Адгезия эпоксидных смол к стеклу, Адгезия эпоксидных смол к волокнам - Адгезионные свойства отверженных эпоксидных смол

В разделе будет рассмотрена адгезия эпоксидных смол к силикатному стеклу, основным компонентом которого является SiO2. Тетрайдеры кремнийкислородной сетки силикатного стекла содержат также окислы одно-, двух - и трехвалентных металлов. С тетрайдерами кремнийкислородной сетки структурно связаны поверхностные гидроксильные группы. Кроме гидроксильных групп на поверхности стекла имеется слой сорбированной влаги, достигающий большой величины - порядка сотен ангстрем. Эта влага с трудом удаляется в вакууме при нагревании до 400-500 оС. Схематически поверхность стекла может быть изображена следующим образом:

Учитывая эти особенности, следует ожидать, что высокой адгезией к стеклу обладают полимеры содержащие полярные группы, способные к образованию водородных связей с поверхностными гидроксилами, а также к ион-дипольному, и особенно химическому взаимодействию. Эпоксидные группы взаимодействуют с поверхностью стекла по следующей схеме:

Вследствие этого у эпоксидных смол к силикатному стеклу наблюдается высокая адгезия 300-370 кГ/см2 при сдвиге[7].

Адгезия эпоксидных смол к волокнам

При определении адгезионной прочности системы волокно - полимер из всех видов механических испытаний можно осуществить только сдвиг или кручение. Использовать для определения адгезионной прочности в подобных системах метод отрыва не удается, так как определить адгезионную прочность при отрыве волокон, склеенных в торец, практически невозможно, а при отрыве волокон, склеенных крест-накрест, невозможно с достаточной точностью определить площадь контакта. Измерение адгезионной прочности при кручении распространения не получило. Для определения прочности соединений полимеров с волокнами практически всегда используют образцы, изображенные на рис.17.

образцы для определения сдвиговой адгезионной прочности в соединениях полимеров с волокнами

Рис. 17. Образцы для определения сдвиговой адгезионной прочности в соединениях полимеров с волокнами: 1 - волокно диаметром d; 2 - слой полимер толщиной l

Адгезионное соединение возникает на поверхности волокна, погруженного в слой адгезива. Геометрия соединения характеризуется длиной l, определяемой толщиной слоя полимера, и площадью S = dl, где d - диаметр волокна. (Величину S можно называть также площадью контакта). При разрушении образцов измеряют силу F, необходимую для выдергивания волокна из слоя адгезива, т. е. определяют сдвиговую адгезионную прочность. Адгезионную прочность каждого испытанного образца рассчитывают по формуле

Весьма важным является вопрос о том, каков смысл определяемого с помощью этой формулы значения адгезионной прочности. Для строгого выполнения формулы (2) и соответственно, для получения "безусловного" значения необходимо, чтобы: 1)сечение волокна было круглым; 2) диаметр погруженного в матрицу участка волокна -- постоянным; 3) волокно равномерно (без нарушения сплошности) было покрыто полимером; 4) видимая и истинная площади соприкосновения волокна и полимера были одинаковы; 5) касательные напряжения на границе раздела между связующим и волокном были распределены равномерно [7]. Предположение о равномерном распределении напряжений в соединениях полимеров с волокнами, как правило, не выполняется, и уже поэтому значение адгезионной прочности, определяемое делением силы на площадь, характеризует некоторое усредненное значение и по этой причине является величиной условной, как и большинство величин, используемых для оценки прочности.

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 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 %.

Результаты измерения адгезионной прочности приведены в табл. 1. 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=610-3 мм2) 57,0 МПа. Это самые высокие значения, полученные для соединений подобной геометрии [8].

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=4,510-3 мм2) равны соответственно 67 и 69 МПа.

Таблица 1. Адгезионная прочность при взаимодействии термореактивных связующих с органическими волокнами и стеклянными диаметром 13--13,5 мкм (S=610-3 мм2)

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.

зависимость адгезионной прочности в соединениях с эпоксидными связующими на основе олигомера эд-20 с борным и стальным волокнами при различного диаметра и отвердителях

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:

зависимость адгезионной прочности системы борные волокна диаметром 100 мкм--эпоксидное связующее (1--эдт-10, 2--уп-2130, 3-- дгэр) от площади соединения

Рис. 19. Зависимость адгезионной прочности системы борные волокна диаметром 100 мкм--эпоксидное связующее (1--ЭДТ-10, 2--УП-2130, 3-- ДГЭР) от площади соединения

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 МПа

Эпоксидиановое ЭДТ-10

8

160

96,0

Эпоксирезорциновое

Диглицидиловый эфир эпоксирезорцина
    7 10
    120 140
    100,0 100,0

Значения 0 для диановых и резорциновых эпоксидных смол различаются мало (так же, как для соединений с углеродными, стеклянными и стальными волокнами). Адгезионная прочность эпоксирезорцинового связующего на основе смолы УП-637 заметно меняется при замене отвердителя (табл. 2), причем, весьма высокие значения 0 получаются при отверждении эпоксирезорциновых олигомеров аминосульфонами. Из таблицы следует также, что характер изменения адгезионной прочности при замене отвердителя не зависит от природы наполнителя (борное волокно, стальная проволока)[7].

Таблица 2. Влияние природы отвердителя на прочность сцепления эпоксирезорцинового связующего на с борными и стальными волокнами

В работе исследована адгезионная прочность эпоксирезорциновых связующих (на основе смолы УП-637) с пониженной температурой отверждения. Состав композиций варьировали за счет изменения соотношения активного разбавителя (ДЭГ-1), ускорителя (УП-606/2) и отвердителя (З, З'-Дихлор-4,4'-диамино-дифенилметан). Образцы термообрабатывали 2 ч при 50°С и 6 ч при 80°С. Такой режим обеспечил высокую степень отверждения: содержание гель-фракции (определенное по экстракции в ацетоне) во всех композициях равнялось 93--96%. Полученные результаты приведены в табл. 3.

Таблица 3. Температура стеклования эпоксирезорциновых композиций, отвержденных при пониженной температуре, и их прочность сцепления с борными волокнами диаметром 100 мкм (S = 0,2 мм2) [7]

Из таблицы 3 идно, что большинство композиций работоспособно до 60° С, причем значения о соизмеримы с прочностью сцепления с волокнами эпоксидных связующих горячего отверждения.

Похожие статьи




Адгезия эпоксидных смол к стеклу, Адгезия эпоксидных смол к волокнам - Адгезионные свойства отверженных эпоксидных смол

Предыдущая | Следующая