The effect of components on the relaxation properties of organoplastics.pdf Введение Разработка и применение изделий из металлоорганопластиков предотвращают развитие трещин и демпфируют колебания, обеспечивают стойкость к воздействию эрозионных потоков, лазерного излучения, электрического разряда, гидроудара и других физических явлений, в том числе сопровождающих существование источника чрезвычайной ситуации (ЧС) различного генезиса. Исследование влияния природы и структуры многокомпонентных полимерных матриц, волокнистых и слоистых армирующих элементов, их взаимодействия на релаксационные свойства металлоорганопластиков представляется актуальным в связи с тем, что материал изготовления изделий, которые будут использованы в производстве, в частности, при ликвидации последствий ЧС, должен обладать повышенной устойчивостью. Исследования проведены на примере алоров. Алор - один из видов металлоорганопластиков, в котором металлические слои алюминиевые (Al), а в качестве других компонентов выступают органопластики на основе клеевых полимерных матриц и различных армирующих волокон, в частности Армос и СВМ. Методы и объекты исследования Исследования проведены методами релаксационной спектрометрии: крутильных колебаний в диапазоне частот 0.5-20 Гц в интервале температур 293-593 К, динамического механического анализа на основе изгибных резонансных колебаний в диапазоне частот 20-500 Гц. В проведенном экспериментальном исследовании были определены динамический модуль упругости E1, динамический модуль сдвига G1, а также тангенс угла механических потерь tg δ. В качестве объектов исследования выбраны органопластики, алюминивые пластины, металлополимерные слоистые композиты - алоры. В алорах пленочный эпоксидный клей BK-4I выступает в качестве связующего в органопластике и в то же время обеспечивает сцепление между органопластиком и пластиной из алюминия [1, 2]. Полимерная матрица в композите взаимодействует одновременно с волокнистым и слоистым наполнителем, что определяет структуру и свойства объекта исследования. Результаты и их обсуждение Исследование температурной зависимости между динамическим модулем упругости Е' и тангенсом угла механических потерь tg однонаправленного органопластика ( = 0°), который является одним из составных слоев металлоорганопластика, показало существование двух областей резкого изменения температурной зависимости Е' и механических потерь tg δ (рис. 1), механизмом которых является размораживание сегментальной подвижности в полимерной матрице ( 1, Т 1 = 365 К) и в органическом волокне ( 2, Т 2 = 543 К). При температурах 343-403 К наблюдается переход полимерной матрицы из стеклообразного в высокоэластическое состояние (рис. 1). Наблюдающиеся a11- и a12-процессы релаксации определены межфазными слоями [2], которые возникают при взаимодействии полимерной матрицы и оргволокна. На основе этих исследований авторами предложена четырехуровневая структурная модель органопластика с двумя межфазными слоями. Рис. 1. Температурные зависимости Е' (1, 3) и tg δ (2, 4) компонентов металлоорганопластика: слоя однонаправленного органопластика (1, 2) и слоя алюминия (3, 4) Механические потери второго компонента металлоорганопластика - алюминиевой пластины - до достижения температуры 453 К остаются стабильны, далее монотонно возрастают (рис. 1). Релаксационные переходы не наблюдались. В интервале значений температур 293-593 К динамический модуль упругости Е' алюминиевой пластины незначительно уменьшается по величине от 6.0∙1010 до 5.2∙1010 Па. Межфазное взаимодействие полимерной матрицы алора клея BK-4I с алюминиевым сплавом [3] приводит к изменению его структуры по сравнению со структурой полимерной матрицы в органопластиках (рис. 2). В эксперименте с изгибными колебаниями это сопровождается расширением температуpного интервала проявления 1-процесса релаксационного пеpехода. Температyры переходов в алоре и органопластике существенно различаются. Температура 1-релаксационного процесса для алора с армирующим волокном СВМ приходится на 397 К, а для органопластика - на 335 К. В алоре с армирующим волокном Армос Tα1 = 413 К, тогда как в исходом органопластике Tα1 = 357 К (рис. 2, таблица). Рис. 2. Температурная зависимость динамического модуля упругости Е' (1, 3) и тангенса угла механических потерь tg δ (2, 4) алора: поверхностный слой - сплав В-95, серединный слой - органопластик на основе волокон СВМ и клея ВК-41 (1, 2), волокон Армос и клея ВК-41 (3, 4) Вязкоупругие свойства алоров № Характеристика (изгибные колебания) Динамический модуль упругости Дефект модуля Температура релаксационного перехода Время релаксации Образец Е'∙10-9, Па (293 К) Е'∙10-9, Па (473 К) ∆Е' Тα1, К Тα2, К τα1∙104, с τα2∙104, с 1 В-95+жгут СВМ+ВК-41 9 5.6 1.61 397 409 5.1 5.59 2 В-95+жгут Армос+ВК-41 8.7 3.6 2.42 413 439 5.0 5.4 3 Д16чАТ+жгут Армос +ВК-41 13.8 6.0 2.3 393 - 5.55 - № Характеристика (крутильные колебания) Динамический модуль сдвига Дефект модуля Температура релаксационного перехода Время релаксации Образец G'∙10-9, Па (293 К) G'∙10-9, Па (473 К) ∆G' Тα1, К Тα2, К τα1∙104, с τα2∙104, с 1 В-95+жгут СВМ+ВК-41 5.13 1.5 3.42 353 - 6.7 - 2 В-95+жгут Армос+ВК-41 4.3 1.2 3.6 353 398 6 9 3 Д16чАТ+жгут Армос +ВК-41 14.5 3 4.8 333 - 5 - Межфазный слой металл - пластик оказывает влияние на формирование вязкоупругих свойств алора, который проявляется в виде α1-процесса релаксации (рис. 1, 2). При этом в алорах с Армос-пластиком образуется более жесткий межфазный слой. Это приводит к повышению температуры проявления α1-процесса релаксации и увеличению ее интенсивности. При переходе из стеклообразного в высокоэластическое состояние полимерной матрицы алора на основе клея BK-41 наблюдается уменьшение динамических модулей упругости Е' и сдвига G'. Это обусловлено уменьшением межмолекулярного взаимодействия в компонентах композита при повышении температуры T. Изменение модулей упругости Е' и сдвига G', которые можно характеризовать отношением модулей в стеклообразном и высокоэластическом состояниях , для Армос-алоров выше, чем для СВМ-алоров. При температурах выше 423 К для крутильных колебаний и 493 К для изгибных колебаний при деформации изгиба значения модулей упругости Е' и сдвига G' стабилизируются либо медленно убывают. Проведение испытаний при более высоких температурах показало, что модули упругости Е' и сдвига G' изменяются незначительно, но при этом наблюдается увеличение механических потерь. Такое поведение объясняется возникновением крупномасштабной молекулярной подвижности в армирующем органическом волокне. Внешний осмотр испытанных при заданных температурах образцов показал расслоение алора. Следует отметить, что деформируется алор не как единое целое, а лишь его отдельные компоненты. При переходе полимерной матрицы алора клея BK-4I из стеклообразного в высокоэластическое состояние она частично теряет способность скреплять адгезионно компоненты алора в единый композит. Большие значения динамических модулей упругости и cдвига алора на основе волокон СВМ при Т 473 К, когда полимерная матрица находится в высокоэластическом состоянии, по сравнению с алором на основе волокон Армос могут быть обусловлены более высоким уровнем прочности адгезионного взаимодействия между армирующим волокном, связующим клеем ВK-4I и алюминиевой пластиной. Алюминивые пластины Д16чАТ в алоре существенно повышают упругие характеристики композита, усиливают адгезионное взаимодействие, увеличивают время релаксации 1-процесса по сравнению с алором на основе пластины В95. Так как на температурной зависимости tg алора на основе Д16чАТ не наблюдается α′1-процесса релаксации, который связан с возникновением молекулярной подвижности в межфазном слое, то в данном алоре формируется переходный слой с плавным изменением структуры и свойств от характеристик волокна к характеристикам матрицы. Адгезионная связь между алюминиевыми пластинами и органопластиком в алорах устанавливается высокопрочным пленочным клеем BK 41, обеспечивающим достаточно высокие показатели длительной и усталостной прочности. Одновременно он является и связующим для органопластика. Известно [1, 2], что лучшими эксплуатационными характеристиками обладают органопластики на основе эпоксидных связующих. В связи с этим вопрос о влиянии обработки жгута Армос эпоксидиановым связующим ЭДТ-69 на вязкоупругие свойства алора представляется интересным. Сравнительное исследование проведено для алоров двух видов: 1 - жгут из органических волокон Армос приклеен к пластинам из алюминиевого сплава В-95 пленочным клеем BK-41; 2 - жгут из волокон Армос пропитан эпоксидиановым связующим ЭДТ-69 и приклеен к пластинам В-95 клеем BK-4I. Макроструктура рассматриваемых алоров одинакова. Наблюдающийся в интервале температур 373-433 К ярко выраженный максимум tg (рис. 3) можно объяснить появлением сегментальной подвижности в матрице алора ( 1-процесс релаксации). А второй максимум tg в алоре связывается с появлением молекулярной подвижности в армирующем наполнителе Армос. Область проявления этого перехода совпадает с 2-процессом релаксации в органопластике: жгут Армос+клей ВК-4I. Изменение межмолекулярного взаимодействия в области протекания 1-процесса релаксации приводит к резкому уменьшению динамического модуля. В матрице на основе клея BK-4I разрыв физических связей, характеризующих межмолекулярное взаимодействие частиц, происходит с повышением температуры T на порядок быстрее, чем в пластике со жгутом Армос, обработанным связующим ЭДТ-69. Величина динамического модуля алора в высокоэластическом состоянии полимерной матрицы в большей степени определяет прочность адгезионного взаимодействия матрицы, армирующего волокна и алюминиевой пластины. Эксперименты показали, что прочность адгезионной связи связующего ЭДТ-69 с армирующим наполнителем из волокон Армос выше, чем с исходным клеем ВК-41. Рис. 3. Динамический модуль сдвига G' (1, 2) и тангенса угла механических потерь tg δ (3, 4): структура В-95 - ПКС-171 - жгут СВМ с ЭДТ-69 - ПКС-171 - В-95 (1, 2), по технологии с мокрой намоткой (3, 4) Полученные в ходе экспериментов результаты свидетельствуют о пластифицирующем действии связующего ЭДТ-69 на армирующий наполнитель из волокон Армос, более выраженном, чем клея BK-41. При этом происходят смещение температуры 2-перехода в органопластике на основе ЭДТ-69 в сторону более низких температур на 10 К, увеличение полуширины максимума tg δm, а также уменьшение величины динамического модуля в этом температурном интервале. Поскольку динамические модули упругости Е' и сдвига G' в алорах на основе органопластика с обработанным ЭДТ-69 жгутом Армос увеличиваются на 20 по сравнению с алорами на основе органопластика с клеем BK-4I в качестве связующего, то это свидетельствует о формировании более жесткой полимерной структуры алора в результате взаимодействия клея BK-4I, связующего ЭДТ 69, волокна Армос и слоистого наполнителя. Уменьшение прочности его адгезионного сцепления с алюминиевой пластинкой алора на основе Армос-пластика и клея ВК-4I происходит в довольно широком температурном интервале ΔT ≈ 60 К. В то же время в алорах с обработанным ЭДТ-69 Армос-пластиком процесс разрушения адгезионного сцепления происходит в значительно более узком температурном интервале ΔT ≈ 30 К. Температура максимума tg , связанного с расстекловыванием клея BK-4I, в алорах на основе органопластика с матрицей ЭДТ-69 на 15 К выше, чем для алора с матрицей BK-4I. Заключение Природа армирующего наполнителя играет важную роль в установлении адгезионной прочности в металлоорганопластиках. По результатам динамического механического анализа большей адгезионной связью обладают алоры на основе СВМ-пластика по сравнению с Армос-пластиком. Обработка жгута Армос на основе клея ВК-41 эпоксидиановым полимером ЭДТ-69 приводит к увеличению динамических модулей упругости и сдвига алора, а также формированию более жесткой полимерной структуры. Использование в алорах полимерной матрицы ПКС-171+ЭДТ-69 повышает гетерогенность матрицы и пластифицирует армирующее волокно СВМ. Адгезионное взаимодействие между компонентами композита приводит к ужесточению структуры полимерной матрицы и вследствие этого к смещению температуры 1-процесса релаксации на 50 К в область высоких температур. Слоистый наполнитель Д16чАТ обеспечивает значительно высокий уровень упругих характеристик алора по сравнению с пластиной В-95, обусловленный усилением адгезионного взаимодействия между слоистым, волокнистым наполнителем и полимерной матрицей на основе клея ВК 41.

Скачать электронную версию публикации