I II. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБСУЖДЕНИЕ

Целью настоящей работы являлось повышение адгезионной прочности в системах “полимер-стеклоткань” и “полимер-бумага”.

Для повышение адгезионной прочности использовались модификаторы и поверхностно-активные вещества (ПАВ).

В качестве связующего для композиционных материалов в настоящее время использовался полиамид марки 548.

На первом этапе работы в качестве модификатора использовался полибутилентерефталат. Необходимым, но недостаточным условием образования прочных адгезионных соединений является хорошее смачивание. Были получены зависимости краевого угла смачивания на бумаге с различным содержанием углеродных волокон (рис.1) и стеклоткани (таблица 1). Как видно из графиков, представленных на рис.1, лучшей смачивающей способностью обладает композиция с 50%-ным содержанием ПБТ. Небольшой максимум значения краевого угла смачивания наблюдается для бумаги с сопротивлением 70 Ом. Из таблицы 1 видно, что лучше смачиваются образцы при 50%-ным содержанием ПБТ, а минимальные значения краевых углов смачивания имеют образцы на основе полиэтилена высокого давления.

Таблица 1

Значения краевых углов смачивания (cosq) исследуемых композиций

Влияние ПАВ на смачивание определяется прежде всего химической природой (составом) контактирующих веществ и самого ПАВ. Также влияние ПАВ на смачивание определяется в значительной мере физико-химическими закономерностям и адсорбции ПАВ из растворов на поверхностях раздела фаз, участвующих в смачивании.

Для оптимального управления смачиванием нужны количественные характеристики, позволяющие оценить влияние ПАВ на краевые углы и сравнить действие различных ПАВ. В работе были использованы три вида поверхностно-активных веществ: алкилбутил- аммоний хлорид, оксиалкиловый спирт, четвертичная соль амино - производная.

    При использовании ПАВ, смачивание несколько улучшилось. В данной работе использовались два подхода к измерению краевого угла смачивания. В одном случае исследуемые образцы пропитывались непосредственно 10%-ным раствором ПАВ, в другом – пропитывались гранулы 10%-ным раствором ПАВ. Из таблиц 2 и 3 видно, что значения краевого угла увеличились при обработке образцов и гранул третьим ПАВ-ом, при использовании двух других поверхностно- активных веществ тоже произошло увеличение краевого угла смачивания.

    С ПЭВД тоже произошли изменения краевого угла смачивания. Краевой угол смачивания между субстратом и адгезивом больше в том случае, если сами гранулы ПЭВД предварительно были обработаны третьим ПАВ.

    Таблица 2

Значения краевых углов смачивания для полиэтилена высокого давления, модифицированного ПАВ-ами

    Из ранее проведенных исследований было определено, что смесь с 20%-ным содержанием ПБТ обладает высокими прочностными характеристиками, и таким образом она может являться эталоном сравнения.

Таблица 3

Значения краевых углов смачивания для смеси ПА +20% ПБТ, модифицированного ПАВ-ами

1-ый ПАВ: алкилбутил-аммоний хлорид при n=12;

2-ой ПАВ: оксиалкиловый спирт (смесь оксиэтил и оксипропил);

3-ий ПАВ: четвертичная соль амино-производная.

    Таким образом, проведенные исследования показали, что в случае ПА-548, наибольшее заметное улучшенное смачивание наблюдалось в композиции с 50%-ным содержанием ПБТ, а также в некоторых случаях и с 20%-ым содержанием ПБТ.

    В случае ПЭВД исследования показали, что наиболее высокие значения краевых углов смачивания наблюдались, когда сами гранулы были обработаны третьим ПАВ-ом.

    Существуют различные методы измерения адгезионной прочности. В зависимости от метода испытания за меру прочности адгезионного соединения могут быть приняты сила, энергия или время. Наиболее распространены методы неравномерного отрыва (отслаивания, расслаивания). Они позволяют выявить колебания в значениях адгезионной прочности на отдельных участках испытуемого образца. Кроме того, эти методы дают достаточно хорошую воспроизводимость результатов и довольно просты. Предположение об одновременном нарушении связи между адгезивом и субстратом по всей площади контакта ( лежащие в основе методов равномерного отрыва и сдвига) не всегда является правильным, так что усилие отрыва или сдвига, отнесенное к площади отрыва, можно рассматривать только как приближенную характеристику адгезионной прочности [2].

    В данной работе наиболее удобным методом для изучения взаимодействия в исследуемых системах был метод расслаивания. Однако, все материалы на основе ПА имели высокую адгезионную прочность, при этом расслаивания не происходило, а разрушалась подложка (бумага или стеклоткань).

    Поэтому этим методом оценить влияние ПБТ и ПАВ на адгезионную прочность в системах бумага – полимер, стеклоткань – полимер не представлялось возможным. Однако при исследовании ПЭВД метод расслаивания оказался успешным. Как видно из таблицы 4, лучшая прочность наблюдалась на чистом ПЭВД.

Таблица 4

Прочностные характеристики полиэтилена, модифицированного ПАВ-ами

Достаточно часто для повышения адгезионной прочности, ПЭ подвергают окислению. Как нам удалось показать, после обработки KMnO₄ композиты на основе ПЭ имели высокую прочность и не расслаивались. Данные по окисленному ПЭ внесены в таблицу 5.

Таблица 5

Прочностные характеристики окисленного полиэтилена

Из приведенных в таблице 5 данных видно, что на стеклоткани I адгезионная прочность повысилась, а на бумаге с различным сопротивлением образцы не расслаивались. Это говорит о том, что имеет место высокая адгезионная прочность.

Так как не удалось оценить адгезионную прочность методом расслаивания на чистом и модифицированном полиамиде, был использован метод вырыва волокна.

Считается, что при максимальной толщине пленки наблюдается минимальная адгезионная прочность в системе полимер – волокно, из-за возникновения внутренних напряжений. В данной работе такой зависимости обнаружено не было.

Вероятно, что для систем на основе термопластов внутреннее напряжение играет меньшую роль.

Из данных, приведенных в таблице 6, видно, что введение ПБТ приводит к уменьшению прочности вырыва волокна.

Для композиции на основе ПЭВД исследования показали, что прочность на чистом ПЭВД лучше, чем для композиции на основе окисленного ПЭВД.

Таблица 6

Вырыв волокна

Так как нам не удалось прямым методом оценить адгезионную прочность в системах бумага – полимер, стеклоткань-полимер, мы оценивали композиционные материалы по прочности готовой композиции. Полученные результаты представлены в таблице 7 и на рис.2, 3 .

Таблица 7

Прочностные характеристики композиций

Из графиков зависимостей, приведенных на рис.2, можно видеть, что максимальную прочность имеет система на основе ПА + 20% ПБТ. Дальнейшее увеличение содержания ПБТ не приводит к улучшению прочностных характеристик, что вероятно обусловлено понижением когезионной прочности самого полимера.

Система на основе ПЭ имеет прочность сопостовимую с прочностью немодифицированного ПА.

Незначительное влияние на ПЭВД произвели ПАВ. В исследовании ПЭВД использовали два подхода, в одном случае отпрессовали пленку из ПЭВД и затем обработали ее 10%-ным раствором ПАВ, в другом – обрабатывали 10%-ным раствором ПАВ испытываемые образцы (бумага 70 Ом).

Результат показал, что в первом случае, то есть когда пленку обрабатывали ПАВ, то прочностные характеристики повышаются, повышаются эти характеристики и во втором случае, если сравнивать с композицией на основе чистого ПЭВД. Полученные данные сведены в таблицу 8.

Таблица 8

Прочностные характеристики полиэтилена высокого давления, модифицированного ПАВ-ами

Также существенное влияние ПАВ произвели и на композицию на основе ПА +20% ПБТ.

Таблица 9