Как повысить прочность фенольной смолы в композитных материалах?

Введение

Фенольные смолыпредставляют собой термореактивные материалы, образующиеся в результате реакций конденсации между фенольными соединениями и альдегидами, чаще всего фенолом и формальдегидом. Эти материалы используются в композитных системах, где могут иметь значение термическое поведение, огнестойкость, стабильность размеров или химическая стойкость.

Системы отвержденных фенольных смол могут проявлять относительно хрупкое разрушение, хотя это зависит от химического состава смолы, состава и условий отверждения. Сильно сшитая сетчатая структура, обеспечивающая термическую и химическую стойкость, также ограничивает молекулярную подвижность, что может влиять на поведение при разрушении.

Прочность матрицы и сопротивление разрушению композита

Характеристики, связанные с ударной вязкостью, следует интерпретировать в соответствии с уровнем материала и рассматриваемым методом испытаний. Здесь имеют значение несколько различных концепций:

Прочность матрицы связана с деформацией и поглощением энергии отвержденной матрицы до разрушения.

Параметры вязкости разрушения — это особые свойства механики разрушения, измеренные при определенных образцах и условиях испытаний.

Испытание на удар характеризует реакцию материала или образца при быстрой нагрузке.

Устойчивость композита к разрушению и устойчивость к повреждениям касаются поведения всей композитной системы.

Эти измерения описывают различные аспекты поведения материала, поэтому улучшение одного свойства не обязательно соответствует улучшению другого.

Каучук, химические вещества, многофазный полимер и выбранные стратегии наночастиц в первую очередь изменяют матрицу или содержащую матрицу фазу, тогда как архитектура волокна и поведение на границе раздела в первую очередь влияют на реакцию разрушения всего композита.

Модификация резины

Модификация резины представляет собой хорошо изученный подход к повышению ударной прочности выбранныхсистемы фенольных смол. Эластомерная модификация была исследована как средство изменения характеристик удара и разрушения в выбранных фенольных составах.

Наблюдаемые эффекты зависят от химического состава резины, морфологии, дисперсии, межфазного поведения, условий отверждения, нагрузки и метода испытаний. Дисперсные резиновые домены могут изменять локальные поля напряжений и поведение распространения трещин. Задействованные механизмы зависят от конкретной морфологии и состава смолы и каучука.

Загрузка резины может влиять на технологические характеристики, жесткость и термическое поведение, поэтому необходимо оценить соответствующий уровень для конкретной рецептуры.

Армирование волокнами и поведение композитных материалов при разрушении

Армирование волокнами в первую очередь изменяет поведение при изломе и устойчивость к повреждениям всего композита, а не внутреннюю прочность отвержденной фенольной матрицы. В зависимости от требований применения используются различные структуры волокон, включая короткие волокна, непрерывные волокна, тканое армирование и нетканое армирование.

Вармированные волокном фенольные композиты, несколько механизмов могут способствовать сопротивлению разрушению:

Соединение волокон может способствовать устойчивости к разрушению, когда волокна охватывают развивающуюся трещину и препятствуют ее раскрытию.

Если позволяют условия межфазного отслоения и скольжения, выдергивание волокна может способствовать поглощению энергии.

Пути трещин также могут быть перенаправлены с помощью волокон или интерфейсов.

Поведение при разрушении армированного волокном композита зависит от таких факторов, как архитектура армирования, ориентация, объемная доля, межфазное поведение, режим нагрузки и производственный процесс. Межфазные свойства влияют на передачу нагрузки и поведение разрушения. Связующие агенты и обработка поверхности могут использоваться для изменения поведения поверхности раздела волокно-матрица.

Химическая и многофазная модификация

Химическая модификация

Химическая модификация может изменить структуру и механическую реакцию отвержденной фенольной сетки. Модификации, предназначенные для изменения поведения, связанного с разрушением, могут также повлиять на жесткость, термическое поведение, характеристики отверждения или технологичность.

Карданол и другие компоненты, полученные из жидкости из скорлупы кешью, были исследованы в качестве модификаторов в фенольных системах. Результирующее механическое и термическое поведение зависит от состава и условий отверждения.

Взаимопроникающие полимерные сети

Взаимопроникающая полимерная сеть (ВПС) состоит из двух или более полимерных сетей, которые по крайней мере частично переплетены на молекулярном уровне, не связаны друг с другом ковалентно и не могут быть разделены без разрыва химических связей. Смесь отдельно сформированных полимерных сеток сама по себе не является ВПС.

Полупроникающая полимерная сетка содержит одну или несколько полимерных сеток вместе с одним или несколькими линейными или разветвленными полимерами, которые проникают в сетчатую структуру на молекулярном уровне.

В зависимости от состава, морфологии и условий обработки, архитектура IPN или полу-IPN может изменить баланс механического, термического поведения и поведения разрушения в фенолсодержащих системах.

Модификация наночастиц

Наночастицы исследовались в качестве модификаторов всистемы фенольных смол. Их эффекты зависят от химического состава частиц, загрузки, дисперсии, характеристик поверхности и взаимодействия с матрицей.

Качество дисперсии может влиять на поведение систем, модифицированных наночастицами. Обработка поверхности и стратегия диспергирования могут влиять на совместимость и производительность.

Наночастицы могут изменить поведение распространения трещин в зависимости от дисперсии и межфазных взаимодействий. Жесткость, прочность и ударная вязкость являются разными свойствами и могут по-разному реагировать на модификации.

Оценка производительности, связанной с прочностью

Характеристика воздействия и разрушения

Испытания по Шарпи или Изоду можно использовать для сравнения реакции на удар при определенных образцах и условиях испытаний. Испытания на удар и испытания на механику разрушения предоставляют разные типы характеристических данных и не являются взаимозаменяемыми.

Конфигурации изгиба с одним краем и надрезом (SENB) могут использоваться для определения характеристик механики разрушения в соответствии с применимым методом испытаний полимеров. Достоверность заявленных параметров вязкости разрушения зависит от геометрии образца, реакции материала и условий испытаний.

Для соответствующих слоистых композитов для определения характеристик межламинарного разрушения в режиме I можно использовать методы двойной консольной балки (DCB). Методы изгиба на конце с надрезом (ENF) могут использоваться для определения характеристик межламинарного разрушения в режиме II соответствующих ламинатов. Для слоистых композитов, где сопротивление расслоению является проблемой проектирования, характеристика межламинарного разрушения может быть особенно актуальной.

Поддержка определения механических и вязкоупругих характеристик

Испытания на растяжение и изгиб можно использовать для оценки изменений прочности и жесткости, связанных с модификацией. Эти измерения дополняют характеристики, связанные с ударной вязкостью, путем выявления компромиссов между механическими свойствами.

Динамический механический анализ (ДМА) может предоставить информацию о вязкоупругом отклике и поведении, связанном со стеклованием. DMA предоставляет подтверждающие термомеханические характеристики, а не данные по вязкости разрушения.

Компромиссы в рецептуре

При оценке следует учитывать влияние на жесткость, прочность, термическое поведение, поведение при отверждении, вязкость, технологичность, совместимость с производством и стоимость.

Можно комбинировать несколько подходов, но их взаимодействие следует оценивать экспериментально для конкретной материальной системы.

Заключение

Производительность, связанная с ужесточениемкомпозиты на основе фенольной смолымогут быть изменены как на матричном, так и на составном уровне. Резиновый, химический, многофазный полимерный и наночастичный подходы в первую очередь влияют на фазу, содержащую матрицу, тогда как архитектура армирования и межфазное поведение в первую очередь влияют на реакцию разрушения всего композита.

Соответствующая стратегия зависит от целевых свойств, системы материалов, маршрута обработки и требований применения. Поэтому характеристики удара, разрушения, механические и вязкоупругие свойства следует выбирать в соответствии с оцениваемым вопросом о производительности.

Ссылки

1. Чанг С., Ван X., Чжан Г., Чжао Ф.-Г., Пей К. и Ян X. (2024). Повышение ударной вязкости и термостойкости фенольной смолы: тактика и последние достижения.Полимер,315, 127782. DOI: 10.1016/j.polymer.2024.127782.
2. Кайнак К. и Чагатай О. (2006). Упрочнение резины фенольной смолы с помощью нитрильного каучука и амисилана.Тестирование полимеров,25(3), 296–305. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2006.01.004.
3. Ма, HY, Вэй, GS, Лю, YQ, Чжан, XH, Гао, JM, Хуан, Ф., Тан, BH, Сун, ZH и Цяо, JL (2005). Влияние эластомерных наночастиц на свойства фенольной смолы.Полимер,46(23), 10568–10573. DOI: 10.1016/j.polymer.2005.07.103
4. Хуонг, Н.Л., Нью, Н.Х., Тан, ТТМ, и Гриссер, У.Дж. (1996). Карданол-фенол-формальдегидные смолы. Термический анализ и характеристика.Прикладная макромолекулярная химия,243, 77–85. DOI: 10.1002/apmc.1996.052430107.
5. Алеман Дж., Чедвик А.В., Хе Дж., Хесс М., Хори К., Джонс Р.Г., Краточвил П., Мейзель И., Мита И., Моад Г., Пенчек С. и Степто РФТ (2007). Определения терминов, касающихся структуры и обработки золей, гелей, сеток и неорганических-органических гибридных материалов (Рекомендации ИЮПАК, 2007 г.).Чистая и прикладная химия,79(10), 1801–1829. DOI: 10.1351/pac200779101801
6. Клайн, Т.В., и Халл, Д. (2019).Введение в композитные материалы(3-е изд.). Издательство Кембриджского университета. DOI: 10.1017/9781139050586.
7. Международная организация по стандартизации. (2018).ISO 13586:2018, Пластмассы. Определение вязкости разрушения (GIC и KIC). Метод линейной упругой механики разрушения (LEFM)..
8. АСТМ Интернешнл. (2021).ASTM D5528/D5528M-21, Стандартный метод испытаний вязкости межслойного разрушения в режиме I однонаправленных композитов с полимерной матрицей, армированной волокном. DOI: 10.1520/D5528_D5528M-21
9. АСТМ Интернешнл. (2019).ASTM D7905/D7905M-19, Стандартный метод испытаний для определения вязкости межслойного разрушения в режиме II однонаправленных композитов с полимерной матрицей, армированных волокном. DOI: 10.1520/D7905_D7905M-19