Úvod
Fenolové živicesú termosetové materiály vytvorené kondenzačnými reakciami medzi fenolovými zlúčeninami a aldehydmi, najčastejšie fenolom a formaldehydom. Tieto materiály sa používajú v kompozitných systémoch, kde môže byť dôležité tepelné správanie, požiarna odolnosť, rozmerová stabilita alebo chemická odolnosť.
Vytvrdené fenolové živicové systémy môžu vykazovať relatívne krehké lomové správanie, aj keď to závisí od chémie živice, formulácie a podmienok vytvrdzovania. Vysoko zosieťovaná sieťová štruktúra, ktorá poskytuje tepelnú a chemickú odolnosť, tiež obmedzuje molekulárnu mobilitu, čo môže ovplyvniť správanie pri lomoch.
Pevnosť matrice vs odolnosť proti zlomeniu kompozitu
Výkon súvisiaci s húževnatosťou sa musí interpretovať podľa úrovne materiálu a zvažovanej skúšobnej metódy. Relevantných je niekoľko odlišných konceptov:
Húževnatosť matrice sa týka deformácie a absorpcie energie vytvrdenej matrice pred porušením.
Parametre lomovej húževnatosti sú špecifické lomovo-mechanické vlastnosti merané za definovaných skúšobných a skúšobných podmienok.
Nárazové testovanie charakterizuje odozvu materiálu alebo vzorky pri rýchlom zaťažení.
Odolnosť proti lomu a tolerancia poškodenia kompozitu sa týka správania celého kompozitného systému.
Tieto merania opisujú rôzne aspekty správania sa materiálu, takže zlepšenie jednej vlastnosti nemusí nevyhnutne zodpovedať zlepšeniu inej vlastnosti.
Guma, chemikálie, viacfázové polyméry a vybrané stratégie nanočastíc primárne menia matricu alebo fázu obsahujúcu matricu, zatiaľ čo architektúra vlákna a medzifázové správanie primárne ovplyvňujú lomovú odozvu celého kompozitu.
Gumová úprava
Modifikácia kaučuku je dobre preštudovaný vybraný prístup k tvrdeniusystémy fenolovej živice. Elastomérna modifikácia bola skúmaná ako prostriedok modifikácie nárazového a lomového správania vo vybraných fenolových formuláciách.
Pozorované účinky závisia od chémie gumy, morfológie, disperzie, medzifázového správania, podmienok vytvrdzovania, zaťaženia a testovacej metódy. Dispergované kaučukové domény môžu zmeniť lokálne napäťové polia a správanie pri šírení trhlín. Zapojené mechanizmy závisia od špecifickej morfológie a formulácie živica-kaučuk.
Zaťaženie gumou môže ovplyvniť správanie pri spracovaní, tuhosť a tepelné správanie, takže pre konkrétnu formuláciu sa musí vyhodnotiť vhodná úroveň.
Vystuženie vláknami a kompozitné lomové správanie
Vystuženie vláknami primárne modifikuje lomové správanie a toleranciu poškodenia kompletného kompozitu skôr než vnútornú húževnatosť vytvrdenej fenolovej matrice. Používajú sa rôzne štruktúry vlákien, vrátane krátkych vlákien, kontinuálnych vlákien, tkaných výstuží a netkaných výstuží, v závislosti od požiadaviek aplikácie.
Invláknami vystužené fenolové kompozityK odolnosti voči zlomeninám môže prispieť niekoľko mechanizmov:
Premostenie vlákien môže prispieť k odolnosti proti zlomeniu, keď vlákna preklenú vznikajúcu trhlinu a odolávajú otvoreniu trhliny.
Tam, kde to dovoľujú oddeľovanie na rozhraní a klzné podmienky, môže vyťahovanie vlákna prispieť k absorpcii energie.
Cesty trhlín môžu byť tiež presmerované vláknami alebo rozhraniami.
Lomové správanie kompozitu vystuženého vláknami závisí od faktorov vrátane architektúry výstuže, orientácie, objemového podielu, medzifázového správania, spôsobu zaťaženia a výrobného procesu. Vlastnosti rozhrania ovplyvňujú prenos zaťaženia a lomové správanie. Spojovacie činidlá a povrchové úpravy sa môžu použiť na modifikáciu medzifázového správania vlákna a matrice.
Chemická a viacfázová modifikácia
Chemická modifikácia
Chemická modifikácia môže zmeniť štruktúru a mechanickú odozvu vytvrdenej fenolovej siete. Úpravy určené na zmenu správania súvisiaceho s lomom môžu tiež ovplyvniť tuhosť, tepelné správanie, charakteristiky vytvrdzovania alebo spracovateľnosť.
Kardanol a ďalšie zložky odvodené od škrupiny z kešu orieškov a kvapaliny boli skúmané ako modifikátory vo fenolových systémoch. Výsledné mechanické a tepelné správanie závisí od zloženia a podmienok vytvrdzovania.
Prenikajúce polymérne siete
Vzájomne sa prenikajúca polymérna sieť (IPN) obsahuje dve alebo viac polymérnych sietí, ktoré sú aspoň čiastočne prepletené na molekulárnej úrovni, nie sú navzájom kovalentne viazané a nemožno ich oddeliť bez prerušenia chemických väzieb. Zmes oddelene vopred vytvorených polymérnych sietí nie je sama osebe IPN.
Semi-interpenetrujúca polymérna sieť obsahuje jednu alebo viacero polymérnych sietí spolu s jedným alebo viacerými lineárnymi alebo rozvetvenými polymérmi, ktoré prenikajú sieťovou štruktúrou v molekulárnom meradle.
V závislosti od zloženia, morfológie a podmienok spracovania môžu IPN alebo semi-IPN architektúry zmeniť rovnováhu mechanického, tepelného a lomového správania v systémoch obsahujúcich fenol.
Modifikácia nanočastíc
Nanočastice boli skúmané ako modifikátory vsystémy fenolovej živice. Ich účinky závisia od časticovej chémie, zaťaženia, disperzie, povrchových vlastností a interakcií s matricou.
Kvalita disperzie môže ovplyvniť správanie systémov modifikovaných nanočasticami. Povrchová úprava a stratégia disperzie môžu ovplyvniť kompatibilitu a výkon.
Nanočastice môžu meniť správanie pri šírení trhlín v závislosti od disperzie a medzifázových interakcií. Tuhosť, pevnosť a húževnatosť sú odlišné vlastnosti a môžu reagovať odlišne na modifikáciu.
Hodnotenie výkonu súvisiaceho s húževnatosťou
Charakterizácia nárazu a lomu
Na porovnanie odozvy na náraz pri definovaných vzorkách a testovacích podmienkach možno použiť Charpyho alebo Izodov test. Nárazové skúšky a skúšky lomovej mechaniky poskytujú rôzne typy charakterizačných údajov a nie sú vzájomne zameniteľné.
Konfigurácie ohybu s jedným okrajom (SENB) sa môžu použiť na charakterizáciu lomovej mechaniky podľa použiteľnej metódy testovania polymérov. Platnosť uvádzaných parametrov lomovej húževnatosti závisí od geometrie vzorky, odozvy materiálu a skúšobných podmienok.
V prípade vhodných laminovaných kompozitov sa na charakterizáciu interlaminárneho lomu v móde I môžu použiť metódy s dvojitým nosníkom (DCB). Metódy end-notched-flexure (ENF) sa môžu použiť na charakterizáciu interlaminárneho lomu v režime II vhodných laminátov. Pre laminované kompozity, kde je konštrukčným problémom odolnosť voči delaminácii, môže byť obzvlášť dôležitá charakterizácia interlaminárneho lomu.
Podpora mechanickej a viskoelastickej charakterizácie
Skúšky v ťahu a ohybe sa môžu použiť na vyhodnotenie zmien pevnosti a tuhosti spojených s modifikáciou. Tieto merania dopĺňajú charakterizáciu súvisiacu s húževnatosťou identifikáciou kompromisov medzi mechanickými vlastnosťami.
Dynamická mechanická analýza (DMA) môže poskytnúť informácie o viskoelastickej odozve a správaní súvisiacom so skleným prechodom. DMA poskytuje skôr podpornú termomechanickú charakterizáciu ako údaje o lomovej húževnatosti.
Formulačné kompromisy
Hodnotenie by malo zvážiť účinky na tuhosť, pevnosť, tepelné správanie, vytvrdzovanie, viskozitu, spracovateľnosť, výrobnú kompatibilitu a náklady.
Je možné kombinovať viacero prístupov, ale ich interakcie by sa mali pre konkrétny materiálový systém vyhodnotiť experimentálne.
Záver
Výkon súvisiaci s otužovaním vkompozity na báze fenolovej živicemôžu byť modifikované na úrovni matrice aj kompozitu. Kaučukové, chemické, viacfázové polymérové a nanočasticové prístupy primárne ovplyvňujú fázu obsahujúcu matricu, zatiaľ čo architektúra výstuže a medzifázové správanie primárne ovplyvňujú lomovú odozvu kompletného kompozitu.
Vhodná stratégia závisí od cieľových vlastností, materiálového systému, spôsobu spracovania a požiadaviek na aplikáciu. Nárazová, lomová, mechanická a viskoelastická charakteristika by sa preto mala vyberať podľa otázky výkonu, ktorá sa má hodnotiť.
Referencie
- Chang, S., Wang, X., Zhang, G., Zhao, F.-G., Pei, K., & Yang, X. (2024). Umožnenie tvrdnutia fenolovej živice a odolnosti voči teplu: Taktika a nedávne pokroky.Polymér,315, 127782. DOI: 10.1016/j.polymer.2024.127782
- Kaynak, C., & Cagatay, O. (2006). Gumové spevnenie fenolovej živice pomocou nitrilkaučuku a aminosilánu.Testovanie polymérov,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, & Qiao, JL (2005). Vplyv elastomérnych nanočastíc na vlastnosti fenolovej živice.Polymér,46(23), 10568–10573. DOI: 10.1016/j.polymer.2005.07.103
- Huong, NL, Nieu, NH, Tan, TTM a Griesser, UJ (1996). Kardanol-fenol-formaldehydové živice. Tepelná analýza a charakterizácia.Aplikovaná makromolekulárna chémia,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). Definície pojmov týkajúcich sa štruktúry a spracovania sólov, gélov, sietí a anorganicko-organických hybridných materiálov (Odporúčania IUPAC 2007).Čistá a aplikovaná chémia,79(10), 1801–1829. DOI: 10.1351/pac200779101801
- Clyne, TW, & Hull, D. (2019).Úvod do kompozitných materiálov(3. vydanie). Cambridge University Press. DOI: 10.1017/9781139050586
- Medzinárodná organizácia pre normalizáciu. (2018).ISO 13586:2018, Plasty – Stanovenie lomovej húževnatosti (GIC a KIC) – Prístup lineárnej elastickej lomovej mechaniky (LEFM).
- ASTM International. (2021).ASTM D5528/D5528M-21, štandardná testovacia metóda pre medzilaminárnu lomovú húževnatosť módu I kompozitov s polymérovou matricou vystužených jednosmernými vláknami. DOI: 10.1520/D5528_D5528M-21
- ASTM International. (2019).ASTM D7905/D7905M-19, štandardná skúšobná metóda na stanovenie medzilaminárnej lomovej húževnatosti v režime II kompozitov s polymérnou matricou vystužených jednosmernými vláknami. DOI: 10.1520/D7905_D7905M-19