Формирование межфазного слоя на границе раздела фаз

Как видно из данных, приведенных в табл. 9.2 и 9.4, прочность армирующих волокон в несколько раз больше прочности связующих. Однако для реализации этого преимущества армирующих наполнителей перед матрицей необходимо создать прочное взаимодействие матрицы и волокна по всей площади их контакта. Добиться этого достаточно сложно, поскольку такое взаимодействие зависит от многих факторов и, в частности, от состава связующего, строения волокна, технологии изготовления композиционного материала. Увеличению адгезионного взаимодействия между связующим и волокном на границе раздела фаз и, в конечном счете, повышению физико-механических свойств композиционного материала способствует создание межфазного слоя заданной структуры.

Регулирование структуры межфазного слоя достигается путем обработки волокна аппретами — веществами, влияющими на структуру, свойства и протяженность межфазного слоя. Роль аппретов в формировании межфазного слоя велика: они многократно увеличивают площадь контакта волокнистого наполнителя со связующим.

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, от свойств аппрета. На рис. 9.5 показана модель межфазного слоя в армированном полимере, где 8_Т — толщина поверхностного слоя волокна с измененной структурой. Для производства армиро-

Рис. 9.5. Модельное представление о межфазном слое в системе «полимер—твердое тело»

ванных пластиков с заданными свойствами необходимо целенаправленно регулировать структуру и объем граничного слоя путем правильного выбора аппрета для армирующего волокна с учетом свойств связующего.

Поскольку аппрет напрямую участвует в формировании межфазного слоя, считают, что в состав композита входят связующее, наполнитель и аппрет.

Аппреты должны обладать способностью:

• • хорошо смачивать наполнитель;
• • проникать в наполнитель и заполнять дефекты на его поверхности;
• • создавать на поверхности армирующих волокон слой, совместимый с полимерным связующим;
• • снижать величину остаточного напряжения в промежуточном слое, возникающего вследствие усадочных явлений в процессе отверждения связующего;
• • перераспределять напряжения в матрице и переносить их на волокна при механическом воздействии на композиционный материал.

Широкое применение в качестве аппретов стеклонаполнителей нашли силаны, имеющие общую формулу

где х — функциональная группа для химического взаимодействия со смолой.

Совместимость силанового аппрета со смолой зависит от типа алкильного радикала — R'— х в аппрете.

Силановые аппреты применяются в виде спиртовых, водных и спиртово-водных растворов.

Совершенно иные приемы используются для обработки угольных или органических волокон с целью получения композитов с заданными свойствами.

Аппретирование углеродных волокон в том смысле, как это делается со стеклянными наполнителями, неприемлемо, поскольку природа и структура угольных волокон совершенно иные.

Для повышения прочности связи между полимерной матрицей и угольными волокнами на них наносится протекторный слой. Этот слой:

• • защищает волокна от истирания при изготовлении текстильного материала;
• • повышает их прочность при разрыве;
• • заполняет поры и трещины в волокнах;
• • создает переходный слой между ними и связующим.

Выбор мономеров для протекторного слоя производится с учетом свойств связующего, которое будет использовано при получении углепластика.

Механизм взаимодействия полимерных волокон с полимерным связующим принципиально отличается от механизмов, протекающих при формировании структур стекло- и углепластиков. Полимерные волокна могут набухать в связующем, а иногда и взаимодействовать с ним. Поэтому и функции защитного слоя полимерных волокон иные. Он обязан:

• • защищать полимерные волокна от диффузии в них компонентов связующего;
• • защищать полимерные волокна от деструктирующего влияния компонентов связующего;
• • создавать граничный слой, молекулярно или надмолекулярно связывающий полимерное волокно и связующее.

Граничные слои на поверхности органических волокон создают:

• • путем прививки полимера, совместимого со связующим или химически связывающегося с ним;
• • адсорбцией на поверхности волокон полимеров, совместимых с полимером матрицы;
• • обработкой волокна клеями, способными адгезионно связать наполнитель со связующим.

Регулирование структуры межфазного слоя, в том числе с помощью аппрета, всегда направлено на увеличение адгезионного взаимодействия на границе раздела фаз и, в конечном счете, на повышение физико-механических свойств композиционного материала.