Структура и адгезионные свойства отверждённых эпоксидных смол
что для увеличения прочности углепластика при межслоевом
сдвиге часто используют различные способы окислительной обработки
наполнителя: окисление горячим воздухом, обработка озоном,
электрохимическая активация методом анодного окисления. Кроме того,
поверхность углеродных волокон обрабатывают специальными аппретами[7].
Рассмотрим влияние обработки поверхности углеродных волокон на
межфазное взаимодействие для волокон на основе полиакрилонитрила.
Адгезионная прочность при взаимодействии связующих с этими волокнами, если
их поверхность не подвергнута химической обработке, невысока:
| |n( |n( |(0 МПа|
|Эпоксидиановое ЭДТ-10 |32 |54 |44,3 |
|Эпоксиноволачная |31 |44 |39,0 |
|Хлорсодержащее |59 |35 |27,5 |
|Эпоксидное | | | |
Адгезионная прочность в этом случае существенно ниже, чем при
взаимодействии со стеклянными волокнами. Например, для связующего ЭДТ-10
значение (о при взаимодействии со стеклянными волокнами (при одной и той же
геометрии соединения) равно 55 МПа.
Активирование поверхности волокон окислительной электрохимической
обработкой приводит к существенному повышению прочности на границе раздела.
Это, прежде всего, проявляется в том, что при сохранении геометрии
соединения резко возрастает число образцов, разрушающихся по волокну.
Поэтому требуется значительно уменьшить среднюю площадь; успешно определить
значение (о удается лишь при Scp=(1,5-2)(10-3 мм2. Влияние обработки
поверхности на адгезионную прочность (S = 2(10-3 мм2) иллюстрируют
следующие данные:
| |Прочность волокон, Мпа |(0 МПа |
|Исходное волокно|3000 |71/52 |
|Озонирование |2780 |-/78 |
|Электрохимическа|2800 |91/- |
|я обработка | | |
В числителе—для эпоксидианового связующего, в
знаменателе—для эпоксиноволачного.
Окислительное модифицирование поверхности волокон приводит к
существенному росту адгезионной прочности. Так, для связующего ЭДТ-10
значения (о возрастают на 28 %. Увеличение адгезии как с изменением
структуры поверхности волокон, так и с ее химической модификацией.
Окисление ведёт к росту шероховатости поверхности, возникновению
дополнительных пор и пустот, а следовательно, — к росту удельной
поверхности волокон. В то же время при окислении на поверхности могут
возникать полярные кислородсодержащие группы (карбонильные и
карбоксильные), значительно повышающие активность этой поверхности[7].
Окислительная обработка приводит к некоторому увеличению удельной
поверхности, однако она продолжает оставаться невысокой, что
свидетельствует о малой пористости и дефектности поверхности данных
углеродных волокон. Это подтверждает и тот факт, что прочность элементарных
волокон после обработки меняется незначительно.
При высокотемпературной обработке волокон с модифицированной
поверхностью выделяется в два раза больше газов (СО+С02), чем при той же
обработке исходных волокон, т. е. химическая активность поверхности после
окислительной обработки растет. С увеличением активности связан рост
адгезионной прочности в системах углеродное волокно — связующее. Обработка
поверхности углеродных волокон в газоразрядной плазме к увеличению
прочности сцепления с эпоксидными матрицами не приводит.
Адгезия полимерных матриц к высокопрочным органическим волокнам
Пластики на основе полимерных волокон (лавсан, капрон, нитрон,
фенилон, аримид и др.) находят широкое применение в самых различных
областях народного хозяйства. Однако большинство из этих волокон не
обладает высокой прочностью и не используется для получения высокопрочных
композитов конструкционного назначения.
Для получения органоволокнитов с высокими механическими показателями в
последнее время используют жесткоцепные полиамидные волокна типа ВНИИВЛОН.
Адгезию к этим волокнам будет рассмотрена в этом разделе. Средний диаметр
используемых волокон 13—13,5 мкм, сечение круглое, поверхность достаточно
гладкая, отношение измеренной удельной поверхности к геометрической близко
к 1: Sэксп/Sрассчит=1,33. Связующими служили эпоксидные полимеры.
При изготовлении соединений термореактивного полимерного связующего с
полимерными органическими волокнами, как и при получении органоволокнитов,
возможно проникновение полимера в субстрат. Для оценки такого проникновения
часто определяют набухание волокон в связующем. Измерения показали, что в
исследуемых нами случаях набухание волокон невелико. Так, равновесное
набухание волокон в компонентах связующего ЭДТ-10, оцененное по изменению
линейных размеров и массы волокон, при 90 и 120 °С не превышает 0,2—0,4 %.
Для систем, в которых возможна диффузия адгезива в волокно, следует
особенно тщательно контролировать характер разрушения. В данном случае
контроль осуществляется с помощью электронного микроскопа (X2000). В
большинстве случаев при адгезионном разрушении соединений с органическими
волокнами, как и в случае стеклянных волокон, в слое смолы под микроскопом
видно ровное круглое отверстие. Однако в то время как конец стеклянного
волокна, выдернутый из адгезионно - разрушившегося соединения, чистый и
гладкий (без следов смолы), конец органического волокна в большинстве
случаев представляет собой «метелку», состоящую из отдельных тонких фибрилл
(рис. 21). Следует отметить также, что при разрушении соединений с
органическими волокнами, кроме образцов с чисто адгезионным характером
разрушения, встречаются образцы, в которых после выдергивания волокна у
нижнего края отверстия видны торчащие тонкие «усы» — вероятнее всего
фибриллы расщепившегося волокна. Такой тип разрушения условно может быть
отнесен к адгезионному, хотя не исключено, что тут имеет место смешанный
механизм. Когезионно разрушившимися считались образцы, в которых разрыв
произошел по волокну или по смоле. Результаты измерения адгезионной
прочности приведены в табл. 4. Там же для сравнения приведены значения (о
для соединений некоторых из исследованных полимеров со стеклянным волокном
того же диаметра. Оказалось, что для всех исследованных связующих адгезия к
полиамидным волокнам не ниже, чем к стеклянным, а для таких связующих, как
ЭДТ-10 и 5-211, достигает (при S=6(10-3 мм2) 57,0 МПа. Это самые высокие
значения, полученные для соединений подобной геометрии[7].
Изменение прочности исследуемых волокон мало сказывается на прочности
их сцепления с эпоксидными матрицами. Так, для волокон с прочностью 3600 и
3000 МПа значения (о в случае связующего ЭДТ-10 (при S=4,5(10-3 мм2) равны
соответственно 67 и 69 МПа.
Таблица 4
Адгезионная прочность при взаимодействии термореактивных связующих с
органическими волокнами
и стеклянными диаметром 13—13,5 мкм (S=6(10-3 мм2)
[pic]
Адгезия полимерных матриц к борным волокнам
Пластики, армированные борными волокнами, характеризуются весьма
высокой жесткостью и самой высокой по сравнению со всеми существующими
композиционными материалами прочностью при сжатии. Это обусловлено большим
диаметром и высоким модулем упругости волокон бора.
На рис. 18 представлены значения адгезионной прочности при
взаимодействии эпоксидианового олигомера ЭД-20, отвержденного различными
аминными отвердителями при комнатной и повышенных температурах, с борными и
стальными волокнами. Видно, что прочность сцепления эпоксидиановых
связующих горячего и холодного отверждения с волокнами бора (d = 100—200
мкм) несколько выше, чем со стальными. Высокие значения адгезионной
прочности связаны с топографией поверхности волокон бора. Эти волокна имеют
плотную, сравнительно гладкую поверхность, имеющую форму кукурузного
початка. Поэтому прочность сцепления с ними может определяться не только
специфической, но и механической адгезией, и кроме того, истинная площадь
контакта связующего с волокном может оказаться несколько больше видимой.
Оба фактора могут приводить к увеличению измеряемого значения (0.
[pic]
РИС.18. Зависимость адгезионной прочности в соединениях с эпоксидными
связующими на основе олигомера ЭД-20 с борным и стальным волокнами при
различного диаметра и отвердителях:
[pic]
[pic]
РИС. 19. Зависимость адгезионной прочности системы борные волокна
диаметром 100 мкм—эпоксидное связующее (1—ЭДТ-10, 2—УП-2130, 3— ДГЭР) от
площади соединения
РИС. 24. Зависимость адгезионной прочности системы борное волокно
диаметром 100 мкм — эпоксиполиизоцианатное связующее (1) и прочности
боропластика при изгибе (2) от времени травления волокон в азотной кислоте
Ниже приведены значения прочности сцепления (S=0,15мм2) с поверхностью
борных волокон (d=100 мкм) эпоксидиановых и эпоксирезорциновых связующих
(см. также рис. 19):
| Режим |
|отверждения |
| |t ч |Т (С | (0 |
|
| |  скачать работу |
Структура и адгезионные свойства отверждённых эпоксидных смол |
