43._PIETRAS-OŻGA Dorota BARCZAK Mariusz_PO FORM

43._PIETRAS-OŻGA Dorota BARCZAK Mariusz_PO FORM

Dorota PIETRAS-OŻGA, Mariusz BARCZAK
Uniwersytet Marii Curie – Skłodowskiej w Lublinie
Wydział Chemii
Zakład Chemii Teoretycznej
e-mail: [email protected]
CHEMIA POWIERZCHNI WŁÓKIEN WĘGLOWYCH
STOSOWANYCH JAKO WZMOCNIENIA MATERIAŁÓW
KOMPOZYTOWYCH
Streszczenie. Włókna węglowe to niezwykle interesujące materiały o bardzo
obiecujących zastosowaniach w nowoczesnych technologiach. Produkcja roczna tych
materiałów przekracza 25000 ton. Charakteryzuje je duża wytrzymałość i elastyczność
[1], jak również dobra przewodność cieplna i elektryczna, niska gęstość i wysoka
sprężystość. Ze względu na te zalety, włókna węglowe stosowane są głównie,
jako wzmocnienia materiałów kompozytowych [2,3,4]. Główne obszary zastosowania
kompozytów wykonanych z włókien węglowych to: przemysł lotniczy, stoczniowy,
kolejowy i samochodowy. Ciągłe ulepszanie technik produkcji ma na celu zmniejszenie
kosztów i czasu, oraz umożliwienie wykorzystania ich do produkcji powszechnych,
drobnych towarów, takich jak: laptopy, instrumenty strunowe, bębny, sprzęt
do paintballu i strzelania z łuku, kije golfowe oraz bilardowe. Praktyczne oraz szerokie
stosowanie kompozytów wzmacnianych włóknami węglowymi zachęciło naukowców
do wyjaśnienia ich niezwykłych właściwości [5]. Po wielu latach badań okazało
się, że kluczowym czynnikiem, który wpływa w znaczącym stopniu na właściwości
kompozytów, jest adhezja między włóknami i matrycą. W większości przypadków
występuje słaba przyczepność pomiędzy nimi, czego rezultatem są słabe właściwości
mechaniczne i stosunkowo niska wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe (ILSS).
Prowadzi to do pogorszenia wytrzymałości kompozytu. Warunkiem koniecznym
do produkcji wysokiej jakości materiałów kompozytowych, jest doskonała
przyczepność obu faz oraz możliwość skutecznego przenoszenia obciążeń z jednego
włókna na drugie przy pomocy matrycy [6]. Tak więc, utlenianie oraz wprowadzanie
innych grup funkcyjnych na powierzchnię jest standardową metodą poprawy interakcji
włókno węglowe/matryca. Modyfikacje takie prowadzą do wzrostu powierzchni
właściwej włókna, usunięcia słabo związanej warstwy wierzchniej oraz do zmiany
chemii powierzchni. Te trzy zjawiska są w stanie poprawić zwilżalność włókna
przez żywicę oraz adhezję. Celem prezentowanych badań są poliakrylonitrylowe
włókna węglowe, które zostały scharakteryzowane za pomocą następujących technik:
temperaturowo programowanej desorpcji (TPD), spektroskopii fotoelektronów
wzbudzanych promieniami rentgenowskimi (XPS), mikroskopii sił atomowych (AFM)
oraz skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM). Techniki te umożliwiły zbadanie
Chemia powierzchni włókien ...
353
morfologii i tekstury włókien węglowych oraz określenie zawartości procentowej
węgla, tlenu, azotu na powierzchni.
SURFACE CHEMISTRY OF CARBON FIBERS USED AS
REINFORCEMENTS OF COMPOSITE MATERIALS
Summary. Carbon fibers have been recognized as extremely interesting materials
with very promising applications in modern technology. They are produced at annual
rate above 25 thousand tons a year. They have high strength and flexibility [1], as well
as high thermal and electrical conductivity, low density and extraordinary elastic
modulus. Because of these advantages carbon fibers are mainly used as reinforcements
in composite materials [2,3,4]. The main fields of application of these components
include: aircraft, aerospace, ship building, railway, and automobile. Improved
manufacturing techniques are reducing the costs and time of production, making
it increasingly common in small consumer goods as well, such as laptops, paintball
equipment, archery equipment, stringed instrument bodies, drum shells, golf clubs, and
billiards cues. Broad practical application of carbon fiber-reinforced composite
materials persuades researchers to explain their properties [5]. The key factor, which
influenced on the overall properties of composites, is the interfacial behavior between
carbon fiber and matrix. In most cases there is a weak adhesion, resulting in poor
mechanical properties and relatively low interlaminar shear strength (ILSS), which
improvement leads to reduce the composite toughness. A necessary condition for the
production of high performance composite material, is a good interfacial adhesion
and a possibility of effective load transfer from one fiber to another through the matrix
[6]. Thus, surface oxidation and functionalization techniques is a standard method
of improving of carbon fiber/matrix interactions. All these ways of modification carbon
fiber surface lead to increase fiber surface area, remove a weak surface layer,
and change the surface chemistry. These three phenomena can improve resin wetting
and bonding. The object of presented studies are PAN-based carbon fibers which were
characterized by temperature programmed desorption (TPD), X-ray photoelectron
spectroscopy (XPS), atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy
(SEM). These techniques offer the possibility to investigate the morphology, the texture
of carbon fibers and to quantify the amount of carbon, oxygen, nitrogen on the surface.
BIBLIOGRAFIA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Mordkovich V.Z.: Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 2003, 37(5), 429–438.
Zielke U.: Carbon, 1996, 34(8), 999-1005.
Lozano K., Barrera E.V.: Journal of Applied Polymer Science, 2001, 79 (1), 125-133.
Donnet J.B., Wang T.K., Peng J.C.M., Rebouillat S.: Carbon fibers (3rd ed.), 1998.
Krekel G., Huttinger K.J., Hoffman W.P.: Journal of Materials Science, 1994, 29(13), 3461-3468.
Lee J.: Carbon, 1997, 35(2), 209-216.