Диссертация (1091842), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

Методы оценки поверхностного натяжения волоконОсновные методы определения ПН волокон включают измерения контактногоугла жидкости. Если на поверхность волокна поместить каплю жидкости, то профиль еебудет иметь следующий вид (рисунок 1.11).Рисунок 1.11 – Схематическое изображение капли на волокнеКапля характеризуется основными размерами: длиной L, высотой r1, контактнымуглом θ и так называемым углом перегиба θi (рисунок 1.11). Определить оптическивеличину контактного угла очень сложно, т.

к. невозможно провести касательную сдостаточной точностью из-за искажений вблизи области контакта капли с волокном.Поэтому предложены расчетные методы определения контактного угла. Краткорассмотрим два из них.Первый, так называемый «метод длины». Для расчета по этому методунеобходимо по фотографии капли на волокне определить длину капли (L), расстояние отсередины волокна до вершины капли (х2), радиус волокна (rвол~х1).

По уравнениюнаходят а, используя угол, найденный по фотографии. Далее рассчитывают L. Проводятвычисления до тех пор, пока рассчитанные и измеренные значения L совпадут.Выражение для длины L имеет следующий вид:L  2 x1 aF  , k   nE  , k ,(1.42)где F(θ,k) и E(θ,k) – эллиптические интегралы первого и второго типа соответственно,выражающиеся следующими формулами:40F  , k  10E  , k  d1  k 2 sin 2 1 1  k2(1.43)sin 2  d0В этих уравнениях значения n, k2, sin2θ определяются с использованием данных,полученных измерениями на фотографиях капли:n2  a 2n2n2  1sin 2   2 2nkrn 1rв ол(1.44 (а))k2 a(1.44 (б))(1.44 (в))n cos  1n  cos(1.44 (г))В соответствии с приведенными выражениями величина контактного углавыражается через длину капли L и ее высоту r1.Другой метод, т.н.

«метод перегиба (inflexion method)» основан на зависимостиконтактного угла от угла перегиба и высоты капли. Теоретически величина а имеет двазначения, и выражается через угол перегиба следующим образом:a  n 1  2 tan 2 i  n 1  2 tan 2 i  12(1.45)Для расчета контактного угла используется только значение а меньше единицы.Контактный угол рассчитывается по уравнению, приведенному ниже:  A tan 1  n a 1 na  122(1.46)Зная значения контактных углов, находят величину поверхностного натяжения,используя методы, приведѐнные в разделе 1.7.1.11.3. Свойства композиций, содержащих углеродные волокнаНесмотря на наличие некоторого количества полярных групп на поверхности УВ,полярность волокна невелика. Это определяет свойства конечных композицийполимер/УВ. Углеродные волокна находят широкое применение композициях на основетермореактопластмов таких как эпоксидные, фенольные и фурановые смолы и41термопластами – полиимидом, полиэфиримидом, полифениленсульфидом и др.

[183,184, 189]. Поскольку данные полимеры имеют большую полярность [114], то межфазнаяграница в этих композитах является достаточно слабой. По этой причине углеродныеволокна часто подвергают поверхностной модификации [183-189]. Поверхностнаямодификация УВ делится на два типа [183, 184]:1.

Окисление поверхности волокна. Окисление может проводиться как газовойфазой (кислород, воздух, озон) при температуре 250°С, так и жидкой,например азотной кислотой, перманганатом калия или пероксидами.2. Покрытие волокна полимером, который имеет функциональные группы,способные взаимодействовать с матрицей. К таким полимерам относятсясополимеры стирола с малеиновым ангидридом, полиамиды и др.В результате такой модификации значительно изменяются свойства волокон икомпозитов на их основе. Повышается площадь удельной поверхности, удаляютсяслабые поверхностные слои, изменяется химический состав поверхности [184, 187, 189].Главнымобразомгидроксильныхповышаетсягрупп[183],содержаниечтокарбонильных,увеличиваеткарбоксильныхспособностькихимическомувзаимодействию с группами связующего. В таблице приведено изменение химическогосостава УВ послеих обработки.Также приведены поверхностные свойстваобработанных волокон.

Эти данные можно сравнить с данными таблицы 1.3.Таблица 1.4 – Поверхностные свойства обработанных углеродных волокон [198].Способ обработкиγs, мДж/м2γsd, мДж/м2γsp, мДж/м2Радиация + акриловая кислота50,5±2,343,6±2,16,9±0,5Серная кислота+ акриловая кислота49,8±2,142,4±1,57,4±0,5Азотная кислота52.3±4.639.8±0.912.5±3.742Таблица 1.5 – Изменение химического состава поверхности углеродного волокна [196,199]Способ обработкиС, %О, %N, %-73,423,6-Радиация70,929,1-Окисление-радиация83,712,73,6В зависимости от типа обрабатываемых волокон свойства могут либо слабоменяться, либо значительно ухудшаться. Так низкомодульные волокна при обработке ихазотной кислотой при 90ºС приводит к разрушению волокна [185]. В большинствеслучаев прочности волокон слабо меняются, иногда незначительно повышаются (см.таблицу 1.6).Таблица 1.6 – Изменение свойств углеродного волокна после обработки [185, с.

256].Способ обработкиСохранение прочности, %Сохранение модуля, %HNO3 (конц.)9095NO29590FeCl3110100Все эти поверхностные изменения приводят к значительным изменениям свойствкомпозиций на основе углеродных волокон. Так для композиций УВ/эпоксидная смола(ЭС) было показано, что после модификации повышается межслойная прочность (ILSS)(один из важных параметров для композитов армированных волокнами, которыйопределяется межфазным взаимодействием волокна с матрицей) с 77,5 МПа до 90-91МПа в зависимости от типа модификации [196, 201].

С ростом содержаниякарбоксильных групп значительно увеличивается прочность углепластика при сдвиге[185]. В таблице 1.7 приведены некоторые свойства композиции УВ/ЭС после обработкиУВ различными способами.43Таблица 1.7 – Свойства композиции УВ/ЭС при введении волокон, обработанныхразличными способами [187].Способ обработкиПрочность на изгиб, Межслойнаярост %рост %10% NaC103/25% H2SO4 (15 мин)59110% Na2Cr207/25% H2SO4 (15 мин)1518400°C воздух (30 мин)018500°C воздух (30 мин)-1250прочность,Как указывается в [185], на прочность связи волокна с полимером влияют всехарактеристики поверхности волокна, поэтому выделить влияние отдельных факторовна свойства композиции практически невозможно. Обработка волокон может приводитьк ухудшению некоторых свойств композиций (см. таблицу 1.7),поэтому стоиттщательно выбирать параметры и способы обработки волокон.1.11.4.

Модификация бинарных смесей полимеров введением волоконОднимизвозможныхспособовмодификацииграницыразделафазполимер/волокно является введение агентов сочетания, в частности силанов [202, 203].Как показано в ряде работ, в роли таких агентов могут выступать полимеры [204-211].Распределение волокон в смесях полимеров, также определяется соотношениямимежфазных натяжений (МН) в бинарных сочетаниях компонентов и оценивается спомощью уравнения (1.40). Соответственно, волокна могут концентрироваться как вматрице, в частицах дисперсных фаз, так и на границах раздела.Наибольшее внимание в литературе уделяется изучению свойств систем, вкоторых волокна концентрируются в частицах, поскольку именно в этом случае полимериграет роль агента сочетания.

Так, в композициях, содержащих стекловолокно (СВ),проявляется слабый усиливающий эффект, поскольку граница раздела волокно/полимерочень слабая, особенно для систем неполярный полимер/стекловолокно. Это легкообъяснить, если проанализировать поверхностные свойства СВ. В частности, в такихсистемах как ПА-6/ПЭ, ПЭТФ/ПЭ ПК/ПП фазы ПА, ПК и ПЭТФ капсулируют44(обволакивают)волокноиграярольагентасочетанияПодобное[204-211].капсулирование может встречаться и при введении углеродного волокна в смесиполимеров, однако в литературе такие данные встречаются крайне редко.

В частностиподобная морфология обнаружена для смеси ПЭ/ПММА/УВ [206].1.12. Модификация полимеров химически активными добавкамиХимическая модификация полимеров, преимущественно каучуков, позволяющаяулучшать их физико-механические, технологические, межфазные и др. свойства,находит в промышленности широкое применение [212]. В настоящем разделе будетрассмотренолишьвлияниехимическиреагирующихдобавокнамежфазныевзаимодействия в полимерных композиционных материалах. В литературе основноевнимание уделяется влиянию химической модификации полимеров на их адгезию кразличным наполнителям (ТУ, SiO2, волокнам и др.) [212]. Как отмечалось в разделе1.11.3, с целью усиления адгезии между углеродным волокном и полимером, первоечасто подвергают поверхностной модификации [183-189]. Композиций, содержащиекремнекислотные наполнители, по причине их сильной гидрофильности (см.

таблицу1.1), не применяются без введения так называемых «агентов сочетания», к которымотносятся силаны различного строения, которые химически связывают молекулыполимера с поверхностью наполнителя. Большой интерес представляет введениеполифункциональных низкомолекулярных соединений химически взаимодействующих сполимерами,поскольку,онисоднойстороныулучшаютмногиесвойстваиндивидуальных полимеров, а также усиливают адгезию между полимером инаполнителем.Ктакимдобавкамотносятся,например:С-нитрозосоединения,малеиновый ангидрид, изоцианаты, комплексы резорцина и уротропина (модификаторРУ) и др.

Характеристики

Список файлов диссертации