Bevezetés
Fenolgyantákhőre keményedő anyagok, amelyek fenolos vegyületek és aldehidek, leggyakrabban fenol és formaldehid közötti kondenzációs reakciókból képződnek. Ezeket az anyagokat olyan kompozit rendszerekben használják, ahol a termikus viselkedés, a tűzállóság, a méretstabilitás vagy a vegyszerállóság lényeges lehet.
A kikeményedett fenolgyanta rendszerek viszonylag törékeny törési viselkedést mutathatnak, bár ez a gyanta kémiájától, összetételétől és a térhálósodás körülményeitől függ. Az erősen térhálósított hálózati szerkezet, amely hő- és kémiai ellenállást biztosít, szintén korlátozza a molekuláris mobilitást, ami befolyásolhatja a törési viselkedést.
Mátrix szívósság vs kompozit törésállóság
A szívóssággal kapcsolatos teljesítményt a figyelembe vett anyagszintnek és vizsgálati módszernek megfelelően kell értelmezni. Számos különböző fogalom releváns:
A mátrix szívóssága a kikeményedett mátrix tönkremenetel előtti deformációjára és energiaelnyelési viselkedésére vonatkozik.
A törési szilárdsági paraméterek meghatározott minta- és vizsgálati körülmények között mért specifikus törésmechanikai tulajdonságok.
Az ütésvizsgálat jellemzi az anyag vagy a minta reakcióját gyors terhelés mellett.
A kompozit törésállósága és sérüléstűrése a teljes kompozit rendszer viselkedésére vonatkozik.
Ezek a mérések az anyag viselkedésének különböző aspektusait írják le, így az egyik tulajdonság javulása nem feltétlenül felel meg egy másik tulajdonság javulásának.
A gumi, a kémiai, a többfázisú polimer és a kiválasztott nanorészecske-stratégiák elsősorban a mátrixot vagy a mátrixot tartalmazó fázist változtatják meg, míg a szálszerkezet és a határfelületi viselkedés elsősorban a teljes kompozit törési reakcióját befolyásolja.
Gumi módosítás
A gumimódosítás egy jól tanulmányozott megközelítés a kiválasztott edzéshezfenolgyanta rendszerek. Az elasztomer módosítást az ütési és törési viselkedés módosításának eszközeként vizsgálták kiválasztott fenolos készítményekben.
A megfigyelt hatások a gumi kémiai összetételétől, morfológiájától, diszperziójától, határfelületi viselkedésétől, térhálósodási körülményeitől, terheléstől és vizsgálati módszertől függenek. A szétszórt gumidomének megváltoztathatják a helyi feszültségmezőket és a repedés terjedési viselkedését. Az érintett mechanizmusok az adott gyanta-gumi morfológiától és összetételtől függenek.
A gumiterhelés befolyásolhatja a feldolgozási viselkedést, a merevséget és a termikus viselkedést, ezért a megfelelő szintet kell értékelni az adott készítményhez.
Szálerősítés és kompozit törési viselkedés
A szálerősítés elsősorban a teljes kompozit törési viselkedését és sérüléstűrését módosítja, nem pedig a kikeményített fenolos mátrix belső szívósságát. Különféle szálarchitektúrákat alkalmaznak, beleértve a rövid szálakat, a folytonos szálakat, a szövött és nem szőtt megerősítéseket, az alkalmazási követelményektől függően.
Inszálerősítésű fenolos kompozitok, több mechanizmus is hozzájárulhat a törésállósághoz:
A szálak áthidalása hozzájárulhat a törésállósághoz, amikor a szálak átnyúlnak egy kialakuló repedésen, és ellenállnak a repedés kinyílásának.
Ahol a határfelületi kötések feloldása és a csúszási körülmények lehetővé teszik, a szálak kihúzása hozzájárulhat az energiaelnyeléshez.
A repedési útvonalakat szálak vagy interfészek is átirányíthatják.
A szálerősítésű kompozit törési viselkedése olyan tényezőktől függ, mint az erősítés architektúrája, tájolása, térfogati hányada, felületi viselkedés, terhelési mód és gyártási folyamat. A határfelületi tulajdonságok befolyásolják a terhelésátvitelt és a törési viselkedést. Kapcsolószerek és felületkezelések használhatók a szál-mátrix határfelületi viselkedésének módosítására.
Kémiai és többfázisú módosítás
Kémiai módosítás
A kémiai módosítás megváltoztathatja a kikeményített fenolos hálózat szerkezetét és mechanikai reakcióját. A töréssel kapcsolatos viselkedés megváltoztatását célzó módosítások a merevséget, a termikus viselkedést, a keményedési jellemzőket vagy a feldolgozhatóságot is befolyásolhatják.
A kardanolt és egyéb kesudió-dióhéj-folyékony eredetű komponenseket fenolos rendszerek módosítójaként vizsgálták. Az így létrejövő mechanikai és termikus viselkedés az összetételtől és a térhálósodási körülményektől függ.
Átható polimer hálózatok
Az interpenetrating polimer hálózat (IPN) két vagy több polimer hálózatból áll, amelyek legalább részben molekuláris léptékben összefonódnak, nincsenek kovalens kötéssel egymáshoz kötve, és nem választhatók szét a kémiai kötések megszakítása nélkül. A külön előformázott polimer hálózatok keveréke önmagában nem IPN.
Egy félig áthatoló polimer hálózat egy vagy több polimer hálózatot tartalmaz egy vagy több lineáris vagy elágazó polimerrel együtt, amelyek molekuláris léptékben hatolnak be a hálózat szerkezetébe.
Az összetételtől, a morfológiától és a feldolgozási körülményektől függően az IPN vagy a félig IPN architektúrák megváltoztathatják a mechanikai, termikus és törési viselkedés egyensúlyát a fenoltartalmú rendszerekben.
Nanorészecske módosítás
A nanorészecskéket módosító anyagként vizsgáltákfenolgyanta rendszerek. Hatásuk a részecskék kémiájától, terhelésétől, diszperziójától, felületi jellemzőitől és a mátrixszal való kölcsönhatásoktól függ.
A diszperzió minősége befolyásolhatja a nanorészecskékkel módosított rendszerek viselkedését. A felületkezelés és a diszperziós stratégia befolyásolhatja a kompatibilitást és a teljesítményt.
A nanorészecskék megváltoztathatják a repedések terjedési viselkedését a diszperziótól és a határfelületi kölcsönhatásoktól függően. A merevség, szilárdság és szívósság különálló tulajdonságok, és eltérően reagálhatnak a módosításokra.
A szívóssággal kapcsolatos teljesítmény értékelése
Ütés és törés jellemzése
Charpy- vagy Izod-teszt használható az ütési reakciók összehasonlítására meghatározott minta- és vizsgálati körülmények között. Az ütésvizsgálat és a törésmechanikai tesztelés különböző típusú jellemzési adatokat szolgáltat, és nem cserélhetők fel egymással.
Az egyél-bevágott hajlítás (SENB) konfigurációk használhatók a törésmechanikai jellemzésre egy alkalmazható polimer vizsgálati módszerrel. A jelentett törési szívóssági paraméterek érvényessége a minta geometriájától, az anyag reakciójától és a vizsgálati körülményektől függ.
A megfelelő laminált kompozitok esetében az I. módú rétegközi törés jellemzésére kettős konzolos gerenda (DCB) módszerek használhatók. End-notched-flexure (ENF) módszerek használhatók a megfelelő laminátumok II. módú rétegközi törésének jellemzésére. A laminált kompozitok esetében, ahol a rétegvesztési ellenállás tervezési szempont, a rétegközi törés jellemzése különösen fontos lehet.
Mechanikai és viszkoelasztikus jellemzés támogatása
A szakító- és hajlítási vizsgálat felhasználható a módosításhoz kapcsolódó szilárdság és merevség változásainak értékelésére. Ezek a mérések kiegészítik a szívóssággal kapcsolatos jellemzést a mechanikai tulajdonságok közötti kompromisszumok azonosításával.
A dinamikus mechanikai elemzés (DMA) információkat szolgáltathat a viszkoelasztikus reakcióról és az üvegátmenettel kapcsolatos viselkedésről. A DMA alátámasztó termomechanikai jellemzést nyújt, nem pedig törési szilárdsági adatokat.
Formulációs kompromisszumok
Az értékelésnek figyelembe kell vennie a merevségre, szilárdságra, termikus viselkedésre, térhálósodási viselkedésre, viszkozitásra, feldolgozhatóságra, gyártási kompatibilitásra és költségekre gyakorolt hatásokat.
Több megközelítés kombinálható, de ezek kölcsönhatásait kísérletileg kell értékelni az adott anyagrendszerre.
Következtetés
Az edzéssel kapcsolatos teljesítményfenolgyanta kompozitokmátrix és kompozit szinten is módosítható. A gumi, a kémiai, a többfázisú polimer és a nanorészecskék megközelítései elsősorban a mátrixot tartalmazó fázist érintik, míg az erősítő architektúra és a határfelületi viselkedés elsősorban a teljes kompozit törési reakcióját befolyásolja.
A megfelelő stratégia a céltulajdonságoktól, az anyagrendszertől, a feldolgozási útvonaltól és az alkalmazási követelményektől függ. Az ütési, törési, mechanikai és viszkoelasztikus jellemzést ezért az értékelendő teljesítménykérdésnek megfelelően kell kiválasztani.
Hivatkozások
- Chang, S., Wang, X., Zhang, G., Zhao, F.-G., Pei, K. és Yang, X. (2024). Lehetővé teszi a fenolgyanta keményítését és hőállóságát: taktika és legújabb fejlesztések.Polimer,315, 127782. DOI: 10.1016/j.polymer.2024.127782
- Kaynak, C. és Cagatay, O. (2006). Fenolgyanta gumiedzése nitrilkaucsuk és amino-szilán felhasználásával.Polimer tesztelés,25(3), 296–305. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2006.01.004
- Ma, HY, Wei, GS, Liu, YQ, Zhang, XH, Gao, JM, Huang, F., Tan, BH, Song, ZH és Qiao, JL (2005). Elasztomer nanorészecskék hatása a fenolgyanta tulajdonságaira.Polimer,46(23), 10568–10573. DOI: 10.1016/j.polymer.2005.07.103
- Huong, NL, Nieu, NH, Tan, TTM és Griesser, UJ (1996). Kardanol-fenol-formaldehid gyanták. Termikus elemzés és jellemzés.Alkalmazott makromolekuláris kémia,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., & Stepto, RFT (2007). A szolok, gélek, hálózatok és szervetlen-szerves hibrid anyagok szerkezetére és feldolgozására vonatkozó kifejezések meghatározása (IUPAC ajánlások, 2007).Tiszta és alkalmazott kémia,79(10), 1801–1829. DOI: 10.1351/pac200779101801
- Clyne, TW és Hull, D. (2019).Bevezetés a kompozit anyagokba(3. kiadás). Cambridge University Press. DOI: 10.1017/9781139050586
- Nemzetközi Szabványügyi Szervezet. (2018).ISO 13586:2018, Műanyagok – A törési szilárdság meghatározása (GIC és KIC) – Lineáris rugalmas törésmechanikai (LEFM) megközelítés.
- ASTM International. (2021).ASTM D5528/D5528M-21, Szabványos vizsgálati módszer az egyirányú szálerősítésű polimer mátrix kompozitok I. módú rétegközi törési szívósságához. DOI: 10.1520/D5528_D5528M-21
- ASTM International. (2019).ASTM D7905/D7905M-19, Szabványos vizsgálati módszer az egyirányú szálerősítésű polimer mátrix kompozitok II. módú rétegközi törési szilárdságának meghatározására. DOI: 10.1520/D7905_D7905M-19