Краевой угол смачивания находят по следующей формуле (1):
d/2
cosq = --------------- (1)
Ö(d/2)2+h2
За результат испытания принимаем среднее арифметическое десяти измерений.
2.2.3. Определение адгезии методом отслаивания
Метод отслаивания заключается в измерении усилия, необходимого для отслаивания гибкой подложки от стеклоткани и бумаг.
Испытания проводились на разрывной машине (см.метод разрыва) при температуре (20±2)0С. Перед определением адгезии измеряли толщину и ширину полоски в трех местах. Полоска закрепляется в зажимах разрывной машины так, чтобы отогнанный край образца был зажат в неподвижном зажиме.
Образец отслаивают при скорости движения подвижного зажима 0,0010-0,0012 м/с (6,5 - 7,0 см/мин) и угле расслаивания 1800.
Адгезию в Н/м (кг/см) вычисляют как среднее арифметическое из восьми-десяти определений, допускаемые расхождения между которыми не должны превышать 10%.
2.2.4. Методика определения адгезионной прочности
Для определения адгезионной прочности соединений полимеров с волокнами (в данной работе стеклянное волокно диаметром 0,14 мм) измерялась сила F, необходимая для выдергивания волокна из слоя адгезива, т.е. определялась сдвиговая адгезионная прочность.
Адгезионное соединение возникает на поверхности волокна, погруженного в слой адгезива. Геометрия соединения характеризуется длиной l, определяемой толщиной слоя полимера, и площадью S=pdl, где d-диаметр волокна, при этом величину S можно назвать площадью контакта. Адгезионную прочность каждого испытанного образца рассчитывают по формуле t=F/S.
Для строгого выполнения вышеприведенной формулы и соответственно для получения “безусловного” значения t необходимо, чтобы:
· сечение волокна было круглым;
· диаметр погруженного в матрицу участка волокна - постоянным;
· волокно равномерно (без нарушения сплошности) было покрыто полимером;
· видимая и истинная площади соприкосновения волокна и полимера были одинаковые;
· касательные напряжения на границе раздела между связующим и волокном были распределены равномерно.
Образцы готовили следующим образом: чашечки из алюминиевой фольги (предварительно отштампованные с помощью специального пуансона и матрицы) устанавливаются в многогнездные алюминиевые формы. В чашечки через отверстие посередине вставлялось волокно (стекловолокно). Площадь контакта регулируется количеством связующего. Если поверхность соприкосновения волокна и полимера слишком велика, то силы адгезии будут преобладать над силами когезии, и при приложении нагрузки будет происходить обрыв волокна, а не выдергивание его из адгезива.
Оптимальной площадью контакта является интервал от 0.3 до 1мм2, после чего чашечки заполнялись композицией и помещались в термошкаф (с предустановленной температурой 160 или 1800С), где находились заданное время (от 30 минут до 10 часов).
Полученные образцы после извлечения из формы помещаются в многогнездовой адгезиометр с присоединенным к нему самописцем типа ЭПП-09. К образцам прикладывается определенная нагрузка, что приводит к вырыванию волокна из слоя адгезива (адгезионному разрушению образцов). Величина нагрузки фиксируется по регистрирующему прибору.
Толщина слоя полимера у образцов, отлитых в формы, измеряется после разрушения адгезионного соединения при помощи микрометра с двумя конусными вставками МВМ. Так как при смачивании волокна адгезивом всегда образуются мениски, то высота слоя полимера измерялась непосредственно над отверстием, остающимся после выдергивания волокна. Диаметр площади конических вставок составляет 1-2 мм. Использование такой малой площади опоры позволяет избежать ошибок за счет неровности полимерного слоя. Толщина фольги известна заранее и вычитается из измеряемой длины.
2.2.5. Определение прочности при растяжении и относительного удлинения при разрыве
Испытание образцов на прочность при растяжении и относительное удлинение при разрыве проводили по ГОСТ 14236-81 с обработкой результатов испытаний по ГОСТ 14359-60 на разрывной машине “TIRATEST-2150”. Шкалу нагрузок выбираем таким образом, чтобы измеряемая нагрузка находилась в пределах 10….90% от номинального значения шкалы. Расстояние между зажимами – (30 ± 5)мм. Испытания проводятся на образцах шириной (10 ± 0,2)мм, вырезанных из стеклоткани и различных видов бумаг. Бумага различается по сопротивлениям.
Образцы готовили методом прессования при температуре 170-1900С.
Образцы, взятые для испытания, должны иметь гладкую, ровную поверхность, края образцов должны быть без зазубрин и других видимых дефектов.
Скорость раздвижения зажимов испытательной машины (35±5)мм/мин. За результат испытания принимаем среднее арифметическое десяти измерений.
III. 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
| № | Образцы | Чистый ПА | Смесь ПА +10% ПБТ | Смесь ПА +20% ПБТ | Смесь ПА +50% ПБТ | ПЭВД |
| cosq | cosq | cosq | cosq | cosq | ||
| 1 | Стеклоткань | 0,6518 | 0,7453 | 0,6365 | 0,9046 | 0,6939 |
| 2 | Стеклоткань (тв.) | 0,7427 | 0,8055 | 0,8282 | 0,8709 | 0,5617 |
| 3 | Бумага 30 Ом | 0,6327 | 0,6709 | 0,6623 | 0,7591 | 0,5348 |
| 4 | Бумага 70 Ом | 0,6579 | 0,7318 | 0,6359 | 0,9229 | 0,6266 |
| 5 | Бумага 140 Ом | 0,5619 | 0,6951 | 0,6048 | 0,8832 | 0,5743 |
| 6 | Бумага 270 Ом | 0,6455 | 0,6789 | 0,6992 | 0,8345 | 0,4925 |
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
| № | Образцы | ПЭВД | Образцы, обработанные 10%-ным раствором ПАВ | Гранулы, обработанные 10%-ным раствором ПАВ | ||||
| 1 | 2 | 3 | 1 | 2 | 3 | |||
| cosq | сosq | сosq | cosq | cosq | cosq | cosq | ||
| 1 | Стеклоткань I | 0,6939 | 0,5359 | 0,4856 | 0,5766 | 0,6072 | 0,5491 | 0,7115 |
| 2 | Стеклоткань II | 0,5617 | 0,7778 | 0,6208 | 0,6585 | 0,6335 | 0,5655 | 0,7162 |
| 3 | Бумага 70 Ом | 0,6266 | 0,6225 | 0,6292 | 0,6886 | 0,5457 | 0,4963 | 0,6976 |
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.