ПОВЫШЕНИЕ АДГЕЗИИ ЗА СЧЕТ МОДИФИКАЦИИ НАПОЛНИТЕЛЯ

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 
Увеличение неровности поверхности субстрата должно приводить к росту площади контакта, и следовательно, к росту прочности адгезии между полимерами при условии, конечно, если адгезив способен заполнить эти неровности.
С целью повышения адгезии в последнее время много внимания уделяется механической и химической модификации поверхности армирующего тела. Основные способы модификации поверхности армирующих наполнителей представлены в табл. 9.1.
Таблица 9.1. Химические и физико-механические способы модификации поверхности наполнителя
Процесс обработки поверхности
Основные средства обработки
Методы.
окисления
Окисление в растворе
HN0
3
, пермангонат калия, соли хлорноватистой кислоты, соль хромовой кислоты
Электролитическое.
окисление
Различные электролиты
Окисление в газовой среде
На воздухе, в кислороде, озоне, галогеноподобных смесях, соединениях азота
Полимеризация прививкой
Органические и неорганические соединения, полимеры, усы
Воздействие физических полей
Ультразвук. Магнитное поле. Электростатический заряд. Электронный разряд. Ультрафиолетовое и радиационное облучение
Очистка поверхности
Отмывка растворителями. Сушка.
Высокотемпературная обработка
Защита поверхности с одновременной активацией
Аппретирование
Практически все виды химической обработки связаны с окислением и преследуют цель увеличения поверхностной активности (поверхностного натяжения волокон). Достигается это путем увеличения удельной поверхности за счет удаления поверхностных «загрязнений» и открытия имеющихся в структуре волокон пор, а также возможного образования новых пор. Кроме того, модификация поверхности осуществляется за счет образования на ней кислородсодержащих функциональных групп. Каждый из перечисленных методов имеет не только свои преимущества, но и недостатки, в том числе и технологические.
Метод полимеризации прививкой стоит особняком и имеет более сложный и многофункциональный характер. Прочность композита с такими волокнами зависит не только от адгезионной прочности, но и от когезионной прочности прививки, например отрыва усов от поверхности волокна.
Наиболее полно исследована ультразвуковая (УЗ) обработка, которая оказывает существенное положительное влияние на скорость пропитки пористых материалов. Влияние ультразвука на подъем жидкости в капиллярах было обнаружено еще в 20-х годах XX в. американским химиком Т. Ричардсом и исследуется до настоящего времени.
Ультразвуковое воздействие на структурные составляющие композита в процессе пропитки позволяет повысить ее интенсификацию при одновременном повышении прочностных характеристик изделия.
По мере прохождения армирующего наполнителя через связующее происходят его смачивание и пропитка, а после выхода наполнителя из связующего - допропитка локальным виброакустическим полем. Наблюдается также виброакустический эффект, проявляющийся в том, что армирующий материал оказывается натянутым между отжимными валиками и с включением магнитостриктора как бы превращается в волновод, по которому распространяется звуковая волна. При этом происходит взаимное смещение волокон, что способствует удалению включений воздуха между волокнами.
Одновременно в приграничном с волокном слое связующего наблюдается движение связующего в направлении распространения звуковой волны, т.е. в направлении, противоположном движению материала. Происходит также движение связующего и в направлении движения наполнителя, по-видимому, за счет адгезии связующего к волокну, однако противоположное направление движения связующего является доминирующим; на границе волокно - связующее возникает добавочное движение, которое в сочетании с циклической деформацией приводит к снижению вязкости и в узкой граничной зоне.
Проявление виброакустического эффекта при УЗ-обработке зависит от параметров колебательной системы и технологических параметров пропитки, вследствие чего необходимо экспериментально устанавливать оптимальные режимы виброобработки. Так, с увеличением амплитуды УЗ-колебаний скорость течения связующего в приграничном слое вдоль наполнителя возрастает и наблюдается интенсивное выделение газовых пузырьков в связующее. Время УЗ-воздействия лимитируется скоростью протягивания наполнителя. Частота УЗ-колебаний задается магнитостриктором и в процессе пропитки не изменяется. С ростом температуры связующего увеличивается и скорость движения приграничного слоя, а также интенсифицируется процесс дегазации.
Эффект модификации при УЗ-пропитке волокнистых армирующих наполнителей обеспечивается за счет повышения структурной однородности, изменения свойств полимерной матрицы и снижения дефектности композита вследствие удаления воздушных включений из прядей волокон и улучшения распределения связующего по сечению наполнителя, что приводит к повышению сплошности и прочностных характеристик материала. Связующее дополнительно проникает в межволокон-ное пространство, что способствует практически идеальному заполнению этого пространства, т.е. происходит улучшение качества и интенсификации пропитки.
Наблюдаемый виброакустический эффект присущ, по-видимому, различным вариантам УЗ-пропитки волокнистых наполнителей, а проявление его зависит от вязкости связующего, адгезионных свойств и скорости протягивания наполнителя, а также от параметров УЗ-воздействия.
В качестве примера рассмотрим У 3-пропитку УКН-5000П эпоксидными связующими - ЭДУ и ЭНФБ.
Результаты испытаний однонаправленных кольцевых образцов из исследуемых углепластиков, не прошедших и прошедших обработку, представлены в табл.9.2. Из таблицы видно, что прочность виброобра-ботанных образцов (знаменатель) увеличивается, а разброс свойств уменьшается.
Таблица 9.2. Прочность кольцевых образцов из УКН
Материал
Амплитуда колебаний, мкм
Прочность
Коэффициент вариации К
в
, %
ЭДУ
80
1370/ 1420
5,5 / 2,8
ЭНФБ
80
1250/ 1360
6,3 / 3,2
Адгезионная прочность повышается также при формировании адгезионного соединения в магнитном поле. В частности, адгезионная прочность эпоксидных, фураноэпоксидных, полиамидных и других смол возрастает при обработке на стадии формирования в постоянном магнитном поле, причем на повышение адгезионной прочности оказывают влияние напряженность поля и продолжительность обработки. В зависимости от типа полимера и режима обработки повышение адгезионной прочности составляет от 1,4 до 2,8 раз. Изменение адгезионной прочности зависит не только от полимерной матрицы и режима обработки, но и от магнитных свойств армирующего наполнителя.
Можно предположить, что одной из причин этого эффекта является воздействие магнитного поля на характер адгезионного контакта. Магнитное поле способствует возникновению более упорядоченной структуры полимера, находящегося в контакте с подложкой.
Несомненный интерес представляет влияние электростатического заряда на взаимодействие тела с жидкой средой. Электризация поверхности полимеров влияет на их угол смачивания. В частности, поверхностное натяжение заряженной капли под действием электрокапиллярного эффекта резко снижается, что улучшает смачивание. Кроме того, под действием электрического поля ускоряется удаление следов влаги и воздуха с поверхности подложки. Все эти факторы улучшают формирование адгезионного соединения и приводят к увеличению адгезионной прочности.
Ультрафиолетовое и радиационное облучения ускоряют процесс формирования адгезионного соединения и увеличивают число химических связей на границе раздела.
Электронный разряд обычно применяют для модификации углеродных и графитовых волокон, в результате его воздействия и образуются химически активные центры на поверхности волокна.
Одной из проблем увеличения адгезии полимера с наполнителем является очистка поверхности наполнителя. Присутствие на поверхности как случайных, так и технологических (замасливатель) образований существенно мешает контакту матричного материала с наполнителем. Серьезную опасность вносит и адсорбированная наполнителем влага.
С целью удаления нежелательных образований на поверхности проводится ее очистка перечисленными методами. Как правило, для удаления влаги достаточно провести сушку волокна при температуре 80.
- 160 °С. Удаление более существенных загрязнений требует отмывки различными растворителями или выжигания.
Повышение адгезии волокнистого наполнителя к полимеру с помощью аппретирования или подшлихтовки известно довольно давно, хотя до сих пор не существует общепризнанного механизма улучшения адгезии с помощью аппретирования.
Обычно аппрет выполняет две функции: 1 — защищает волокна от внешнего воздействия и механического травмирования; 2 - улучшает адгезию наполнителя к полимерной матрице.
Аппреты имеют комплексный состав и должны отвечать следующим требованиям:.
1 - прочно фиксироваться на наполнителе;.
2 - образовывать на поверхности наполнителя адсорбционную оболочку, близкую по молекулярным свойствам к полимерной матрице;.
3 - оптимально насыщать поверхность наполнителя модификатором.
Как правило, для аппретирования применяют водноэмульсионные системы, наносимые смачиванием, путем электролиза или электрофореза. Наибольший эффект дает сочетание поверхностей обработки (активации) с последующим нанесением аппрета. Обычно операции по активации к аппретированию поверхности проводят на заводах-изготовителях волокон. Количество аппретирующего вещества составляет от 0,5 до 4 %. Количество и качество аппрета или зашифровывается в названии (для зарубежных волокон), или включается в содержание паспорта.