Углеродные волокна обладают комплексом свойств (высокие прочность и модуль упругости, термо- и огнестойкость, низкая плотность), благодаря которому они незаменимы в высокотехнологичных отраслях техники. Например, современные широкофюзеляжные самолеты на 20-25% состоят из углеродных волокон. Атомная промышленность ускоренными темпами переходит на прогрессивный центрифугальный способ обогащения урана, который невозможен без применения высокомодульного углеродного волокна. Ракеты с корпусом из углеродных волокон обладают большей дальностью полета, более маневренны. Многие спортивные достижения связаны с применением высококачественного инвентаря, изготовленного с применением углеродных волокон.

Однако производство углеродных волокон (нитей) характеризуется высокой себестоимостью. Их цена колеблется в зависимости от ассортимента от 50 до 200 долл./кг [1]. Исходное сырье для углеродных волокон - полиакрилонитрильное волокно нитрон в нашей стране, к сожалению, выпускается в недостаточном количестве.

Одним из путей направленного регулирования свойств и стоимости полимерных композиционных материалов (ПКМ) является использование гибридных волокнистых наполнителей. Перспективно сочетание углеродных нитей (УН) с неорганическими базальтовыми (БН) и стеклянными (СН) нитями. Это обеспечит снижение стоимости углепластиков, увеличит их количество, повысит физико-механические показатели базальто- и стеклопластиков и придаст таким материалам специфические свойства, расширит область их применения.

В Саратовском государственном техническом университете разработана и запатентована интеркаляционная технология полимерных композиционных материалов [2]. Перспективность интеркаляционной технологии ПКМ обусловлена тем, что волокна (нити) пропитываются не фенолформальдегидным олигомером, а смесью исходных мономеров (при определенном соотношении фенола с формальдегидом и катализатором NaОН) с последующим синтезом олигомера, а также тем, что термореактивное связующее отверждается в структуре волокна и межволоконном пространстве. Это принципиально новый процесс взаимодействия полимерного связующего с армирующей нитью, основанный на интеркаляции (внедрении) смеси мономеров в структуру волокон (нитей) с последующим синтезом олигомера в виде ультратонких полиструктур в порах, дефектах, трещинах и на поверхности нитей. После удаления легколетучих продуктов реакции поликонденсации в процессе отверждения при температуре 150°С и давлении 25 МПа в волокнах образуется сшитая пространственная сетка фенолформальдегидной матрицы с функциональными группами армирующих волокон. Это обеспечивает равномерное распределение полимера в объеме материала.

Использование такой технологии ПКМ позволяет не только снизить стоимость изделий из гибридных углепластиков за счет сокращения числа технологических стадий и используемых реагентов, но и повысить их механические и физико-химические свойства. Интеркаляционная технология позволяет решить одну из важнейших проблем наполненных композиционных материалов - совместимости неорганической и органической (полимерной) фаз. Условия интеркаляции обеспечивают покрытие частиц волокнистой или дисперсной природы сплошным полимерным слоем. Благодаря этому в процессе поликонденсации можно достичь высокой степени наполнения без нарушения сплошности структуры композиции и при сохранении ее высоких прочностных показателей.

Введение армирующих волокон с активными функциональными группами в среду мономеров на стадии синтеза связующего облегчает доступ мономеров к этим группам. В результате взаимодействия волокон со связующим формируется структура композиционного материала с повышенными физико-механическими свойствами.

Помимо повышения физико-механических и химических показателей ПКМ решается ряд технико-экономических и экологических задач: сокращение 5 стадий процесса, снижение трудоемкости, экономия энергии, комплексное усовершенствование выпускаемой продукции, малоотходность и возможность рециклизации процесса.

При разработке интеркаляционной технологии применялись углеродные, базальтовые и стеклянные нити (табл.1), которые различаются химическим составом, неоднородностью и дефектностью структуры, плотностью, физико-механическими свойствами. Это различие проявляется в их различной адсорбции к мономерам.

Адсорбцию мономеров определяли по методике, разработанной в лаборатории адсорбции МГУ. Для снятия изотермы адсорбции использовали интерферометрический метод исследования [3]. Вычисленные значения предельных величин адсорбции n_i¹, предельно адсорбируемых объемов W₀, характеристической энергии Е, полуширины поры X для всех исследуемых нитей приведены в табл.2. Применение теории объемного заполнения микропор (ТОЗМ) для изучения адсорбционного равновесия в системах нить - фенол - растворитель (ацетон) позволило описать процессы адсорбции при различной температуре на углеродной, базальтовой и стеклянной нитях и рассчитать параметры их пористой структуры, используя основное уравнение этой теории. По величине пор, предельно адсорбируемым объемам, характеристической энергии изучаемые нити образуют ряд УН > БН > СН (см. табл.2).

Анализ экспериментальных данных (табл.3) свидетельствует, что физико-химические и механические свойства ПКМ, сформированных по интеркаляционной технологии, значительно превышают аналогичные свойства ПКМ, полученных по традиционной технологии с применением для пропитки нитей готовой фенолформальдегидной смолы. При этом базальтопластики по всем изучаемым характеристикам превосходят стеклопластики: значения Ϭ_i и E_i. увеличиваются на 58 и 60% соответственно. Физико-механические свойства угле-, стекло- и базальтопластиков, сформированных по интеркаляционной технологии, практически не изменяются после кипячения в дистиллированной воде в течение 2 ч, что свидетельствует о плотной структуре композитов и их высокой водостойкости.

Из данных табл.4 и 5 видно, что применение для армирования гибридных волокнистых систем позволяет формировать ПКМ с необходимым комплексом свойств в соответствии с их функциональным назначением путем варьирования соотношения УН:БН(СН). В пользу применения гибридных наполнителей свидетельствует и то, что стоимость ПКМ резко сокращается по сравнению со стоимостью углепластиков (стоимость базальтовой нити составляет ~85руб./кг, стеклянной ~67руб./кг), а физико-механические характеристики возрастают, приближаясь к характеристикам более прочного углепластика. Следует отметить, что гибридизация УН с СН менее эффективна, чем с БН. Как можно видеть, при сочетании УН с 40% СН наблюдается уменьшение прочности и твердости углепластика на 50 и 44% соответственно. Абсолютные значения а и твердости сильно различаются в сравнении с гибридными ПКМ на основе углепластика и БН (см. табл. 5). Так, сочетание УН с 40% БН снижает механические характеристики гибридного УП всего на 12-14%, повышает водостойкость на 70% и резко, в несколько раз, уменьшает его стоимость.

• Гибридизация углеродной нити с базальтовой нитью обеспечивает резкое увеличение производства углепластиков, что позволяет расширить области применения таких эффективных материалов не только для специальных целей, но и для важнейших видов продукции машиностроения, авто- и железнодорожного транспорта, в речном и морском флоте и др.
• Увеличенный спрос на гибридные углепластики потребует от производителей нитрона не сокращать, а увеличивать его выпуск и использовать не только в технике, но и для изготовления отечественных шерстеподобных изделий, что позволит прекратить их импорт.
• Гибридизация углеродных нитей с 30-40% базальтовых нитей будет стимулировать развитие отрасли базальтовых волокон, нитей и тканей, что снизит их стоимость, расширит области применения, в частности, для строительства дорог и транспорта, ведь базальт - это такое же богатство нашей страны, как нефть и газ.