УДК 678
Ю. А. Тимошина
ВЛИЯНИЕ НАПОЛНЕНИЯ НАНОЧАСТИЦАМИ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ МАТРИЦЫ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ СТЕКЛОВОЛОКОН НА ЕГО ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Ключевые слова: Композиционный материал, прочность, стекловолокно, наночастица диоксида кремния, матрица, адгезия.
Получены экспериментальные зависимости изменения физических и физико-механических свойств композиционных материалов на основе стекловолокон от концентрации наночастиц диоксида кремния, содержащихся в эпоксидной матрице композита.
Keywords: Composite material, glass fiber, silica nanoparticle, matrix, adhesion.
Experimental dependences of the physical and physico-mechanical properties of composite materials based on glass fibers on the concentration of silica nanoparticles contained in the epoxy matrix composite.
Стеклопластики применяют в различных областях промышленности и сферах жизнедеятельности человека, из которых следует особо отметить автомобильную промышленность, станкостроение, вагоностроение (крыши автобусов и вагонов, кузова и детали автомашин, контейнеры, цистерны и т.д.). Однако, несмотря на широкое распространение и применение, композиционные материалы на основе стекловолокон нуждаются в повышении показателей физико-механических свойств. Одним из наиболее эффективных способов повышения прочности стеклопластиков является введения в полимерную матрицу стеклопластиков наноразмерных наполнителей. Нанокомпозиты представляют собой материалы, в которых наноразмерные частицы наполнителя в небольшом количестве вводят в связующее, за счет чего происходит формирование структуры, отличной от структуры чистого материала матрицы. Наиболее распространенным эффектом является значительное увеличение механической прочности полученного нанокомпозита [1].
Для экспериментальных исследований использовали: ровинг марки EC 2400-350 производства ООО «П-Д Татнефть-Алабуга Стекловолокно» (Россия, РТ); в качестве связующего - эпоксидную смолу ЭД-20 с отвердителем ПЭПА (полиэтилен-полиамин); наполнитель эпоксидной матрицы - порошок SiO2, полученный методом парагазофазного синтеза в высокочастотном индукционном разряде [2]. Для диспергирования нанопорошка в матрице использовался ультразвук [3].
Для установления влияния наполнения матрицы диоксидом кремния на изменение показателей смачиваемости стекловолокон эпоксидной матрицей, а также на повышение прочности связи стекловолокон с эпоксидным связующим использовали метод wet-pull-out [4]. Содержание наночастиц диоксида кремния в эпоксидной смоле варьировали от 0,5 до 5%. Определение величины разрушающей нагрузки проводили на разрывной испытательной машине РМ-50, которая обеспечивает растяжение образца
с заданной постоянной скоростью перемещения активного захвата.
Рис. 1 - Зависимость значения смачиваемости волокон от концентрации 8Ю2 в эпоксидной матрице микрокомпозита
Оценку смачиваемости стекловолокон эпоксидным связующим осуществляли путем определения высоты поднятия матрицы по волокнистому материалу. Зависимость значения смачиваемости волокон от концентрации 8Ю2 в эпоксидной матрице представлен на рисунке 1.
Анализ экспериментально полученной зависимости показал, что наибольшее значение высоты подъема эпоксидной матрицы по стекловолокну достигается при содержании 8Ю2 равном 4% и составляет 24 мм, что в 3 раза превышает значение для исходного образца.
В качестве основного критерия оценки качества связи компонентов элементарной ячейки КМ рассматривалась сила разрушения связи армирующего волокна с эпоксидной матрицей. Значение силы разрушения определялось количеством необходимой силы для выдергивания волокна из отвержденной матрицы при постоянной глубине заделки (рис. 2).
Концентр и цня %
Рис. 2 - Зависимость значения нормированной величины разрушающей нагрузки
микрокомпозита от концентрации 8Ю2 в эпоксидной матрице
По полученным экспериментальным данным можно сделать вывод, что наибольшее повышение адгезионной прочности связи стекловолокна и эпоксидного связующего достигается при концентрации SiO2 в матрице микрокомпозита равной 4%. При данной концентрации нормированная величина разрушающей нагрузки составила 21 Н/мм, что в 1,4 раза больше величины для исходного образца.
Из полученной зависимости видно, что при концентрации наночастиц SiO2 в матрице микрокомпозита от 1 до 3% происходит постепенное монотонное увеличение
нормированной величины разрушающей нагрузки, а после достижения концентрации 3% наблюдается достаточно резкий рост адгезионной прочности. Это свидетельствует о том, что при малых концентрациях наноразмерной примеси SiO2 в матрице микрокомпозита данного содержания наночастиц недостаточно для их равномерного распределения по всему объему материала, поэтому структура матрицы композита имеет не однородный характер и адгезионная прочность возрастает незначительно. После достижения концентрации SiO2 в матрице более 3% количества наночастиц становится достаточно для распределения по всему объему, структура матрицы становится более плотной.
При увеличении содержания в матрице наночастиц диоксида кремния более 4% наблюдается снижение как показателя смачиваемости стекловолокон эпоксидным связующим, так и некоторое снижение нормированной величины разрушающей нагрузки микрокомпозита. Очевидно, это происходит потому, что содержание в матрице наночастиц в количестве 4% является критическим уровнем концентрации SiO2, превышение которого отвечает появлению дефектов в объеме и, как следствие, ухудшению смачиваемости,
адгезионной прочности и физико-механических характеристик КМ.
Для подтверждения того, что повышение адгезионной прочности адгезива и субстрата в композиционном материале приводит к
повышению прочности самого композита, были проведены механические испытания образцов, представляющих собой однонаправленные микрокомпозиты, полученные методом послойного формования. Содержание в композите стекловолокна (марки EC 2400-350, ООО «П-Д Татнефть-Алабуга Стекловолокно») составило 25% по массе. В качестве связующего использовали эпоксидную смолу ЭД-20 с отвердителем ПЭПА.
Определение прочности при растяжении и относительного удлинения при разрыве плоских образцов композиционных материалов на основе стекловолокон производили по ГОСТ 25.601-80. Испытания проводились на разрывной испытательной машине РМ-50.
Прочность определяли для исходного образца и образца с 4%-ным содержанием наночастиц SiO2 в эпоксидном связующем. Полученные кривые разрушения образцов до и после наполнения диоксидом кремния представлены на рисунке 3.
Относительное удлинение. %
Рис. 3 - Характер кривой разрушения микрокомпозита: 1 - исходный образец КМ; 2 -образец КМ, наполненный диоксидом кремния (содержание 8Ю2 4%)
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что прочность композиционного материала, наполненного наночастицами диоксида кремния превосходит прочность исходного образца композита в 1,26 раз и составляет 127 МПа.
Увеличение смачиваемости стекловолокон эпоксидной матрицей, а также увеличение адгезионной прочности стекловолокон со связующим происходит благодаря тому, что вводимые в матрицу наночастицы диоксида кремния имеют чешуйчатое строение и значительно более развитую площадь поверхности, что приводит к возрастанию сил межфазного взаимодействия [1]. При использовании в качестве адгезива матрицы, наполненной наночастицами SiO2, происходит наиболее полное заполнение всех неровностей поверхности стекловолокон, благодаря чему повышается сцепление на границе волокно-матрица. Увеличение прочности КМ после его
наполнения наночастицами 8Ю2 можно объяснить как увеличением адгезионной прочности связи стекловолокна и эпоксидного связующего, так и тем, что введение наночастиц 8Ю2 в матрицу приводит к изменению структуры надмолекулярных образований в матрице композита, что обусловлено действием наночастиц как зародышей кристаллизации. Это приводит к более плотной упаковке и упорядочиванию структуры матрицы.
Таким образом, можно сделать вывод, что наполнение композиционного материала на основе стекловолокон введением наночастиц диоксида кремния в количестве 4% приводит к увеличению смачиваемости субстрата адгезивом и повышению их адгезионной прочности, что в свою очередь обеспечивает повышение прочности получаемого композиционного материала в 1,26 раза. Кроме того, использование в качестве наполнителя наночастиц диоксида кремния не приведет к значительному увеличению стоимости полученного стеклокомпозита, что обосновано доступностью и дешевизной сырья для их получения.
Литература
1. Катнова, Р.Р. Влияние метода получения наночастиц на эксплуатационные характеристики структурированных ими полимерных покрытий // Р.Р. Катнова, П.В. Гришин,
B.Е. Катнов, С.Н. Степин // Вестник Казанского технологического университета. - Казань: КГТУ, 2014. -№14. - С. 290-292.
2. Брусенцева, Т.А. Введение нанопорошков и механические свойства материалов на основе эпоксидных смол // Т.А. Брусенцева, К.Н. Зобов, А.А. Филиппов, Д.Р. Базарова,
C.Н. Лхасаранов // Наноиндустрия: научно-технический журнал. - Москва, 2013. - 3(41). - С. 24-32.
3. Катнов, В.Е Получение ультрадисперсных частиц SiO2 в реакторе ВЧИ-разряда // В.Е. Катнов, Е.В. Петрова, С.Н. Степин, А.Ф. Дресвянников, И.Г. Гафаров // Вестник Казанского технологического университета. - Казань: КГТУ, 2011. - №14. - С. 220-223.Метелёва, О.В. Новая технология повышения защитных свойств одежды для туризма и активного отдыха / О.В. Метелёва, Е.П. Покровская // Сервис в России и за рубежом. - 2013. - № 1 (39). - С. 86-96.
4. Кудинов, В.В. Оценка физико-химического взаимодействия между волокном и матрицей при получении композиционных материалов методом wet-pull-out. / В.В. Кудинов, И.К. Крылов, Н.В. Корнеева, В.И. Мамонов, М.В. Геров. // ФХОМ. - 2007. - №6. - С. 68-72.
© Ю. А. Тимошина, к.т.н., ассистент каф. ПНТВМ КНИТУ, ybuki@mail.ru.
© Y. A. Timoshina, candidate of technical science, assistant of the department «Plasma chemical and nanotechnology of high molecular materials», KNRTU, ybuki@mail.ru.