Теоретическая часть. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) – это гетерогенные системы, состоящие из двух или более компонентов

Структура и свойства ПКМ

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) – это гетерогенные системы, состоящие из двух или более компонентов, причем одни из компонентов являются армирующими составляющими, а другие – связующими их полимерными матрицами. Компоненты композитов должны быть хорошо совместимы, однако не должны растворяться друг в друге. Композиционному материалу присущи свойства, которыми не обладает ни один из его компонентов в отдельности, рис.1.

Классификация наполнителей для ПКМ приведена на рис.2.

В зависимости от типа наполнителя можно получать ПКМ с большим разнообразием характеристик и свойств для различного применении, рис.3.

Максимальная степень реализации свойств наполнителя и полимерного связующего в ПКМ может быть достигнута организацией эффективного межфазового адгезионного взаимодействия компонентов на границе их раздела.

1- ненаполненный 2 -дисперсно-наполненные 3- короткие волокна 4 непрерывные волокна

Рис.1. Влияние типа наполнителя на прочностные свойства ПКМ

Рис.2. Классификация ПКМ

σ_т-предел текучести при растяжении, Е_Р-жесткость, Н_Б -твердость по Бринелю, Т_В-теплостойкость по Вика,

Е_П-модуль ползучести

Рис.3. Характеристики ПКМ

Для оптимальной реализации всего комплекса свойств полимерного композиционного материала необходимо создать прочное взаимодействие матрицы и волокна по всей площади их контакта. При разработке ПКМ особое внимание необходимо уделять границе фаз между волокном и матрицей. Зачастую граница раздела фаз (Межфазный слой) является наиболее слабым местом материала, и именно здесь начинается разрушение как при механических нагрузках, так и при других воздействиях (под влиянием внешней атмосферы, воды и прочих). Согласно литературным данным, одними из лучших способов усиления адгезионного взаимодействия, являются: нанесение на поверхность волокна подслоя полимерного, низкомолекулярного или мономерного вещества; аппретирование волокон; введение межфазных добавок в связующее.

Добиться этого достаточно сложно, поскольку такое взаимодействие зависит от многих факторов и, в частности, от состава связующего, строения волокна, технологии изготовления композиционного материала. Улучшению взаимодействия волокна со связующим способствуют аппреты - вещества, влияющие на структуру, свойства и протяженность межфазного слоя. Роль аппретов в формировании межфазного слоя велика: они многократно увеличивают площадь контакта волокнистого наполнителя со связующим, которая достигает 600 мм² в 1 мм³ волокна.

Формирование межфазного слоя происходит в течение определенного времени, причем длительность процесса зависит от вязкости связующего, его молекулярной массы, физико-химических свойств, скорости его отверждения, размеров и структуры пор в волокне и, наконец, свойств аппрета. На рис. 4 приведена модель межфазного взаимодействия в ПКМ, при котором наблюдается изменение толщины поверхностного слоя волокна и образование измененной структуры матрицы.

Рис.4 Модель межфазного слоя в армированном полимере

Для производства армированных ПКМ с заданными свойствами необходимо целенаправленно регулировать структуру и объем граничного слоя путем правильного выбора аппрета для армирующего волокна с учетом свойств связующего.