВ (JEOL, Токио, Япония). Перед анализом слой Au / Pd напыляли на поверхность образца с использованием оборудования типа Hitachi E1030 и времени осаждения 40 с (Hitachi, Ltd., Токио, Япония).

Термический анализ

Термогравиметрический анализ выполняли с использованием термического анализатора Shimadzu DTG-60AH (Shimadzu Corporation, Киото, Япония) при скорости нагрева 20 ° C мин. ^-1 в атмосфере азота.Эксперименты по дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) проводили на оборудовании Shimadzu DSC-60A Plus (Shimadzu Corporation, Киото, Япония) для определения температуры стеклования полимеров и их композитов. Термограммы ДСК были записаны в диапазоне от -50 до 250 ° C с использованием скорости нагрева 10 ° C мин. ^-1 и скорости охлаждения 50 ° C мин. ^-1. Второй цикл нагрева анализировали для определения температуры стеклования.

Анализ длины волокна

Углеродные волокна были извлечены из полученных композитов с использованием ДМФА в качестве растворителя в случае целлюлозных матриц.Кроме того, для композитов на основе полиамида 6 и полипропилена матрица была отделена от волокон посредством процесса обжига, проводимого при 550 ° C в течение 10 минут в электрической печи (тип ROP-001, ASONE Corporation, Осака, Япония), и полученные волокна были диспергированы в воде (Fu et al., 2000; Karsli, Aytac, 2013). Оптические изображения волокон записывали на микроскопе Olympus BX50 (Токио, Япония). Изображения были проанализированы с помощью программы ImageJ, дополненной алгоритмом обнаружения гребней / линий (Steger, 1998).

Результаты и обсуждение

В нашей предыдущей работе было выявлено, что лигнин может улучшить устойчивость к сдвигу на границе раздела углеродное волокно-матрица в композитах на основе зеленой целлюлозы (пропионат целлюлозы) и коммерчески доступных композитах на основе эпоксидной смолы (Szabó et al., 2019b). Исключительно высокая прочность на межфазный сдвиг наблюдалась, поскольку разрушение матрицы происходило до разрушения поверхности раздела. Стимулируемые функциональной и зеленой природой лигнина, мы решили сделать шаг вперед и расширить процесс, используя промышленно привлекательные экологически чистые химические вещества.Кроме того, нас интересовал не только макроскопический / механический результат модификации поверхности, но также было любопытно, как выражаются межфазные эффекты для различных типов матриц с потенциалами устойчивости. Поэтому в дополнение к двум целлюлозным матрицам (пропионат целлюлозы и бутират ацетата целлюлозы) мы расширили нашу работу на полиамид 6, который в будущем может быть получен с использованием сахаров C ₆, полученных из лигноцеллюлозных биомасс (Buntara et al., 2011). Кроме того, мы также сравниваем эти результаты с потенциально неустойчивой полностью основанной на нефти полипропиленовой матрицей.

Модификация поверхности из углеродного волокна

Наша процедура модификации поверхности была вдохновлена удобным и эффективным способом функционализации боковой стенки нанотрубок, использующим реакции раскрытия кольца между вновь генерируемыми эпоксидными функциями и нуклеофильными агентами (Markiewicz et al., 2014). Кроме того, недавно для углеродных волокон был применен процесс эпоксидирования, что выявило неразрушающий, короткий и безвредный характер процедуры функционализации (Koutroumanis et al., 2018). Наша обработка поверхности начинается с обычной реакции эпоксидирования, проводимой с использованием коротких углеродных волокон, которые сразу же вступают в контакт с тозилированным производным лигнина (рис. 1). Основная цель реакции тозилирования — сделать производное лигнина растворимым в ДМФ. Процедура тозилирования, принятая в нашем предыдущем исследовании (Szabó et al., 2019b), дает производное лигнина с содержанием тозильных групп 0,26 ммоль г ^-1 (с участием ряда алифатических и ароматических гидроксильных групп из-за проблем с растворимостью ³¹ P-ЯМР эксперименты не могут быть выполнены для исследования профиля распределения гидроксильных групп), и оставляет 4.1 ммоль г ^-1 свободных гидроксильных групп позади. Ожидается, что эти свободные гидроксильные группы будут реагировать с эпоксидными группами, присутствующими на поверхности углеродного волокна. Нуклеофильная атака на эпоксид обычно следует механизму S _N 2, однако по стерическим причинам (реакция потребует 180 ° атаки на эпоксидный углерод) это не может иметь место на поверхности углеродных волокон. Тем не менее, возможно, что реакция в конечном итоге будет протекать через промежуточный карбокатион, как это было показано ранее на оксидах арена (Loew et al., 1980). Реакции на поверхностях часто протекают по атипичным путям из-за стерических эффектов, нуклеофильная атака на поверхность эпоксидированного углеродного волокна может представлять интересный пример, который заслуживает дальнейшего внимания.

Образование эпоксидных групп, их реакционная способность, а также их количество были исследованы с помощью экспериментов циклической вольтамперометрии. В этих экспериментах эпоксидированные углеродные волокна реагировали с ферроценметанолом для иммобилизации окислительно-восстановительного зонда на поверхности (рис. 2).После этого волокна применялись в качестве рабочих электродов в трехэлектродной установке циклической вольтамперометрии. Записанные вольтамперограммы показаны на рисунке 3. По анодному и катодному пикам можно рассчитать стандартный потенциал электрода E ⁰ = 0,15 В относительно Ag / AgNO ₃, что типично для ферроценовых структур, ковалентно связанных. к поверхности электродов (Umaña et al., 1980; Goff et al., 2010). Электрохимический отклик не меняется в течение нескольких циклов, что позволяет предположить, что стабильные структуры были иммобилизованы на подложках.Кроме того, в параллельных экспериментах возможность π-π-стэкинг-взаимодействий была полностью исключена, поскольку, когда ферроцен применялся в реакции 3 (рис. 2) вместо ферроценметанола, не было получено никакого электрохимического отклика (рис. 3, вставка A). Возможность взаимодействия водородных связей между ферроценметанолом и поверхностными функциональными группами [-OH, -COOH и -NH ₂ составляющих, которые, как известно, присутствуют на поверхности углеродного волокна (Xie and Sherwood, 1989)], также была исключена как отсутствие электрохимических ответ можно увидеть для соответствующего контрольного образца на рисунке 3 (вставка B).Интегрируя анодный / катодный ток (на рисунке 3), можно рассчитать количество перенесенных электронов и, таким образом, определить количество молекул. Согласно этим расчетам, покрытие поверхности составляет 6,5 × 10 ¹¹ молекул мг ^-1. Это значение намного ниже, чем сообщалось в нашем предыдущем исследовании (Szabó et al., 2019b), где мы использовали гораздо более агрессивный химический состав (реакция, опосредованная свободными радикалами). Однако считается, что высокое покрытие поверхности может не быть необходимым для полимерных подложек, имеющих в своей структуре большое количество реактивных функций.Таким образом, результаты экспериментов по циклической вольтамперометрии показывают, что реакция эпоксидирования может быть подходящей мерой для ковалентного связывания лигнина с поверхностью углеродного волокна.

Рисунок 3 . Циклическая вольтамперограмма, записанная с использованием углеродных волокон в качестве рабочих электродов, функционализированных посредством реакции 3 (рис. 2). На вставке A показан отклик циклической вольтамперометрии контрольного образца; в этом случае реакцию 3 проводили с ферроценом вместо ферроценметанола, чтобы наблюдать любые помехи, возникающие из-за взаимодействий π-π стэкинга.На вставке B показан другой контрольный образец, в этом случае немодифицированные углеродные волокна (перед эпоксидированием) инкубировали с ферроценметанолом в условиях, описанных в реакции 3, чтобы исследовать возможность взаимодействия водородных связей с поверхностными функциональными группами (-OH, -COOH и — NH ₂ фрагментов).

Для подтверждения иммобилизации лигнина на поверхности были записаны рентгеновские фотоэлектронные спектры C1s, O1s и S2p с высоким разрешением немодифицированных и функционализированных образцов углеродного волокна, результаты показаны на рисунке 4.Спектры C1s с высоким разрешением немодифицированных / модифицированных образцов (рис. 4A, B) могут быть разделены на основной пик с центром при ~ 285 эВ, типичный для графитового углерода, присутствующего в структуре углеродных волокон (Xie and Sherwood, 1989; Zhang et al., 2008). Спектр C1s немодифицированного образца (рис. 4A) состоит из пиков, обычно относящихся к C-OH / COC (286,00 эВ; обратите внимание, что фрагменты C = N также дают сигнал вокруг этой области), C = O (287,28 эВ) и –COOH. (288,81 эВ) группы (Xie, Sherwood, 1989).Кроме того, пик, расположенный при более высоких энергиях (290,58 эВ), приписывается π-π ^* встряхивающим спутникам (Xie and Sherwood, 1989; Zhang et al., 2008). Кроме того, в спектре O1s (рис. 4C) преобладает пик с центром при 531,83 эВ, относящийся к C = O или COC-фрагментам (Xie and Sherwood, 1989), в то время как пики, расположенные при 533,58 и 535,98 эВ, обычно относятся к C = O группам и, вероятно, к некоторому хемосорбированному кислороду, соответственно (Xie and Sherwood, 1989). После процесса функционализации увеличение интенсивности пика, расположенного при ~ 286 эВ, наблюдается в спектре C1s (рис. 4B), этот пик был отнесен к функциям –C-OH / C-O-C.Кроме того, пиковая интенсивность при более высоких энергиях уменьшается, функции C = O и –COOH дают сигналы вокруг этой области. Спектр O1s также заметно меняется после процесса функционализации (рис. 4D). В нем преобладает пик, присвоенный группам C-OH, а ранее преобладающий пик, возникающий из сигналов C = O, значительно подавлен. Таким образом, совпадение спектров C1s и O1s друг с другом свидетельствует о том, что нанесенная на поверхность структура имеет большое количество –ОН-групп, характерных для лигнина.Кроме того, хотя немодифицированное углеродное волокно не имеет серы на своей поверхности, после процесса функционализации сера может быть четко обнаружена (рисунки 4C, D, вставки). Широкая характеристика пика, которая наблюдается в спектре S2p функционализированного образца, указывает на присутствие нескольких типов серосодержащих функций, что является разумным, поскольку крафт-лигнин изначально имеет серу в своей структуре, и сера также включена в тозильные группы. после процесса тозилирования. Следует отметить, что на основании анализа XPS поверхность, покрытая лигнином, имеет свободные гидроксильные группы, а также тозильные функции.Это разумно, поскольку гидроксильные группы лигнина были замещены лишь частично, как упоминалось ранее. В результате анализа XPS химический состав образца функционализированного углеродного волокна соответствует структурным особенностям производного лигнина.

Рисунок 4 . Рентгеновские фотоэлектронные спектры образцов углеродного волокна до модификации (A, C) и после иммобилизации лигнина на поверхности высокого разрешения C1s (A, B) , O1s (C, D) и S2p (вставки) (Б, Д) .

На микрофотографии немодифицированного образца FE-SEM видны бороздки, типичные для немодифицированных образцов углеродного волокна (рис. 5), при этом очевидно, что полимерное покрытие присутствует на поверхности после процесса функционализации. Осажденное лигниновое покрытие составляет на поверхности субмикронный слой.

Рисунок 5 . Микрофотографии FE-SEM образцов углеродного волокна до (верхняя часть) и после (нижняя часть) процесса функционализации, выполненного с производным лигнина.

Мы также выполнили термогравиметрический анализ (ТГА), чтобы получить дополнительную информацию о количестве покрытия на волокнах, результаты анализа ТГА показаны в дополнительном материале (рисунок S2). Учитывая, что при 800 ° C происходит потеря веса около 44% образца тозилированного лигнина, и предполагая, что тот же процесс происходит на поверхности углеродного волокна, мы можем предсказать, что около 3% лигнина присутствует в виде покрытия на поверхности по массе. Количество лигнинового покрытия на углеродном волокне можно контролировать, уменьшая количество эпоксидных функций на поверхности (например,g., изменяя время реакции, обратите внимание, что количество эпоксидных функций на поверхности в нашем исследовании выходит на плато), этот вопрос будет предметом будущих экспериментов по оптимизации.

В следующих разделах будут приготовлены короткие композиты, армированные углеродным волокном, с использованием углеродных волокон с модифицированной поверхностью (вместе с немодифицированными контрольными образцами), и их механические свойства будут оцениваться в свете их морфологических особенностей, распределения длины волокна и ориентации волокна в композит.

Влияние модификации поверхности на механические и морфологические свойства композитов, армированных коротким углеродным волокном

Механические свойства армированного короткими волокнами композита можно обсудить в свете ряда взаимосвязанных явлений, включающих межфазные взаимодействия, длину волокна и факторы распределения ориентации, причем последние два чрезвычайно чувствительны к условиям обработки (Fu and Lauke, 1996; Molnár et al., 1999; Fu et al., 2000; Karsli, Aytac, 2011, 2013; Ozkan et al., 2014; Ли и др., 2015; Unterweger et al., 2015). Механические свойства (σ _cu — прочность композита) можно предсказать с использованием часто упоминаемого модифицированного правила теории смесей, как это показано в уравнении 1 (Fu and Lauke, 1996; Fu et al., 2000; Ozkan et al. др., 2014; Li et al., 2015):

.
σcu = χ1χ2Vfσl + Vmσm (1)

, где σ _l и σ _m — прочность, V _f и V _m — объемная доля волокна и матрицы, соответственно.χ ₁ и χ ₂ — коэффициенты ориентации волокна и длины волокна соответственно. В этом выражении (уравнение 1) межфазные взаимодействия включены в χ ₂, поскольку оно включает критическую длину волокна ( l _c), определяемую уравнением 2 в соответствии с моделью Келли-Тайсона (Kelly and Tyson, 1965). ):

, где σ _fu — прочность волокна на разрыв при критической длине [определенная с помощью экспериментов по прочности на разрыв отдельных волокон (Kettle et al., 1997)], r — радиус волокна, а τ — межфазная прочность на сдвиг, характеризующая взаимодействия волокна с матрицей.

Согласно этим теориям, результаты механических испытаний будут обсуждаться с точки зрения межфазных взаимодействий [морфология поверхностей разрушения (см. Рисунки S3–10)], ориентации волокон и аспектов распределения длины волокон (см. Рисунки S11–14). В нашей предыдущей работе было показано, что лигнин может улучшать межфазную адгезию за счет вторичных взаимодействий и, вероятно, также из-за пластифицирующих эффектов, и, таким образом, он может служить функциональным материалом на границе раздела (Szabó et al., 2019b). Межфазные механические свойства не будут далее определяться для различных матриц в данном документе (после этого будут изучены морфологические изменения на поверхностях изломов). Возможность переноса ранее обнаруженных полезных межфазных эффектов на макроскопические свойства различных композитов будет в центре внимания следующих разделов.

Композиты на основе целлюлозных матриц

Результаты испытаний на растяжение композитных образцов, приготовленных с использованием матриц пропионата целлюлозы (CP) и ацетатбутирата целлюлозы (CAB), показаны на рисунках 6A, B, соответственно (значения деформации при разрыве показаны на рисунках 7A, B).Прочность на разрыв чистых полимеров очень близка друг к другу (~ 80 МПа, см. Рисунки 6A, B). Тем не менее, CP и CAB показывают совершенно разные ответы на наличие волокон. Предел прочности на разрыв сначала снижается, когда в матрице CP присутствует 5 мас.% Короткого углеродного волокна (рис. 6A), однако для матрицы CAB может наблюдаться увеличение прочности на разрыв. В предыдущих исследованиях было замечено, что присутствие волокон в композите может привести как к увеличению, так и к снижению прочности композита (Fu et al., 2000). Из-за сдвига, который возникает на этапах экструзии и литья под давлением при изготовлении композитов, начальная длина волокна (3 мм) значительно уменьшается (в нашем исследовании средняя длина волокна составляет 50–100 мкм (рис. 8), аналогичные результаты могут быть получены обнаружены в других исследованиях (Molnár et al., 1999; Karsli and Aytac, 2013; Ozkan et al., 2014; Li et al., 2015). Когда длина волокна падает ниже критической длины, определяемой межфазными взаимодействиями, волокна не обладают значительными усиливающими эффектами, однако их простое присутствие может снизить механические свойства, поскольку они могут служить ядрами для образования и распространения трещин, ведущих к разрушению материала (Fu and Lauke, 1996; Molnár et al., 1999). Длина волокна, наблюдаемая в нашем исследовании, намного меньше критической длины волокна, определенной в нашей предыдущей работе для матрицы из пропионата целлюлозы (~ 840 мкм) (Szabó et al., 2018a, b), что делает возможным отсутствие армирования при низкое содержание клетчатки в матрице CP. В то же время не ожидается, что критическая длина волокна существенно различается для CAB-матрицы. Поэтому удивительно, что в этом случае можно наблюдать увеличение прочности на разрыв, поскольку в композит входит 5 мас.% Волокна (рис. 6В).Различие между матрицами CP и CAB, возможно, связано с вариациями свободы движений полимерных цепей в полученных композитах. Добавление к композиту сегментов жесткого волокна ограничивает движение молекулярных цепей и увеличивает вероятность образования микротрещин (Karsli and Aytac, 2011). Поскольку молекулярная масса CAB ( M _n ≈ 70000 г моль ⁻¹) меньше по сравнению с CP ( M _n ≈ 79000 г моль ⁻¹), подвижность полимера цепи могут быть выше для CAB.Это может быть связано с меньшей степенью развития и накопления стресса, когда в матрице CAB присутствуют жесткие сегменты, что объясняет наши выводы. Однако следует отметить, что увеличение количества кристаллических областей также может быть связано с более ограниченной подвижностью полимерной цепи (в дальнейшем это не оценивается здесь).

Рисунок 6 . Значения прочности на разрыв и модуля упругости для (A) пропионата целлюлозы (CP), (B) бутирата ацетата целлюлозы (CAB), (C) полиамида 6 (нейлон 6) и (D) полипропилена ( Композиты на основе полипропилена.CF, углеродное волокно; MCF, модифицированное углеродное волокно (с лигниновым покрытием).

Рисунок 7 . Значения деформации при разрыве для (A) пропионата целлюлозы (CP), (B) бутирата ацетата целлюлозы (CAB), (C) полиамида 6 (нейлон 6) и (D) полипропилена (PP) композиты на основе. CF, углеродное волокно; MCF, модифицированное углеродное волокно (с лигниновым покрытием).

Рисунок 8 . Средняя длина волокна в композитных образцах. CF, углеродное волокно; MCF, модифицированное углеродное волокно (с лигниновым покрытием).

В то же время, как для матриц CP, так и для CAB-матриц наблюдается монотонное увеличение модуля упругости с увеличением содержания волокна по мере образования более жесткого материала. Известно, что модуль упругости в основном зависит от объемной доли волокна, и поэтому в нашем исследовании не может быть обнаружена строгая корреляция с длиной волокна или модификацией поверхности (рис. 6A, B) (Molnár et al., 1999; Fu et al. др., 2000).

За начальным снижением прочности на разрыв следует монотонное увеличение по мере увеличения содержания волокна в матрице пропионата целлюлозы (рис. 6А).Прочность на растяжение дополнительно увеличивается, когда лигнин иммобилизован на поверхности (при загрузке углеродного волокна 20 мас.% Может быть получено улучшение прочности на разрыв примерно на 8% по сравнению с чистой полимерной матрицей). Поскольку присутствие лигнина увеличивает адгезию волокна к матрице для матрицы пропионата целлюлозы (Szabó et al., 2019b), нагрузка, прикладываемая во время испытания на растяжение, более эффективно передается на изначально более прочное волокно, что в конечном итоге приводит к более высокой прочности на разрыв. Эту улучшенную адгезию волокна к матрице можно четко заметить на поверхностях излома (Рисунок 9, Композит с пропионатом целлюлозы), поскольку после процесса функционализации полимер прикрепляется к поверхности волокна, а также наблюдается плотное соединение между матрицей и волокнами по сравнению с композитом. содержащие нефункционализированные волокна.Кроме того, по мере того, как волокна включаются в матрицу, величина деформации при разрыве уменьшается до половины, не проявляя значительной зависимости от объемной доли волокна или модификации поверхности (рис. 7A). Снижение деформации при разрыве объясняется наличием жесткого наполнителя, который ограничивает подвижность полимерной цепи и, таким образом, способствует образованию микротрещин (Karsli and Aytac, 2011). Кроме того, также известно, что из-за накопления напряжения на концах волокна величина деформации при разрыве уменьшается с увеличением количества концов волокна (Fu et al., 2000; Карсли, Айтадж, 2011, 2013). В нашем случае оказывается, что хрупкость материала уже достигает своего предела после добавления 5 мас.% Углеродного волокна в композит (т.е. дальнейшего снижения деформации при разрыве не наблюдается). Средняя длина волокна не показывает заметных изменений с увеличением содержания волокна для матрицы CP (Рисунок 8; распределение длины волокна можно найти на Рисунке S11). Интересно, что при наличии лигнина на поверхности длина волокна заметно уменьшается.Это явление можно объяснить с точки зрения усиленного взаимодействия волокна с матрицей, которое приводит к развитию повышенного напряжения сдвига во время приготовления композита.

Рисунок 9 . Поверхности излома композитных образцов, содержащих 20 мас.% Углеродного волокна. На фотографиях слева и справа изображены образцы композитов, приготовленные из немодифицированных и модифицированных углеродных волокон соответственно.

Увеличение прочности на разрыв можно заметить для матрицы CAB с увеличением содержания немодифицированного волокна (Рисунок 6B).Однако прочность на разрыв снижается, когда к матрице добавляются волокна с модифицированной поверхностью, что указывает на то, что покрытие из лигнина приводит к неблагоприятным взаимодействиям между волокном и матрицей. В соответствии с этим явлением поверхности излома не указывают на улучшенную адгезию матрицы к волокнам (Рисунок 9), а также средняя длина волокна остается относительно постоянной с увеличением содержания волокна (Рисунок 8; распределение длин волокон можно найти на Рисунке S12). предупреждение плохого взаимодействия волокна с матрицей. Это плохое взаимодействие может быть связано с наличием более длинных бутирильных цепей по сравнению с пропионильными группами в CP (обратите внимание, что степень замещения составляет DS _{бутирил} = 1.66 и DS _ацетил = 1,00 для CAB и DS _{пропионил} = 2,76 для CP), что может ограничивать вторичные взаимодействия (стерические причины или из-за повышенной гидрофобности CAB) между лигнином и группами –OH и C = O производное целлюлозы. Кроме того, величина деформации при разрыве существенно не изменяется с увеличением содержания волокна до 10 мас.% Загрузки волокна и снижается до половины, когда в композите присутствует 20 мас.% Волокон. Это падение может быть связано с более толстым поверхностным слоем в этом типе композита, содержащего волокна, перпендикулярные направлению потока (см. Рисунок S6), это выравнивание также может быть связано со слабым взаимодействием полимера с волокном.При содержании углеродного волокна 10 мас.% (Поверхность немодифицированного волокна) достигается максимальная прочность на разрыв ~ 94 МПа (улучшение ~ 20% по сравнению с чистой полимерной матрицей, рис. 7В), в то время как хрупкость материала существенно не меняется по сравнению с с чистым полимером (см. значения деформации при разрыве на рисунке 7B). Таким образом, этот тип композита имеет превосходные свойства по сравнению с любыми другими полимерами на основе целлюлозы, армированными короткими углеродными волокнами, полученными в данном исследовании.

Композиты на основе полиамида 6

Результаты испытаний на растяжение композитов, полученных с использованием полиамида 6 в качестве матрицы, показаны на рисунках 6C, 7C.Прочность на разрыв и модуль упругости значительно увеличиваются по мере добавления волокон к этому полимеру, и кажется, что модификация поверхности не влияет на эти свойства. Значительное увеличение прочности на разрыв достигается при загрузке волокна 20 мас.% С исключительным улучшением на ~ 250% (~ 136 МПа; рис. 6С, немодифицированные волокна) по сравнению с чистым полимером. Это значительное улучшение можно отнести к очень хорошей адгезии волокна к матрице, что можно увидеть на поверхностях излома на Рисунке 9. И функционализированные, и нефункционализированные волокна хорошо покрыты полимером, межфазный слой выдерживает приложенную нагрузку во время испытание на растяжение, и оказалось, что сначала происходит разрушение матрицы.Ориентация волокон на коже и в сердцевине образца параллельна направлению потока (см. Рисунки S7, S8), что также является преимуществом с точки зрения механических свойств. В этой работе немодифицированные короткие волокна не имеют проклеивающего агента на поверхности, и, похоже, это приводит к благоприятным взаимодействиям между волокном и полимером. В предыдущем исследовании были применены короткие волокна с проклеивающим агентом, в этом случае на поверхностях излома волокна хорошо отделены от матрицы, и также можно было получить меньшее улучшение результатов прочности на разрыв по сравнению с нашими результатами (при 20 Сообщается, что при нагрузке углеродного волокна предел прочности на разрыв составляет ~ 90 МПа) (Karsli and Aytac, 2013).

Длина волокна в композитах на основе полиамида 6 в основном остается большей по сравнению с целлюлозными матрицами (рис. 8). Кроме того, можно отметить интересное явление в отношении деформации при значениях разрыва, поскольку поверхность углеродного волокна функционализирована лигнином, деформация разрушения увеличивается (рис. 7C). Такое увеличение может быть связано с эффектами пластификации, действующими на границе раздела, которые могут помочь рассеять напряжение вдоль оси волокна, в конечном итоге делая материал менее склонным к накоплению напряжений.Когда 20 мас.% Углеродного волокна внедряется в матрицу, величина деформации при разрыве заметно улучшается независимо от модификации поверхности. Это может быть связано с взаимодействием волокна с волокном [«эффект моста» (Fu et al., 2000)] из-за высокой нагрузки волокна, помогающей рассеивать напряжение.

Следует отметить, что композит на основе полиамида, содержащий 20 мас.% Углеродного волокна, имеет превосходные характеристики с точки зрения прочности на разрыв и деформации разрушения.

Композиты на основе полипропилена

По результатам испытаний на растяжение очевидно, что полипропиленовые композиты, армированные коротким углеродным волокном, имеют худшие механические свойства по сравнению с другими композитами, приготовленными в этом исследовании (рис. 6D).Прочность на разрыв немного увеличивается при загрузке волокна 5 и 10 мас.% (Увеличение на ~ 14% по сравнению с чистым полимером) и достигает ~ 40 МПа при содержании волокна 20 мас.% (Увеличение на ~ 50% по сравнению с чистым полимером). Большое увеличение при относительно высокой нагрузке волокна объясняется взаимодействием волокна с волокном, приводящим к «эффектам моста» (Fu et al., 2000). Похоже, что модификация поверхности отрицательно влияет на механические свойства, так как можно заметить небольшое снижение прочности на разрыв. Разумно думать, что изначально гидрофильный лигнин с группами -ОН и -СООН в своей структуре не будет устанавливать полезных вторичных взаимодействий с полипропиленовой матрицей, которая имеет гидрофобный характер.На поверхностях излома можно наблюдать разделение волокна и матрицы, которое становится более значительным после модификации поверхности (Рисунок 9). Однако совместимость между полипропиленом и лигнином может быть улучшена, если лигнин функционализирован алифатическими группами, как это было показано в других исследованиях нашей лаборатории (Sakai et al., 2018a, b). Модуль упругости монотонно увеличивается (рис. 6D) с нагрузкой волокна, это соответствует предыдущим отчетам, в которых указывалось, что это механическое свойство в основном зависит от объемной доли волокна и в меньшей степени зависит от других факторов (Molnár et al., 1999; Fu et al., 2000). Средняя длина волокна в этих композитах остается относительно большей по сравнению с другими случаями из-за плохого взаимодействия волокна с матрицей (рис. 8). Кроме того, в то время как материал сохраняет свою пластичность при нагрузке волокна 5 мас.%, Деформация разрушения падает до низкого значения после включения 10 мас.% Волокна в полимерную матрицу (рис. 7D).

Термический анализ

Ранее было показано, что наличие волокон влияет на температуру стеклования ( T _г) полимера (Rezaei et al., 2009; Карсли, Айтадж, 2013). Сообщалось, что при низкой загрузке углеродного волокна волокна могут увеличивать степень кристалличности полимерной матрицы за счет увеличения скорости роста кристаллов и количества центров зародышеобразования, однако они могут оказывать противоположные эффекты по мере увеличения количества волокна в матрице ( Карсли, Айтадж, 2013). Кроме того, было также показано, что температура стеклования увеличивается с увеличением длины волокна (Rezaei et al., 2009). Из этих исследований ясно, что температура стеклования композитов, армированных коротким углеродным волокном, является результатом сложного взаимодействия многих факторов.

Значения температуры стеклования были определены для целлюлозных матриц и полиамида 6 (полипропилен, используемый в этом исследовании, представляет собой статистический сополимер, катализируемый металлоценом, что затрудняет анализ широкого диапазона стеклования, возникающего во время термического анализа), в том числе композиты с 20 мас.% загрузки волокна (была выбрана самая высокая нагрузка волокна, так как количество проклейки на поверхности составляет всего ~ 3 мас.%). Как видно из таблицы 2, на значение T _г присутствие волокон существенно не влияет в случае целлюлозных матриц, однако небольшое уменьшение происходит, когда лигнин присутствует на поверхности.Значение T _г уменьшается более значительно для полиамида 6 после добавления волокон, и еще более резкое падение наблюдается при применении волокон, покрытых лигнином. Подобная тенденция, которую можно наблюдать для этих полимерных матриц, указывает на то, что может иметь место подобное явление, которое в конечном итоге определяет стеклование в этих материалах, когда лигнин присутствует на границе раздела. Подвижность полимерных цепей может увеличиваться вблизи границы раздела, где присутствует лигнин, по сравнению со случаем, когда полимерные цепи обращены к жесткому графитному углеродному слою на границе раздела фаз.Когда мы сравниваем результаты механических испытаний и термомеханического анализа, становится ясно, что мы не можем сделать вывод, связывающий температуру стеклования и механические свойства материалов. Это может быть связано с тем, что эти механические свойства определяются в основном свойствами объемной матрицы для композитов, армированных короткими волокнами, и межфазные взаимодействия (межфазная поверхность представляет собой лишь небольшую часть матрицы) могут иметь меньшее значение.

Таблица 2 . Значения температуры стеклования.

Выводы

Наше исследование было направлено на получение коротких композитов, армированных углеродным волокном, с использованием полимеров, которые потенциально могут быть получены из биомассы (производные целлюлозы и полиамид 6) и, таким образом, имеют многообещающий потенциал устойчивости. Кроме того, межфазные взаимодействия были спроектированы путем иммобилизации лигнина, возобновляемого ресурса, на поверхности углеродного волокна с применением промышленно масштабируемых доброкачественных химических веществ.

Похоже, что целлюлозные матрицы относительно чувствительны к присутствию сегментов жесткого волокна, которые ограничивают движение полимерной цепи и способствуют образованию микротрещин. Увеличение взаимодействий между волокном и матрицей, по-видимому, приводит лишь к небольшому улучшению механических свойств. Следовательно, в этих случаях может быть достигнут дальнейший прогресс, учитывая физико-химические свойства полимеров (молекулярная масса, кристалличность).

В то же время полиамид 6 обладает исключительным потенциалом для размещения волокон.Было получено значительное улучшение прочности на разрыв (максимальное значение ~ 136 МПа при нагрузке волокна 20 мас.%), Не приводящее к получению в значительной степени хрупкого материала.

Наше исследование показывает, что полимеры, армированные короткими углеродными волокнами, на основе биомассы могут быть многообещающими экологически чистыми материалами для устойчивого общества, основанного на ресурсах.

Заявление о доступности данных

Все наборы данных, созданные для этого исследования, включены в статью / дополнительные материалы.

Авторские взносы

Все авторы внесли свой вклад в работу, представленную в рукописи, в степени, соответствующей критериям авторства.Все авторы согласны с содержанием.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы выражают признательность за финансовую поддержку, полученную в рамках программы COI. Строительство инфраструктуры нового поколения с использованием инновационных материалов — создание безопасного и надежного общества, которое может сосуществовать с Землей на протяжении веков при поддержке Министерства образования, культуры, спорта и науки. и технологий (MEXT) и Японского агентства науки и технологий (JST).

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fchem.2019.00757/full#supplementary-material

Ссылки

Бунтара, Т., Ноэль, С., Фуа, П. Х., Мелиан-Кабрера, И., де Фрис, Дж. Г. и Херес, Х. Дж. (2011). Капролактам из возобновляемых источников: каталитическое превращение 5-гидроксиметилфурфурола в капролактон. Angew. Chem. Int. Эд. 50, 7083–7087.DOI: 10.1002 / anie.201102156

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен, Г.-К., и Патель, М.К. (2012). Пластмассы, полученные из биологических источников: настоящее и будущее: технический и экологический обзор. Chem. Ред. 112, 2082–2099. DOI: 10.1021 / cr200162d

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фанг, В., Ян, С., Ван, X.-L., Юань, Т.-К., и Сунь, Р.-К. (2017). Производство и применение углеродных волокон на основе лигнина (УКВ) и углеродных нановолокон на основе лигнина (УНВ). Green Chem. 19, 1794–1827. DOI: 10.1039 / C6GC03206K