ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТА ИЗ ТЕРМОПЛАСТИЧНОГО ПОЛИУРЕТАНА И УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА

Аннотация. В данной статье рассматриваются химические и физические свойства композита из термопластичного полиуретана (ТПУ) и углеродного волокна. Сочетание эластичности, износостойкости и химической устойчивости ТПУ с высокой удельной прочностью и жёсткостью углеродного волокна позволяет придать композиту свойства обоих материалов. Такие композитные материалы имеют возможность применения во многих высокотехнологичных отраслях, где критически важны малый вес, прочность и стойкость к экстремальным нагрузкам.

Ключевые слова: химические свойства, физические свойства, термопластичный полиуретан, углеродные волокна, композит, полимеры.

Разработка новых композиционных материалов представляет особый интерес в области производства корпусов и деталей. Они сочетают в себе высокие механические характеристики, малую плотность и технологичность при переработке.

Перспективным направлением является создание углеродных композитов на основе термопластичных полимеров с применением компьютерных методов проектирования и моделирования.

Одним из наиболее востребованных полимерных материалов для аддитивного производства является термопластичный полиуретан (ТПУ), обладающий сочетанием прочности, эластичности и высокой износостойкости.

ТПУ отличается устойчивостью к циклическим деформациям, воздействию химических реагентов, масел и ультрафиолетового излучения, а также сохраняет свои эксплуатационные свойства в широком диапазоне температур [1, с. 28]. Для повышения механических характеристик полимеров широко применяется армирование углеродными волокнами и полосками, которые обеспечивают высокий модуль упругости, прочность на растяжение и малую массу готового изделия. Введение углеродного армирующего наполнителя в структуру ТПУ позволяет существенно улучшить его эксплуатационные свойства при сохранении определённой гибкости, что особенно важно для изделий, работающих в условиях переменных нагрузок [2, с. 556]. Эти композитные полоски можно использовать в производстве различных деталей, корпусов. Полученная деталь выходит прочной, в меру гибкой, лёгкой и термостойкой. За счёт лёгкости и прочности можно использовать в авиастроение для корпусов самолётов, либо в качестве каркаса.

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

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

Углеродное волокно – это материал, который состоит из тонких нитей диаметром от 3 до 15 мкм, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу; выравнивание кристаллов придаёт волокну большую прочность на растяжение.

Карбоновая нить – это ткань, которая не нуждается в дополнительной обработке. Ее не требуется красить, покрывать лаком, а декоративные покрытия могут потребоваться только для улучшения вида конструкции, покрытой карбоном. Полотно из угольной нити безвредно для здоровья, оно может снижать вибрации и забирать на себя часть нагрузок строительных конструкций. Толщина нити составляет около 0,005 – 0,1 мм и состоит только из атомов углерода (на 99%). Получают такую нить путем сжигания полимерных или органических волокон в кислородной атмосфере. Когда все компоненты выгорают, остаются только молекулы углерода. Но для того чтобы структура сохранила прочность, требуется выдержка температуры, давления, других параметров обжига в строго заданных пределах [4, с. 520].

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

Композит обладает плотностью 1,4–1,8 г/см³ (ниже металлов), высокой прочностью на растяжение 500–1500 МПа (в зависимости от содержания CF 10–40 мас.%) и модулем упругости 20–100 ГПа. Удлинение при разрыве 5–50% (TPU сохраняет эластичность), коэффициент теплового расширения низкий (1–5×10⁻⁶ K⁻¹ вдоль волокон). Теплопроводность анизотропная: вдоль CF до 100–500 Вт/м·К, поперек – 0,5–2 Вт/м·К; работает до 150–250°C без потери свойств.

Материал химически инертен: устойчив к кислотам (кроме окислителей), щелочам, растворителям; не реагирует при комнатной температуре, но окисляется выше 300–370°C в воздухе. ТПУ добавляет гидрофобность (контактный угол воды 80–100°), барьерные свойства к газам; устойчиво к УФ и озону с добавками. Поверхностная химия CF (функции -OH, -COOH) улучшает адгезию с ТПУ, повышая межфазную прочность.

Электропроводность 10²–10⁶ Ом·см (полупроводниковая), хорошая усталостная прочность (циклы >10⁶), низкая пористость (~25% для CF, снижена в композите). Удельная прочность превосходит сталь в 5–10 раз, что идеально для легких конструкций.

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