Влияние электрических полей и зарядов на процесс совмещения и адгезионную прочность в системе термопластичное связующее-волокнистый наполнитель тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.19 ВАК РФ

ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ МЕТАЛЛОПОЛ ИМЕРНЫХ СИСТЕМ ИМЕНИ В. А. БЕЛОГО АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ

На правах рукописи

УДК 539.612:678.026:53.082.72 ,

ЖАНДАРОВ Сергей Федорович

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ И ЗАРЯДОВ НА ПРОЦЕСС СОВМЕЩЕНИЯ й АДГЕЗИОННУЮ ПРОЧНОСТЬ В СИСТЕМЕ ТЕРМОПЛАСТИЧНОЕ ШЗУЮЩЕЕ-ВОЛОШСТЫЙ

НАПОЛНИТЕЛЬ

I

01.04.19 — Физика полимеров

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Гомель 1996

Работа выполнена в Институте механики металлополимерных систем имени В.А. Белого Академии наук Беларуси.

Научные руководители: до'ктор технических наук, старший

научный сотрудник О. Р. Юркевич;

кандидат химических наук, старший научный сотрудник Е. В. Писанова.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Д. Г. Лин;

доктор технических наук, ведущий научный сотрудник В. В. Мешков.

Оппонирующая организация — Белорусский государственный

технологический университет.

Защита состоится « 7. » . {¿¿.х-'Ф-сул.. 1996 г. в . v. часов на заседании совета по защите диссертаций Д 01.14.01 при Институте механики металлополимерных систем им. В. А. Белого АН Беларуси по адресу: 246652, г. Гомель, ул. Кирова, 32 а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИММС АНБ.

Автореферат разослан » . . . 1996 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций, кандидат 'физико-математических наук

Н. Б. Ростанина.

ОШЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ • , •

Аитуаш;ость з.ч?мы дкссертацхн. Вологагаупрочяенные композиционные материалы на основе термостойких термопластов определяют урезает) и перспективы разгглчш таких традиционно передовых отраслей промышленности,, кас авиационная и космическая техника, автомобилэ-и судостроение и т.п. Наиболее эффективным способом получения' преп-регов этих материалов является осаждение' электроааряжешш частиц термопластичного полимера на непрерывный наполнитель из псевдоожн-женного слоя в электрическом поле. В этом случае достигается стабильность состава препрога, высокая равноголщияяосгь, хорошая про-'питка объема наполнителя расплавом поршера. Однако физические закономерности взаимодействия электрического .поля и зарядов частиц диэлектрика в нсевдоожиженных системах с учетом не только силового проявления поля, но и его-ионизирующей способности не поучена, хотя они лежат и основе многих конкретных технологических и конструктивных решений. Недостаточно отражен в литературе и характер взаимодействия осаждаемых варяжеиных слоев дисперсных диэлектриков с наполнителями различной структуры.

Эксплуатационные свойства изделий из композиционных материалов во многом определяется взаимодействием компонентов на границе раздела, характеристикой которого является величина адгезионной прочности. Между тем, ио-ва трудоемкости и сложности известных пря;ди методов ее оценки в литературе имеется очень мало сведений об адгезии термопластов к тонким волокнам. Более того, эти сведения вообще' отсутствуют для отечественны« компонентов.. Такие недостаточно исследовано, как электрические поля и заряды, действующие при формировании адгезионного соединения, влияют на параметры меяфазного взаимодействия, в частности, на адгезионную прочность в готовом препрэ-ге. Все зто затрудняет разработку оптимальной технологии получения препрегов, в том числе стадии совмещения связующего с наполнителем с использованием электронно-ионных процессов.

Свявь работа с крупймми научкгми программами, земг:«. Исследования выполнены в рамках естественнонаучной темы "Материал 14" (но-, мер гос. регистрации 01.89.0 006643) и договора № Т-2-091 по заданию "Наука 01.1" Фонда фундаментальных исследований РВ.

&аиь я вадг-« шхятштя. Изучение влияния электрических полей и варядов, действующих при совмещении термопластичных полимерных связующих с волокнистыми наполнителями, на процесс совмещения и адгезионную прочность соединения, и выбор схем электрического вое-

действия дли повышения адгезии термопластов к волокнам.

В качестве основных задач можно назвать:

1. Анаяиз мьхаииьыов зарядки частиц дисперсного диэлектрика ь лсевдоашженних слоях с учетом ионизирующей способности электрического ноля; определение возможности и условий протекания коронного разряда (КР) с подобных системах.

2. Исследование закономерностей алектромассолереиоса в лсеьдо-сшменных слоях и взаимодействия осаждаемых частиц с наполнителями различной структуры.

3. Разработку бффектилных микролеханических методов измерения адгезии термопластичных полимеров к тонгаш волокнам.

4. Определение специфики воздействия электрических факторов на рзико-ыеханическпе свойства граничных слоев в системах термопласт— юлекдо. Установление зависимости адгезионной' прочности от условий формирования контакта.

Научная нсшиьна пшоучдннш: рваультахов. Установлены закономерности протекания КР в псевдоокиженнык системах. Показано, что возникновение КР ведет к изменению механизма зарядки частиц: преобладающим становится осаждение на их поверхность ионов окружающего га-ьа. Исследовали закономерности кинетики осаздения полимерных частиц на диэлектрический и электропроводящий наполнитель, обнаружена корреляция между параметрами процесса злектроыассопереноса и характер-кш размером структурного элемента наполнителя.

Разработан новый вариант трехволоконного• метода определения адгезии, позволивший впервые применить этот метод к системе тонкое волокно — термопластичная матрица. Новая экспериментальная методика измерения прочности мелфаакого сцелления при фрагментации волокна во ьро'Нй растяжения микрокомло&ита дала возможность получить значения адгезии углеродных и стеклянных волокон к широкому классу термопластичных полимеров. Проведено сравнение микромеханических методов измерения адгезии, указаны условия, при которых они дают наиболее надежные результаты, и границы применимости каддого метода.

Определены закономерности процесса разрушения композита с ыо-новолоююы , вблизи поверхности раздела фае в зависимости от условий формирования и нагруяения.

Обнаружено, что электрически варяд, искусственно локализуемый на поверхности раздела, в 1.2-2 раза увеличивает адгезионную прочность соединений термопластов с волокнами.

- а -

Г??аяя?гс«{81 ^.таг-жсг?, ксхучз'Л'.и.г: результатов. С ¡¡с.мсщ.я пока методов непосредственного определения адгезии топких волскеи к полимерным матрицам впервиа получены числениие даяние, харштрипу-. вше взаимодействие термопластичных полимеров с широким классом углеродных. сте1шш?ых и арамвдных волокон. Найдены оптимальные теи-яературио-временные режимн процессов формирования адгезионного контакта для Содызого количества конкретных соединений матриц с волокнами.

' Предложены схеш процессов, повеохяыш сосредоточить избыточный электрический варяд на поверхности раздела волокно-матрица (электрсосаюениз заряженных частиц полимера, термообработка в неоднородном поле) и увеличить геи с?жч интенсивность мекфазного гзаяшдействга в 1.4-1.8 раза.

Полученные данные о вакономернастях кинетики &лектроосавдения полимерных частиц на. подлежи различной природы и структур» явились саговой для разработка ¡¡евщ эффективных режимов совмещения наполнителя со связуюяу-м, сбеслечиваопщх улучшение характеристик получаемых прелрегоэ (равноголцинность. постоянство, состава).

Вкстдоюсказ вяанююсз» псиучеяниз результатов. "Равработааиш приемы увеличения адгезии полимеров к волокнам при воздействии электрических полей и зарядов. а также технологические рекомендации по выбору режимов получения преярегоз слоистых пластиков являются основой технологии, позволяющей ив коупсиентов, производимых в Республике Беларусь (стеклянные и углеродные ткани и жгуты, дисперсные полинеры класса полкодефяков), создавать композиционные материалы, обладание повыиенними прочностными-свойствами по сравнения с имею-цжися аналогам;}.

Освсшэд пзгвззняя доссэргацж!. ашсскыаз на ватагу. Електро-нассолеренос дисперсных дизлектрюсов иа псевдсохиженного.елея определяется не только характеристиками электрического поля, но и гид-рсгина.!ичс!с;.:1мн свойствами слоя. Разработана модель процесса, уча-'тываяцая обе группы факторов.

Увеличение плотности тока газового рааряда в псевдоожиженном слое до Ю~7-10"6 А/и2 приводит к преобладанию ионного ссаздения вал контактной электризацией п процессе заряжения частиц дисперсного диэлектрика.

Раереботанные методики намерения эдгевии термопластичных полимеров к тонгаш волокнам с помощью шкромехандоеских тестов лоэвозя-юз быстро' и с минимальной погрешностью определить гначения адгезионной прочности. Сравнение вначений, полученный раепкми мотедвт,

дьет низшую шЦ-ориздню о "слабом песте" соединения и .характере вйв-похного .разрушения композита при различша способах нагруженпя. - . Дополнительный электрический варяд, сосредоточенный на поверхности раздела полимер-волокно, увеличивает адгезию термопластичных похкмерез ic углеродным волашам в 1.Б-2 раза л к стеклянным — е 1.2-1.Б pasa. Тормообрабсстся соединений пешмер-волокно б неоднородном электрическом поле, приводящей к ьлекгретиэации полимера, увеличивает адгезионную прочность в 1.4-1.8 раза.

Сцепление волокон с инертными матрицами существенно улучшается при нанесении на поверхность волокна тонкого заряженного • подслоя ьцге-ьионйо-актиьйого дисперсного полимера.

Jtïnxiï шея сойсяахаял. Автор принимал непосредственное учеа-tíw в постановке задач исследований [1-5, 8, 9, 14-25), разработке ыотздил исслелоьакия электрсмассолерекоса б псевдоожиженных састе-udx ÍG, 7, 12, 19, £1-243 и измерения ийзексивности адгезионного ььашвдействия между полимерными матрицам* и тонкими ариирухауши взломами С1-6, 8-18, £52, проведения Бкспериыентов и анализе подученных результатов. Мм созданы расчетные «одели ¡i выполнены кемпь-lúiwpiiúa вычисления в [6, Ю, 11 ], а таксе подготовлены тексты публикаций ti, 3, S, 14]. !

Агуабацча ^аульуаиш «¡«ссерхщш. Материалы диссертационной patíotu докладывались на XXIV Международной конференции но химической технологии и биотехнологии (Араш^урт-на-Ыайке, Германия, 1004). VIII н IX Международных конференциях по механике коыпоаитных материалов (Рига, Латвия, 1933, 1095), IV Всесоюзной конференции "Применение алеетронио-иоииой технологии в народной хозяйстве" (Москва, 1991), VIII межотраслевой 1Юй$ерен«ии. "Опыт и перспективы применения кешовишонных материалов в машиностроении" (Саыара, 1992), XVII, XIX и XX конференциях "клейка, и ыеханш;а композиционных материалов на основе полимеров" (Гомель, 1068, 1QGO, 1901), а также на конкурсах научных работ IM.C AIE (1038, 1S9Q, 1991).

Опубликованное» рэзулыгтв. По материалам диссертации опубликовано 13 статей, 13 тевисов докладов, получено одно авторское свидетельство СССР.

Структура и oôtea хясседнодян. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. изложена на 138 стр. машшописного текста, содержит 41 иллюстрацию , и £0 таблиц. Список цитируемой литературы вклачает 194 ссылки.

- 5 -

ОСНОВНОЕ СОЛЕРНАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования.

Анализируются литературные источники, предметом которых являются физика и технология нанесения в электрическом поле частиц дисперсного диэлектрика на подложки различной природы и структуры, а также механизм зарядки диэлектрических частиц. Рассмотрены представления различных авторов о структуре и свойствах псевдоожиженных слоев, о распределении электрических полей в межэлектродных промежутках, о взаимодействии заряженных частиц диэлектрика с внешним электростатическим полем, электродами, а также между собой. Показано. что существуйте схемы совмещения дисперсных связующих с непрерывными наполнителями в электрических полях настоятельно требуют учета ионизирующей способности электрического поля (возможного по-• явления газового разряда) как на стадии зарядки частиц, так и При six ос&кдении. Кроме того, в литературе недостаточно данных о взаимодействии злектроосавдежшх слоев с наполнителями различной структуры.

Обсуждаются литературные сведения, касающиеся интенсивности ме.гфазного взаимодействия на границе раздела матрица-волокно, количественной мерей которой является адгезия. Поскольку измерение адгезионной прочности соединений матриц с тонкими волокнами является чрезвычайно сложной задачей, основное внимание уделено методическим работам. Подробно рассмотрены различные ыикромеханические способы измерения адгезии, отмечены их достоинства и недостатки. Приведены конкретные данные, характеризующие интенсивность межфавного взаимодействия в системах полимер-волокна и ее зависимость от условий формирования адгезионного контакта. Показана недостаточность этих данных и поставлены задачи исследования, в части определения адгезии термопластов к волокнам, и в частности, ивучения специфики воздействия электрических факторов на свойства граничных слоев.

На основе анализа литературных данных сформулированы также задачи. относящиеся к стадия совмещения дисперсного связующего с непрерывным наполнителем в процессе получения г.репрегов слоистых пластиков.

Глава 2. Методика эксперимента.

Описаны объекты и методы исследования.- В качестве связующих испоД)зовади дисперсные термопласты с размером частиц до. 315 мкм: поликарбонат (ПК), полисульфон (ПО®), полиэфирэфаркетон сизею, полиэтилен высокой плотности ЦГЭВЯ), полипропилен (ПП), пеятапласт

(МП), полиьмилэденфторид (ШЛО-), пыштрн^торхлоратиден ШТФХЗ), полцвшшбутирань (НЕЕ). Наполнители (подложки): алюминиевая фольга. угольная лента а/|УР-0.1П и стеклоткани различной структуры: УТ0-76/8Й, Т-10, СТП-0.7, КТ-11-0.1- к другие. Для измерения адгезии к термопласт брали углеродные моноволокна ив жгута УКН-Л/5000, стеклянные из ровинга ЮШ-10-1230-80, а таю«» арамидные на основе ноли-л-амидобензимвдаэола (ПАБИ), поли-л-фенилентерефталамида (тер-лон) и поли-м-фенилениэсфталамида (фенилон).

Изучали процессы электромассопереноса. дисперсных полимеров ь нс&вдоолиженноы слое,- который получали с помощью устройства вибро-еихревого типа. Электрическое толе в рабочей камере создавали меаду двумя электродами, один ив которых (заземленный) являлся коллектором заряда, а другой (высоковольтный) мог бить источником КР. Перенос наряда часгишт порошка и ионами исследовали методом вольтам-гк-рти характеристик СВАХ) и с помощью цилиндра Фараден, перенос массы — весовым методом. Поверхностный электрический заряд образ-лов измеряли методом ьибрирующего электрода.

Адгезионную прочность соединений термопластов с волокном определяли микромехэпическими методами. Измерения -га грехволоконному методу производили с использованием оригинальных образцов (а.с. № 1770684, опубл. 07.18.1992), что.позволило впервые применить трех-волоконный метод для определения адгезии тонких волокон к термопластичным полимерам. Для испытаний методом фрагментации была разработана новая методика, использующая высокую деформируемость многих термопластов и позволяющая добиться минимальной погрешности.

Исследование структуры граничных слоев композитов и поверхности волокна проводили с помощью оптической (МИН-В) и сканирующей электронной и5М-50А) микроскопии.

Описана также методика г-облучения матрицы и микробиологической модификации поверхности.органических волокон, использовавшихся при исследовании адгезии в системах тонкое волокно — термопластичная матрица. Обсуждаются методы математической статистики, примененные для обработки результатов экспериментальных исследований.

Глава 3. Исследование закономерностей алектромассопереноса в псевдоохиженных слоях дисперсных полимеров.

Как известно, в псевдоожюкенном слое преобладают два механизма зарядки частиц: статическая электризация как результат контактного взаимодействия частиц при псевдоожижении и ионное заряжение в поле газового разряда. В данной работе вклад обоих механизмов анализиро-

пали о помощью метода вольтампериих характеристик.

На рис.] представлена типичные ВАХ межэлектродлого промежутка в псевдоожижешгом слое голисульфоиа (при плоском металлическом коллекторе). О еамсимсотв от икоты слоя Ь ВАХ имяот'дзе рэшювиднос-ти. Первая из ник (а) имеет излом, который характеризует переход от несамостоятельного газового разряда к самостоятельному (КР) при увеличении разности потенциалов. Другая (б) носит экстремальный характер, что свидетельствует об отсутствии КР. Здесь увеличение высоты псеэдосжлжеклого слоя (в сбщем случае — возрастание концентрации частиц в межэлектродном пространстве) сопровождается уменьшением как полного тока газового разряда, так 'и его ионной составляющей, что сзшзшю с уменьшением средней подвижности носителей наряда. Межэлектродгое расстояние не меняет характера зависимости, но оказывает значительное влияние на напряжение Икр возникновения КР:' с его увеличением величина {Д>р смешается в область более высоких

Рис.1. Вольт амперные характеристики псевдоожияешшх слоев ПОФ (1 — полный ток, 2. — ток ионов): а) Л - 25 мм; б) Л - 35 мм. Ме-жэлектродпое расстояние С.0 мм.

значений. Аналогичные зависимости были получены для псевдоожиженннх слоев поливиййлбуткрачя и пентаплзста раоличной дисперсности.

Лолученниб характеристики четко укаеывают, во-первых, на прин-, цияиакьиу» лос-мо^лость протекания КР в псевдсюжюкенш« системах, а во-втор.'« —: на то, что наличие КР существенно изменяет соотношение шсдадов различных .механизмов в зарядку ..частиц дисперсного диэлектрик.. При »появлении КР' резко возрастают.как полный ток и ток ионов, тек и разность 1« —тог. частиц, в то. время как в отсутствие КР прц

почти тех же потенциалах ток частиц значительно меньше. Это свидетельствует о том, что основным механизмом зарядки частиц становится ионное осаждение.

Экспериментально установлено, что при изменении диаметра час-ткц с 60 до 315 мкм (т.е. в 5-6 раз) ток черев псевдоожиженный слой уменьшается на три порядка. Этот факт трудно объяснить с точки вре-кия электростатики — требуется учет гидродинамических факторов. Разработанная стационарная гидродинамическая модель униполярно заряженного псевдоожиженного слоя позволила получить аналитическое выражение для изменения концентрации р варяжеякых частиц с высотой X. При малых р оно имеет вид р - роехр(-хЛхо), где яо~а4 (а — размер частиц). Поскольку измеряемый ток, т.е. поток заряженных частии на коллектор, определяется именно концентрацией заряженных частиц у осэдительного электрода, то и изменение тока с величиной а будет очень резким. Численные расчеты по модели для at - 25 мкм и -аг --150 ыкм даэт Ло1 Ухоz 7-1СГ4.

Осаждение заряженного дисперсного связующего в электрической поле на волокнистый наполнитель характеризуется примерно теми же кинетическими зависимостями, что и на гладкую проводящую поверхность. Однако есть ряд особенностей, различающих эти процессы. Волокнистая структура наполнителя обусловливает иное распределение электрического поля у поверхности, связанное с появлением вначи-тельных локальных градиентов напряженности поля. В случае электропроводящего наполнителя это объясняется сложной геометрией эквипотенциальных поверхностей вблизи наполнителя, а также возможным ко-ронирсзанием на дефектах структуры наполнителя (свободны? концах волокон) •• Для диэлектрических наполнителей важным фактором является остаточный поверхностный варяд, плотность которого в отдельных местах шкет быть очень велика. Эти особенности проявляются в следующих экспериментальных фактах:

— предельная поверхностная плотность вграда осаздекного слоя на волокнистом наполнителе меньше, .чем на гладкой проводящей поддонке. и резко уменьшается с ростом концентрации "свободных концов" и их длины, а также с увеличением характерного размера структурного элемента наполнителя;

— для диэлектрических наполнителей существенное влияние не кинетику электромассопереноса оказывает величина и знак начального заряда наполнителя б и направление тока (полярность газового разряда) (рис.2);

— БАХ меяюлектродяого промежутка становится более плавно?

кз-за обратного ксрснкрсвания, возникающего не одновременно на гь'о-тупашзих волокнах.

1аМ.Кл

с '

Ряс. 2. Изменение заряда ссахдеккого отрщзтельяьм КР (разность пот5ПЩ1злсз 25 кВ, ме-пэлэктрсднсе расстояние 110 км) слоя П® кз стечлотканъ ¡-'ТС-70-Сг. Рагмэр частиц 63-100 (•га. 1-5-0; 2 — 6-8 • 10~7 Кл/М2; 3 — б-3-1СГ5 КлЛчЕ; 4 — С—8-*0"7 М?У?Г; 5 — б—3-Ю"6

Анализ приведенных дш;га:ч. позволяет ваключить. что гакм-о-мэрности электромассопс,'.'ел дисперсных диэлектриков в псев-доожиженных слоях, а также вмлач различных механизмов в оар.едту частиц определяется, глазным образом, характером распределения электрических полей в межэлектродном промежутке. связанным с геометрией электродной системы, параметрами поля, структурой подложи, а такие режимами псев-дсхжижения и гранулометрический составом материала. Полученные результата позволяют разработать технологические рекомендации по применения' элементов злектрси-но-исвшй технологии в процесса-; получения препрегов слеястк* пластиков с цельй сптишзвцкя свойств.

Где?а 4. Исследование адгееионкого взаимодействия в скстеи-гч тонкое Еохокно — термопластичная матрица.

В таблице приведена результаты ивмеренкя адгезионной прочности (т) ссгдгиеяйЯ стеклянных и углероляых волокон с некоторым:! тар»..*ол-язстап!.

Расхсядение экспериментальная значений, полученных ргвж® иа-тсдакн, обусловлены различным характером вагруження вены контакта в холе иепктакня." В частности, при вытягивании волокна из матрицы па граккцг раздела наряду со .сдвиговыми напряжениями действуют сиш нормального отрыва, в.то время как при испытании методом фрагментации.— силы поперечного сжатия. Поэтому бначения X, получаемые последним методом, всегда несколько выше.

Адгезия стскляяшк и углеродных волокон к термопластичным иазрвц.-м

Матрица- Волокно

"Условия термообработки

I, мин

"Ьитягквзнке

Ы-ЗРтест

еар'Г ая

ГЛ—

1ЕЛ:>

ПКлЗ

!ГЧ

ЬСУ'

стекл.

С'Г 01 С!.

стекл. стекл. угде-р. углер.

£60/60 27о/£0 Г7.0/1Б £90/15 370/1 Г)

■¡ср.

Ш1а

—1з: 2"

105 4-1.0

110- '¿7. Б

Ш 07.7

Г.О-ОО Р4.Б*'

ЮТ-СО 33.0

>Ср, г,

кем Ша

1ЙИ"

Б23 65! 8

саг 41.3

245 132.0

■ 260 67.0

£47 6Б.0

".к — в-шгигаиле т калла: т — тргхволоконный метод.

1Ь л^ге^соурььм данным.

Научение Фрагментации иоповологла з ири пзисэд епти-

чхксЯ 2! здеюрсниоЯ микроскопии повволкло щадить три типа расру-•гпял »ШлТ-оксьыозита в облает граакцы разами:

а) сщсленнз волзккл от мг.?р;?ца и сю-ль/юпи;? ^раггелтез в канале (ауезяоячое разругейме);

б) иеяелеиие в ыс-сгах рзорЫЕа г.слои;а 1пп-.рэI, игрпездш'у-его оси;

в) пле.сти-госкат дефориаил ирилеп-глего к гаясхиу слал M-.it рн-

ш.

Ц".п большою тва соединений ториоплаелов с воде гагмя характерно рсорушэлие по типу а, которое набдадается, 1ха: пра&кло, в случае невысокой адгезии. Разрушение по типу б релее пе Сило с:шсаю »,-1 термопластов. Сио происходит яра ипгруязшш систем. ибладатак ги-со;;ой «г&$ззнсй прочностью. например, звэши-стауювсшгам. 0;и:з-ко. как вылсиил-хь, адгезионная прочность ие являотся констадгой для дашей пери компонентов и сильно оашеит от услоый ¡Нормирования соединения. Кач вгдао кз рис.З. увеличение температура формирования приводит ькачале к быстрому росту адгезионна: прочности. Это обусловлено шшыеикеы скорости образованы адгезионных связей из молекулярном уровне. Пададая вотзь гривой связана с изменением свойств магриху (деструкция, <<част>гидо скжга) и ростом остаточных напряжений с увольнением Т. Креме тоге, адгезионная прочность еавн-сит от времени Сформирования, сначала резко возрастал, а через 15-40 минут (с зависимости от природа компонентов) достигал касыценкя. Таким оСразси, прочность сцепления на кехфазпой границе определяется во сто/' по тпр?.<одии':.тчесг»М!, сколько шшетичеокини факторами.

и -

ÍO

¡lila

/д>>

<v

¡í

<10

cc

.30

ÍÓÜ 2üi> ¿50 T'C Z'IO 200 r/x

. Fi'c.'J, 1 ечлгрсггурлыо зависшэста одгеонспкоЯ прочносги оо?ди-пеиий ID (а) и -К (0) с углероднъ-ии Eorcraiax-.i. Гремя термхСр.чЗотн! 15 .».'¡г!. Ссгч.'ец-?}!»?: о — насюачис; я — олек:рсосаддеяи";.

1'лк С:<ло установлено огйпс ри.!онтзль:ю, увеличение скачстй адгевп-снпсй прочности при изменении условий формрозацш часто сспрсгск-дагтся и переходе»! от едгезпешюю раеруятиш (тип а) к смс.гглиому (;:нб) и затем чисто когевионнсму (б).

Одпгс« из ва-чиейшх факторов, ояределякгзк юш-лкку устжвло-и:« глгевисипих сгярей, являете.» напряженность лскгзьпн.ч злмпп-,-каких полей э испе язв&юясйаппя ксмясиентоэ. Так, такргмаяти пскаоали, что при эдектроосакдсшш г.а ясверяность голокоп егрякси-!»сго псдсл;я материал!» уатрчци (БК, 113) 'адгееионнзл прочность соо-лкясттй посрпстаот го ьсеч тсмаерачур'им интервале (рис. 0,0). Ло-кчлндо аяектряческое пода иаччо создать по только олектроосауюян-см, но !! подачей потенштла непосредственно ::а проводящее кслскно в процессе юрмооСработки. Л«1ствкхел1 нэ,даивкА процесс приводил к удоичевкэ прочности сдассшга гсрмоплосгичгш матриц с УЗ в 1.4-1.В раза, в то гремя гаг термообработка соодипеаий в едкоредкем

ПОЛО Н2ПрЯЖ®!Ш0СТЬЮ ДО *107 В/М, 1!Э СОСДОККЗЗЯ ,НОПСЛ!!НТеЛЫ!ОГО азрл-

да сСлпзп кеафаэйоА граялш, не гриводят и к увеличен.'«» адгезия. Лдгеоношш срочность сосдачсшм монотонно уведгчмгяотся с ростам удельного заряда осаждаемого материала от О до я>4«10"4 Кл/кг.

Возрастание ацгееин полимеров к волокнам при паличип влегари-чгстгаго заряда на поверхности раздела может объясняться следуявем флюгерами:

— Хотя иэСнтбчшй. серяд подслоя релакскрует при т^рчс^'р.т.Т-от-

пе практически игповешга (кеисвелловспсе Ереия рглексацкй заряда t:vf-££oPV для ПК при Г-335°С составляет кс), часть его удерживается на межфаэной границе силами веркального. отображения, что приводит к росту эффективного заряда двойного электрического слоя и, вследствие этого, к увеличен™ х. Этот механизм работает только для проводящих волокон.

— Некоторое увеличение начальной плотности электроосажденяого слоя полимера по сравнении с незаряженным ведет к более высокие вкачениям реальной плсидци контакта на начальных стадиях формирования соединения. Этого фактора кет Еря теркообработке в электрическом поле.

— Дополнительный варяд у поверхности раздела вызывает некоторое дополнительнее сближение волокна и матрицы, что существенно увеличивает иолекудярнув составляющую сил адгезки, сильно вагкея^то от расстояния между контактирующими тела^м.

— Ориентация макромолекул полимера в поле поверхностного варяда способствует более эффективному взаимодействии активных групп матрицы с волокном.

В одном из экспериментов на углеродное бслсккс электростатически наносили подслой мелкодисперсного К толщиной «20 ьмг. Затгу волокна с подслоем быля ваклвчены в катряцу ив 1ЩЦЭ, я полученные оЗргЕцы испытывали обычным способов. Значение т, полученное дгл данной систеиы (Б2.4 Ша). является прожжуточным меэду соответствующими значениями для соединений УВ-ПК и УБ-ЩЦЭ прм тех se условиях формирования. Тагаа: образом, незначительное количество ПК на поверхности волокна позволяет вяачктельво увеличить его азгевнэ к ЩЯФ, что подтверждает определякгуя роль подслоя, находящегося в непосредственном контакте с волокном.

Подученные ревультаты свидетельствуют об уникальных вовможкос-тях электронно-ионной технологии: осаждение электрозаряжешшх частиц полимера на непрерывный наполнитель не только является вффек-тивныа и производительеыи методом получения преирегов слойстих пластиков, но и позволяет значительно улучшать их свойства ва счет увеличения адгевюняой прочности на гратаце раздела.

. ОСКОВНЫЕ ВШОДЫ

Неучен процесс совмещения в электрической поле териояласигыак полккеров в дисперсной виде с волокнистыми армярукязимм наполнителями и его влияние ва адгевиевкуи прочность соединений разнородных компонентов в препрегах н конструкционных пластиках, на их основе.

1. Установлено, что злектрсыассспсренос дисперсного полимера из псевдоавд.тенного слоя на поверхность армирующего наполнителя зависит как от параметров электрического поля, так и от гидродинамических свойств слоя, связанных с дисперсностью связующего и режимами ведения процесса. Разработана стационарная гидродинамическая модель псевдоотйженного слоя униполярно заряженного дисперсного диэлектрика, удовлетворительно списывающая наблюдаете в эксперименте закономерности.

■ 2. Определены условия и характер протекания коронного разряда (КР) в псевдсюжижеянсм слое диэлектрического материала. Показакй, что параметры КР определяются характером распределения поля в пространстве между системой электродов и поверхностью осатдешзя, геометрией системы, гранулометрическим составом дисперсного связующего, структурой и природой волокнистого наполнителя. При увеличении плотности тока газового разряда до 10"7 - 10"° А/м2 основным механизмом заряжения частиц диэлектрика становится осаждение на их поверхность ионов окружающего газа.

3. Разработаны методики сценки адгезионной прочности в системе термопластичное связующее — волокнистый наполнитель, позволившие провести анализ и сопоставление характера взаимодействия на границах раздела разнородных компонентов комповиционных материалов:

— сравнение, прямых методов (вытягивание волскна из матрицы,■ трехволоконкый метод, фрагментация) измерения адгезии термопластичных полимеров к волокнам показало, что наблюдаемые различия свяеапи-со спецификой нагружения контактной зоны, определявшей механизм разрушения;

— установлены закономерности вваимолереходов меаду типами разрушения композита вблизи поверхности раздела фаз при язиеиешп: условий формирования адгезионных соединений; разработана новая экспериментальная методика определения адгезии при испытании методом фрагментации;

— предложен вариант трехволоконного метода оценки адгезии термопластов к тонким1 волокнам, что позволило определить значения адгезии широкого масса полимерных матриц к волокнистым армирующим наполнителям'в-зависимости от состояния контактирующих поверхностей и условий совмещения.

4. Обнаружено увеличение адгезии термопластичных полимеров к электропроводным (углеродным) волокнам в 1.5-2 раза и к диэлектрическим (стеклянным) — в 1.2-1.5 раза при формировании препрегов пластиков путем электроосаждения частиц связующего ив исевдоожижен-

наго слоя. По(саэало, что основным фактором, определяющим рост адге-вии; является дополнительный электрический заряд, сосредоточенный на поверхности раздела.

Ъ. Разработаны варианты совмещения частиц термопластичного свявующэго с армирующим наполнителем в неоднородном электрическом поле, приводящем к злектретизации полимера, что позволяет увеличить прочность адгезионного взаимодействия термопластичных матриц с углеродными волокнами в 1.4-1.8 раза.

0. Показано, что путем изменения зарядового состояния компонентов композиционных систем можно управлять интенсивностью их тг-фавного вваимодействия. Эффективным приемам увеличения сцепления волокон с инертными матрицам является нанесение на их поверхность тонких варялениыя слоев полимера другой химической природы.

. Разработаны технологические рекомендации по выбору температур-но-временных режимов и типов электрофизического воздействия в процессах получения препрегов слоистых пластиков на основе термопластичных полимеров и волокнистых наполнителей.

Основные результаты работы наложены в следуют^; публикациях:

1. Zhandarov S.F., Dovgyalo Y.А., and Plsanova E.V. The Et-fect of Electric Fleld on the Bond Strength Between Thermoplastlc Polymers and Carbón Fibers // J. Adhesión Sel. Technol. 1994. Vol.8. lio.9. P.995-1005.

2. Plsanova E.V., Zhandarov S.F., and Dovgyalo V.Л. ínter-facial Adhesión and Failure Modos ln Single Filament Thernoplas-tic Composites // Polymer Composites. 1994. Yol.16, No. 2. P.147-1Б5. '

0. Жандаров С.Ф.. Дисаиова E.B., Довгяло Б.А. Фрагментации моноволокна при растяжении в матрице как метод определения адгезии // МКМ. 1992. №3. С.384-403.

4. Довгяло В.А., Жандаров С.Ф., Писанова Е.Е.'Определение адгезионной прочности в системе термопласт — тонкое волокло // МКМ. 1990. №1. С.9-12.

5. Писалова Е.В., Жандаров С.Ф., Довгяло В.А. Роль интерфазы в процессе передачи напряжений-между термопластичной матрицей и тонким армирующим волокном // МКМ. 1S95 (в печати).

6. Довгяло В.А., Нандаров С. Ф., Юркевич О.Р. О некоторых закономерностях переноса заряда в псевдоожкженном слое дисперсного диэлектрика // ИМ. 1990. Т.БО, №б. С.939-935.

'!. Жандарои С.ф., Ловгило В. А. Об эффективности коронного разряда в лсевдесдашенных слоях дисперсных полимеров М ЛКМ. 1991. №б. С. £5-27.

8. Иисанова Е.В., Жаадаров С.Ф., Довгяло В.А. Адгезионная прочность в системах термопластичный полимер — тонкое волокно. Зависимость намеряемого значения от метода испытаний П МКМ. 1933. Н°2. 0.232-239.

9. Шздаров С.Ф., Довгяло В.А., Писанова Е.В., Миронов B.C. Влияние электрических полей и зарядов на адгезионное взаимодействие компонентов в полимерных волокнистых композитах и МКМ. 1993. Т. 29, №2. С.267-273.

10. Свириденок А.И., Сиротина Т.К., Писанова Е.13., Кандароь С.Ф. Влияние биохимической обработки на прочностные и адгезионна свойства волокон из поли-л-амшюбензимидавола // МКМ. 1991. 1!°6. С.771-776.

11. Pisanova E.V. and Zhfandarov S.F. Modification of Polyamide Fiber Surfaces by Micro-organisms J J J. Adhesion Scl. TechnoI. 1995. Vol.9, No.9. P.1291-1S01.

12. Дандаров С.Ф., Довгяло В.А., Юркевич O.P. Влияние электри-, ческих и структурно-механических свойств волокнистых наполнителей на злектромассоперенос дисперсных полимеров // Becitf АН Беларус1. Сер. ф1э.-тэхн. навук. 1994. №4." С. 18-22.

13. Жандаров С.Ф., Писанова Е.В., Довгяло В.А. Намерение адгезии углеродных и стеклянных волокон к термопластичным полимерам методом растяжения композита с единичным волокном // Пласт, массы (в печати).

14. Zhandarov 3.F., Pisanova E.V., and Dovgyalo V.A. Highly Charged Sublayers of Powdered Matrices in the Production cf Fibre-Reinforced Plastics // ACHEMA'94: 24th International Meeting on Chemical Engineering and Biotechnology. Sect. Materials Technology, 5-li June 1994, Frankfurt am Main/Germany. Frankfurt am Main: DECHEMA e.Y., 1994. P.104.

16. Pisanova E.V., Zhandarov S.F., Dovgyalo V.A. Reinforcing Fibre — Thermoplastic Matrix Interfacial Shear Strength Measurement by Three-Fibre and 5FC Methods // EURADH'92: European Adhesion Congress and Exhibition, 21-24 September 1992, Karlsruhe/Germany. Frankfurt am Main: Schon & Wentzel, 1992. P.232-237.

16. Жандаров С.Ф., Довгяло В.А.. Писанова Е.В., Миронов B.C. Влияние электрических полей и зарядов на адгезионное взаимодействие компонентов в полимерных волокнистых комповитах // VIII Мвжлународ-

- IS -

пая конф. 'по иехашке композитных матер. P¡:ra, 1333. Тез. докл., с.66.

17. Писанова Е.В., Жандаров С.Ф., Довгяло В.А, Адгезионная прочность в 'системах термопластишшй полимер — тонкое волокло. Зависимость измеряемого значения от метода испытаний // VIII Мекдуна-родная конф. по механике композитных матер. Рига, 1993. Tea. докл., с.140.

18. Pisanova E.V., Zhandarov S.F., and Dovgyaio V.A. The Role of Interphase In the Load Transfer between Thermoplastic Matrices arid Thlrt Reinforcing Fibres // IX International Conf. on Mechanics of Composite Materials, Riga/Latvia, October 17-20, 1995. P.125.

19. Довгяло В.А., Жандаров С.Ф., Юркевич О.Р. Особенности газового разряда в псевдоожнкенном слое дисперсного диэлектрика // Применение электронно-ионной технологии в народном хозяйстве: Тез., докл. IV Всесоювн. конф. — Москва, 1991. С.65-66.

20. Писаноьа Е.В., Жандаров С. 2>., Довгяло В.А. Адгезионная прочность и гяиы разрушения в системах термопластичное связующее — тонкое армирующее волокно // Опыт и перспегагивы применения композиционных материалов в машиностроении: Tee.докл. VIII межотраслевой конф. — Catiapa, 1932. С. 9-10.

21. Жандаров С.Ф. Исследование особенностей газоразрядных цро-цессов при псевдоожиженщ! дисперсных полимеров // Физика к механика кшпобиционных материалов на основе полимеров: Тев.дока. XVII науч.-техн. конф. —Гомель, 1988. —С.4.

22. Жандаров С.ф. Об эффективности коронного разряда в псевдоо-жиженных слоях дисперсных полимеров //'Физика и механика кошгавици-онных материалов на основе полимеров: Tes.докл. XIX науч.- техн. конф. — Гомель, 1990. — С.118-119.

23. Жандаров С.Ф.. Писанова Е.В. Влияние электрических полей и варядов на адгезионную прочность в системах термопласт — тонкое волокно. У/ Физика и механика компоаиционных материалов на основе полимеров: Тев.докл. XXI науч.-техн. конф. — Гомель, 1993. — С.37-38.

24. Жандаров С.Ф. Вваимосвявь параметров алектромассопереноса и варядового состояния приэлектродного сдоя // Физика и механика композиционных материалов на основе полимеров: Tee.докл. XX науч.-теки. конф.-школы. — Гомель, 199Í. — С.45-46.

£Б. А.с. 1779984 (СССР). Способ иаготовления образца для определения адгезии волокна к термопластичному полимеру // Довгяло В.А., Жандаров С.Ф.. Писанова Б.В. Опубл. в В.И. №5. 07.12.92.

р а з ю м а

НАНДАРАУ СЕРГЕЙ ФЁДАРАВ1Ч Уплы? эдектрычкых палёу 1 зарадау на лрацзс сумяячэлня 1 адгез!йную тршаласць у с1стэке тзрмаплзстычная матрица -- Еатакн1сти напауняльн!к

Ключавыя сдовц: тэрмалластичныя пал!мери, валакн1стыя иапау-няльнШ, электрычнае поле, электричны зарэд, каронны рзерад, электрамасаперанос, адгез1я, м1крамехан1чныя метает, падсла!.

Вывучалы лрацэс сумяЕчэння дисперсных тэрмапластычшя пал1ме-рау з тонк1м1 арм1руючым1 валокнам!. Мэтай работы в'яв1лася виву-чэнне уплыву злектрычных палёу 1 зарадау, як1я даей.ч1чаюць у гэтым працзсе, на зфектыунасць сумялчзння 1 адгез1йную трываласць атршл-веемых елучэнняу, 1 выбар схем эдектрачнага увдвеяння для пазы-1ЛЭННЯ адгез11 тэрмапластау да валокнау.

Перанос зараду часц1нкгм1 пал1мера 1 свабодным1 1онем1 дасле-дззап нетадам вольтамперных характарысгык 1 з дапамогай цьШндра (1градзя. Адгез1йную трываласць у с!стзмах тэрмапласг-валакно вывна-чде! м1!фамехан1чным1 иетадам!. Бри гэтым бил! распрацаваны нсвыя штоднк1, й1'.1я дал! магчшасцъ хутка 1 з найвышзйиай дакладнасцо агюраць гдгеа!» тэрыапластычных нал1мерау да тояк1х валокнау.

Усгансулены з&таламернасц! працякання газавата разраду у псеул-эзад^шшх схстзмах 1 валежнасиь механ1зму варадк1 часц1нак ал типу раергду. Еызучаиа к!нетына асаджэння пад1мерных часц1нак на иачаунялънШ раздай природы 1 структуры.

Сыяулека павел1чзнне адгезИ тэрыапластычных пал1мерау да ва-Л01Ш&У у 1.2-2.0 раза у залежмасщ ад прыроды кампанентау 1 схемы Електричнага уэдзеяння на працзс сумяшчэння. Эфектыуным приёмам па-в>5л1чзкня счалленкя валокнау з 'нертним! матрицач1 з'яв!лася наня-сенне на 1х пагерхня тонк1х аараджаных пал!ыершх падслаёу.

Атрымакня вын!к1 з'азШся ас певай для распрадоук! новых зфек-тнукнх рзжшау сумяЕчэяня напауняльШкау з матрицам!, як1я зайяс-печзаздь паляпшзняе характеристик атршМЕаемш' камлаз1тау. Новыя ыетольк1 вызначэння адгев1йизй трываласц1 могуць Сыць еыкарыстаныя пры распрйцоуш новых пластыкау у якасц1 зкспрзс-метадау для хуткай ацэнк! уплыву ровных тэхяалаПчннх прыёмау на адгев1ю каыпаяеитау;

РЕЗЮМЕ

ЖАНДАРОВ СЕРГЕЙ ФЕДОРОВИЧ Влияние электрических полей и зарядов на процесс совмещения и адгезионную прочность в системе термопластичное связующее — волокнистый наполнитель

' Ключевые слона: термопластичные полимеры, волокнистые наполнители, электрическое поле, электрический заряд, коронный разряд, электромассоперенос. адгезия, микромехачические методы, подслои.

Исследован процесс совмещения дисперсных термопластичных полимеров с тонкими армирующая волокнами. Целью работы явилось изучение влияния электрических полей и зарядов, действующих в этом процессе, на эффективность совмещения и адгезионную прочность получаемых соединений, и выбор схем электрического воздействия для повышения адгезии термопластов к волокнам.

Перенос заряда частицами полимера и свободными ионами исследовали методом вольтамперных характеристик и с помощью цилиндра {•ара-дея. Адгезионную прочность в системах термопласт-волокно определяли мнкромеханическими методами. При этом были разработаны новые методики, позволившие быстро и с минимальной погрешностью измерить адгезию термопластичных полимеров к тонким волокнам.

Установлены закономерности протекания газового разряда в псев-доожиженных системах и зависимость механизма зарядки частиц от типа разряда. Исследована кинетика осавденкя полимерных частиц на наполнители различной природы и структуры.

Обнаружено увеличение адгезии термопластичных полимеров к волокнам в 1.2-2.0 раза в зависимости от природы компонентов и схемы электрического воздействия на процесс совмещений. Эффективным приемом увеличения сцепления волокон с инертными матрицами явилось нанесение на их поверхность тонких заряженных полимерных подслоев.

Полученные результаты составили основу для разработки ноьых эффективных режимов совмещения наполнителя со связующим, обеспечивающих улучшение характеристик получаемых композитов. Новые методики определения адгезионной прочности могут быть использованы в качестве экспресс-методов дм быстрой оцеяки влияния различных технологических приемов на йдгеадо компонентов в создаваемых пластиках.

- 19 -1 SUMMARY

ZHANDAROV SERGEY FYODOROYJCH '.• " The effect of electric fields'and charges :

on the combining process and bond strength In thermoplastic matrix/fibrous reinforcement systems

Keywords: thermoplastic polymers, fibrous reinforcement, electric field, electric charge, corona discharge, .charge and mass transfer, adhesion, micromechanical techniques, sublayers.

The process of powdered thermoplastic polymers ccmbininsj with thin reinforcing fibres has been studied. The aim of this thesis was to study the effect of electric fields and charges acting in the process mentioned cn the combining effectivity end the polymer-fibre bond strength, aid to design the joint formation process Involving electrical treatment to provide maximum adhesion.

Charge transfer by polymer particles and free ions \?as investigated by the I-V characteristic method as well as using a Faraday cup. Adhesional bond strength in thermoplastic polymer/thin fibre systems was determined by irilcrcsnechanlcal tests. New testing ■procedures have been proposed to measure thermoplastic polymers adhesion to various thin fibres fast and with maximum accuracy.

Regularities of the gas discharge behaviour in fluldized systems and the influence of the discharge type cn the mechanism of the particles charging have been determined. The kinetics of polymer particles deposition onto textile reinforcement of varicus natures and structures has been studied.

Electrical treatment was proved to rise the thermoplastic polyser/fibrcus reinforcement adhesion (by 20-100X, dependent on the components natures and the type of the treatment).. One cf the effective trays to improve fibre bonding to inert matrices was the . deposition cf a thin highly charged sublayer onto its surface.

The results described form the basis for the design of new effective processes of polymer/reinforcement combining, improving the properties of the materials.obtained. The new adhesional bond strength measurement procedures can be used as express methods for quick estimation cf technological factors effect on intercomponent bonding In plastics under design.