Wstęp
Żywice fenoloweto materiały termoutwardzalne powstające w wyniku reakcji kondensacji związków fenolowych i aldehydów, najczęściej fenolu i formaldehydu. Materiały te są stosowane w systemach kompozytowych, gdzie istotne mogą być właściwości termiczne, ognioodporne, stabilność wymiarowa lub odporność chemiczna.
Utwardzone systemy żywic fenolowych mogą wykazywać stosunkowo kruche pękanie, chociaż zależy to od składu chemicznego żywicy, składu i warunków utwardzania. Silnie usieciowana struktura sieciowa, która zapewnia odporność termiczną i chemiczną, ogranicza również mobilność cząsteczek, co może wpływać na zachowanie przy pękaniu.
Wytrzymałość matrycy a odporność na pękanie kompozytu
Wyniki związane z ciągliwością należy interpretować zgodnie z poziomem materiału i rozważaną metodą testową. Istotne jest kilka odrębnych koncepcji:
Wytrzymałość osnowy dotyczy odkształcenia i pochłaniania energii przez utwardzoną osnowę przed zniszczeniem.
Parametry odporności na pękanie to specyficzne właściwości mechaniki pękania mierzone w określonych warunkach próbki i badania.
Badanie udarności charakteryzuje reakcję materiału lub próbki pod szybkim obciążeniem.
Odporność kompozytu na pękanie i tolerancja na uszkodzenia dotyczą zachowania całego systemu kompozytowego.
Pomiary te opisują różne aspekty zachowania materiału, więc poprawa jednej właściwości niekoniecznie odpowiada poprawie innej.
Strategie gumowe, chemiczne, wielofazowe i wybrane nanocząstki zmieniają przede wszystkim matrycę lub fazę zawierającą matrycę, podczas gdy architektura włókien i zachowanie międzyfazowe wpływają przede wszystkim na reakcję pękania całego kompozytu.
Modyfikacja gumy
Modyfikacja gumy to dobrze zbadane podejście do wybranego hartowaniasystemy żywic fenolowych. Badano modyfikację elastomerów jako sposób modyfikowania zachowania na uderzenia i pękanie w wybranych preparatach fenolowych.
Obserwowane efekty zależą od składu chemicznego gumy, morfologii, dyspersji, zachowania międzyfazowego, warunków utwardzania, obciążenia i metody badania. Rozproszone domeny gumowe mogą zmieniać lokalne pola naprężeń i zachowanie propagacji pęknięć. Zaangażowane mechanizmy zależą od konkretnej morfologii i składu żywicy i gumy.
Obciążenie gumą może wpływać na zachowanie podczas przetwarzania, sztywność i zachowanie termiczne, dlatego należy ocenić odpowiedni poziom dla konkretnego składu.
Wzmocnienie włókien i zachowanie przy pękaniu kompozytu
Wzmocnienie włóknami modyfikuje przede wszystkim zachowanie przy pękaniu i tolerancję na uszkodzenia całego kompozytu, a nie wewnętrzną wytrzymałość utwardzonej matrycy fenolowej. Stosuje się różne architektury włókien, w tym włókna krótkie, włókna ciągłe, wzmocnienia tkane i wzmocnienia włókninowe, w zależności od wymagań zastosowania.
Wkompozyty fenolowe wzmacniane włóknami, kilka mechanizmów może przyczyniać się do odporności na pękanie:
Mostkowanie włókien może zwiększać odporność na pękanie, gdy włókna obejmują rozwijające się pęknięcie i są odporne na otwieranie się pęknięć.
Jeżeli pozwalają na to warunki rozwarstwiania i poślizgu międzyfazowego, wyciąganie włókien może przyczyniać się do absorpcji energii.
Ścieżki pęknięć mogą być również przekierowywane przez włókna lub interfejsy.
Zachowanie kompozytu wzmocnionego włóknami przy pękaniu zależy od czynników obejmujących architekturę zbrojenia, orientację, udział objętościowy, zachowanie międzyfazowe, sposób obciążenia i proces produkcyjny. Właściwości międzyfazowe wpływają na przenoszenie obciążenia i zachowanie przy pękaniu. Aby zmodyfikować zachowanie międzyfazowe włókno-matryca, można zastosować środki sprzęgające i obróbkę powierzchni.
Modyfikacja chemiczna i wielofazowa
Modyfikacja chemiczna
Modyfikacja chemiczna może zmienić strukturę i reakcję mechaniczną utwardzonej sieci fenolowej. Modyfikacje mające na celu zmianę zachowania związanego z pękaniem mogą również wpływać na sztywność, zachowanie termiczne, właściwości utwardzania lub przetwarzalność.
Kardanol i inne składniki pochodzące z płynnych łupin orzechów nerkowca badano jako modyfikatory w układach fenolowych. Uzyskane zachowanie mechaniczne i termiczne zależy od składu i warunków utwardzania.
Przenikające się sieci polimerowe
Wzajemnie przenikająca się sieć polimerowa (IPN) składa się z dwóch lub większej liczby sieci polimerowych, które są co najmniej częściowo przeplatane w skali molekularnej, nie są ze sobą związane kowalencyjnie i nie można ich rozdzielić bez zerwania wiązań chemicznych. Mieszanina oddzielnie utworzonych sieci polimerowych sama w sobie nie jest IPN.
Półprzenikająca się sieć polimerowa zawiera jedną lub więcej sieci polimerowych wraz z jednym lub większą liczbą liniowych lub rozgałęzionych polimerów, które penetrują strukturę sieci w skali molekularnej.
W zależności od składu, morfologii i warunków przetwarzania architektury IPN lub semi-IPN mogą zmieniać równowagę zachowania mechanicznego, termicznego i pękania w układach zawierających fenole.
Modyfikacja nanocząstek
Nanocząstki badano jako modyfikatory wsystemy żywic fenolowych. Ich działanie zależy od składu chemicznego cząstek, obciążenia, dyspersji, właściwości powierzchni i interakcji z matrycą.
Jakość dyspersji może wpływać na zachowanie systemów modyfikowanych nanocząsteczkami. Obróbka powierzchni i strategia dyspersji mogą mieć wpływ na kompatybilność i wydajność.
Nanocząstki mogą zmieniać zachowanie propagacji pęknięć w zależności od dyspersji i interakcji międzyfazowych. Sztywność, wytrzymałość i wytrzymałość są odrębnymi właściwościami i mogą różnie reagować na modyfikacje.
Ocena wydajności związanej z wytrzymałością
Charakterystyka uderzenia i złamania
Testy Charpy'ego lub Izoda można wykorzystać do porównania reakcji na uderzenie w określonych warunkach próbki i badania. Badania udarności i badania mechaniki pękania dostarczają różnych typów danych charakteryzujących i nie są zamienne.
Konfiguracje zgięcia z pojedynczym karbem (SENB) można wykorzystać do charakteryzacji mechaniki pękania w ramach mającej zastosowanie metody badania polimerów. Ważność podanych parametrów odporności na pękanie zależy od geometrii próbki, reakcji materiału i warunków testu.
W przypadku odpowiednich kompozytów laminowanych do charakteryzowania pęknięć międzywarstwowych typu I można zastosować metody belek podwójnych wsporników (DCB). Do charakteryzowania pęknięć międzywarstwowych trybu II odpowiednich laminatów można zastosować metody zginania z nacięciem końcowym (ENF). W przypadku kompozytów laminowanych, gdzie odporność na rozwarstwianie jest kwestią projektową, szczególnie istotna może być charakterystyka pęknięć międzywarstwowych.
Wspomaganie charakterystyki mechanicznej i lepkosprężystej
Testy rozciągania i zginania można wykorzystać do oceny zmian wytrzymałości i sztywności związanych z modyfikacją. Pomiary te uzupełniają charakterystykę związaną z wytrzymałością poprzez identyfikację kompromisów w zakresie właściwości mechanicznych.
Dynamiczna analiza mechaniczna (DMA) może dostarczyć informacji na temat odpowiedzi lepkosprężystej i zachowania związanego ze przejściem szklistym. DMA zapewnia uzupełniającą charakterystykę termomechaniczną, a nie dane dotyczące odporności na pękanie.
Kompromisy w zakresie formułowania
Ocena powinna uwzględniać wpływ na sztywność, wytrzymałość, zachowanie termiczne, zachowanie podczas utwardzania, lepkość, przetwarzalność, zgodność produkcyjną i koszt.
Można łączyć wiele podejść, ale ich interakcje należy oceniać eksperymentalnie dla konkretnego układu materiałowego.
Wniosek
Wydajność związana z hartowaniem wkompozyty żywic fenolowychmożna modyfikować zarówno na poziomie matrycy, jak i kompozytu. Podejścia gumowe, chemiczne, wielofazowe i nanocząstkowe wpływają przede wszystkim na fazę zawierającą matrycę, podczas gdy architektura zbrojenia i zachowanie międzyfazowe wpływają przede wszystkim na reakcję na pękanie całego kompozytu.
Odpowiednia strategia zależy od docelowych właściwości, systemu materiałowego, sposobu przetwarzania i wymagań aplikacji. Dlatego charakterystykę udarności, pękania, mechaniczną i lepkosprężystą należy wybrać w zależności od ocenianej kwestii wydajności.
Referencje
- Chang, S., Wang, X., Zhang, G., Zhao, F.-G., Pei, K. i Yang, X. (2024). Umożliwienie hartowania żywicy fenolowej i odporności na ciepło: taktyka i najnowsze osiągnięcia.Polimer,315, 127782. DOI: 10.1016/j.polimer.2024.127782
- Kaynak, C. i Cagatay, O. (2006). Hartowanie gumy na bazie żywicy fenolowej przy użyciu kauczuku nitrylowego i aminosilanu.Testowanie polimerów,25(3), 296–305. DOI: 10.1016/j.polimertesting.2006.01.004
- Ma, HY, Wei, GS, Liu, YQ, Zhang, XH, Gao, JM, Huang, F., Tan, BH, Song, ZH i Qiao, JL (2005). Wpływ nanocząstek elastomerowych na właściwości żywicy fenolowej.Polimer,46(23), 10568–10573. DOI: 10.1016/j.polimer.2005.07.103
- Huong, Holandia, Nieu, NH, Tan, TTM i Griesser, UJ (1996). Żywice kardanolofenolowo-formaldehydowe. Analiza i charakterystyka termiczna.Stosowana chemia makromolekularna,243, 77–85. DOI: 10.1002/apmc.1996.052430107
- Alemán, J., Chadwick, AV, He, J., Hess, M., Horie, K., Jones, RG, Kratochvíl, P., Meisel, I., Mita, I., Moad, G., Penczek, S. i Stepto, RFT (2007). Definicje terminów związanych ze strukturą i przetwarzaniem zoli, żeli, sieci i nieorganiczno-organicznych materiałów hybrydowych (Zalecenia IUPAC 2007).Chemia czysta i stosowana,79(10), 1801–1829. DOI: 10.1351/pac200779101801
- Clyne, TW i Hull, D. (2019).Wprowadzenie do materiałów kompozytowych(wyd. 3). Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. DOI: 10.1017/9781139050586
- Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna. (2018).ISO 13586:2018, Tworzywa sztuczne – Oznaczanie odporności na pękanie (GIC i KIC) – Podejście liniowej mechaniki sprężystej pękania (LEFM).
- Międzynarodowy ASTM. (2021).ASTM D5528/D5528M-21, Standardowa metoda badania odporności na pękanie międzywarstwowe trybu I jednokierunkowych kompozytów z osnową polimerową wzmocnioną włóknami. DOI: 10.1520/D5528_D5528M-21
- Międzynarodowy ASTM. (2019).ASTM D7905/D7905M-19, Standardowa metoda testowa do oznaczania odporności na pękanie międzywarstwowe trybu II jednokierunkowych kompozytów z osnową polimerową wzmocnioną włóknami. DOI: 10.1520/D7905_D7905M-19