Як відомо, поверхня твердого тіла завжди має рельєф: навіть гладенька на вигляд поверхня при великому збільшенні виявляє нерівності, що складаються з сукупності гребенів і западин неправильної форми. Рельєф поверхні впливає на площу контакту між адгезивом і субстратом, і отже, на адгезію. Існує величезна різноманітність форм і розмірів нерівностей поверхні. Важливу роль при взаємодії на межі розділу адгезив - субстрат можуть грати мікроскопічні і ультрамикроскопические нерівності, розмір яких коливається в межах 10 - 100 А.
Збільшення нерівності поверхні субстрату повинно призводити до зростання площі контакту, і отже, до зростання міцності адгезії між полімерами за умови, звичайно, якщо адгезив здатний заповнити ці нерівності.
З метою підвищення адгезії останнім часом багато уваги приділяється механічної і хімічної модифікації поверхні армуючого тіла. Основні способи модифікації поверхні армуючих наповнювачів представлені в табл. 9.1.
Таблиця 9.1. Хімічні і фізико-механічні способи модифікації поверхні наповнювача
Процес обробки поверхні
Основні засоби обробки
Окислення в розчині
пермангонатом калію, солі хлорнуватистої кислоти, сіль хромової кислоти
Окислення в газовому середовищі
На повітрі, в кисні, озоне, галогеноподобних сумішах, з'єднаннях азоту
Органічні і неорганічні сполуки, полімери, вуса
Вплив фізичних полів
Ультразвук. Магнітне поле. Електростатичний заряд. Електричний розряд. Ультрафіолетове і радіаційне опромінення
Практично всі види хімічної обробки пов'язані з окисленням і мають на меті збільшення поверхневої активності (поверхневого натягу волокон). Досягається це шляхом збільшення питомої поверхні за рахунок видалення поверхневих «забруднень» і відкриття наявних в структурі волокон пір, а також можливого утворення нової доби. Крім того, модифікація поверхні здійснюється за рахунок утворення на ній кисневмісних функціональних груп. Кожен з перерахованих методів має не тільки свої переваги, але і недоліки, в тому числі і технологічні.
Метод полімеризації щепленням стоїть осібно і має більш складний і багатофункціональний характер. Міцність композиту з такими волокнами залежить не тільки від адгезійної міцності, але і від когезионной міцності щеплення, наприклад відриву вусів від поверхні волокна.
Найбільш повно досліджена ультразвукова (УЗ) обробка, яка має суттєвий позитивний вплив на швидкість просочення пористих матеріалів. Вплив ультразвуку на підйом рідини в капілярах було виявлено ще в 20-х роках XX ст. американським хіміком Т. Річардсом і досліджується до теперішнього часу.
Ультразвукове вплив на структурні складові композиту в процесі просочення дозволяє підвищити її інтенсифікацію при одночасному підвищенні міцності вироби.
У міру проходження армирующего наповнювача через сполучна відбуваються його змочування і просочення, а після виходу наповнювача з сполучного - допропітка локальним віброакустичними полем. Спостерігається також виброакустический ефект, що виявляється в тому, що армуючий матеріал виявляється натягнутим між віджимними валиками і з включенням магнітостріктора як би перетворюється в хвилевід, через який поширюється звукова хвиля. При цьому відбувається взаємне зміщення волокон, що сприяє видаленню включень повітря між волокнами.
Одночасно в прикордонному з волокном шарі сполучної спостерігається рух сполучного в напрямку поширення звукової хвилі, тобто в напрямку, протилежному руху матеріалу. Відбувається також рух пов'язує і в напрямку руху наповнювача, мабуть, за рахунок адгезії сполучного до волокна, однак протилежний зміст руху сполучного є домінуючим; на кордоні волокно - сполучна виникає додаткове рух, яке в поєднанні з циклічною деформацією призводить до зниження в'язкості і в вузькій граничному діапазоні.
Прояв виброакустического ефекту при УЗ-обробці залежить від параметрів коливальної системи і технологічних параметрів просочення, внаслідок чого необхідно експериментально встановлювати оптимальні режими віброобробки. Так, зі збільшенням амплітуди УЗ-коливань швидкість течії сполучного в прикордонному шарі вздовж наповнювача зростає і спостерігається інтенсивне виділення газових бульбашок в сполучна. Час УЗ-впливу лімітується швидкістю протягування наповнювача. Частота УЗ-коливань задається магнітостріктором і в процесі просочення не змінюється. З ростом температури сполучного збільшується і швидкість руху прикордонного шару, а також інтенсифікується процес дегазації.
Ефект модифікації при УЗ-просочення волокнистих армуючих наповнювачів забезпечується за рахунок підвищення структурної однорідності, зміни властивостей полімерної матриці і зниження дефектності композиту внаслідок видалення повітряних включень з пасом волокон і поліпшення розподілу зв'язуючого по перетину наповнювача, що призводить до підвищення сплошности і міцності матеріалу. Сполучна додатково проникає в міжволоконній-ве простір, що сприяє практично ідеального заповнення цього простору, тобто відбувається поліпшення якості та інтенсифікації просочення.
Спостережуваний виброакустический ефект притаманний, мабуть, різних варіантів УЗ-просочення волокнистих наповнювачів, а прояв його залежить від в'язкості сполучного, адгезійних властивостей і швидкості протягування наповнювача, а також від параметрів УЗ-впливу.
Як приклад розглянемо У 3-просочення УКН-5000П епоксидними сполучними - Еду і ЕНФБ.
Результати випробувань односпрямованих кільцевих зразків з досліджуваних углепластиков, які не пройшли і пройшли обробку, представлені в табл.9.2. З таблиці видно, що міцність віброобра-бота зразків (знаменник) збільшується, а розкид властивостей зменшується.
Таблиця 9.2. Міцність кільцевих зразків з УКН
Адгезійна міцність підвищується також при формуванні адгезійного з'єднання в магнітному полі. Зокрема, адгезійна міцність епоксидних, фураноепоксідних, поліамідних та інших смол зростає при обробці на стадії формування в постійному магнітному полі, причому на підвищення адгезійної міцності впливають напруженість поля і тривалість обробки. Залежно від типу полімеру і режиму обробки підвищення адгезійної міцності становить від 1,4 до 2,8 разів. Зміна адгезійної міцності залежить не тільки від полімерної матриці і режиму обробки, але і від магнітних властивостей армуючого наповнювача.
Можна припустити, що однією з причин цього ефекту є вплив магнітного поля на характер адгезійного контакту. Магнітне поле сприяє виникненню більш упорядкованим структури полімеру, що знаходиться в контакті з підкладкою.
Безсумнівний інтерес представляє вплив електростатичного заряду на взаємодію тіла з рідким середовищем. Електризація поверхні полімерів впливає на їх кут змочування. Зокрема, поверхневий натяг зарядженої краплі під дією електрокапілярних ефекту різко знижується, що покращує змочування. Крім того, під дією електричного поля прискорюється видалення слідів вологи і повітря з поверхні підкладки. Всі ці фактори покращують формування адгезійного з'єднання і призводять до збільшення адгезійної міцності.
Ультрафіолетове і радіаційне опромінення прискорюють процес формування адгезійного з'єднання і збільшують число хімічних зв'язків на межі розділу.
Електронний розряд зазвичай застосовують для модифікації вуглецевих і графітових волокон, в результаті його впливу і утворюються хімічно активні центри на поверхні волокна.
Однією з проблем збільшення адгезії полімеру з наповнювачем є очищення поверхні наповнювача. Присутність на поверхні як випадкових, так і технологічних (Замасліватель) утворень істотно заважає контакту матричного матеріалу з наповнювачем. Серйозну небезпеку вносить і адсорбована наповнювачем волога.
З метою видалення небажаних утворень на поверхні проводиться її очищення перерахованими методами. Як правило, для видалення вологи досить провести сушку волокна при температурі 80.
- 160 ° С. Видалення більш істотних забруднень вимагає відмивання різними розчинниками або випалювання.
Підвищення адгезії волокнистого наповнювача до полімеру за допомогою аппретірованія або подшліхтовкі відомо досить давно, хоча до цих пір не існує загальновизнаного механізму поліпшення адгезії за допомогою аппретірованія.
Зазвичай апретом виконує дві функції: 1 - захищає волокна від зовнішнього впливу і механічного травмування; 2 - покращує адгезію наповнювача до полімерної матриці.
Аппретами мають комплексний склад і повинні відповідати наступним вимогам :.
1 - міцно фіксуватися на наповнювачі ;.
2 - утворювати на поверхні наповнювача адсорбционную оболонку, близьку за молекулярною властивостями до полімерної матриці ;.
3 - оптимально насичувати поверхню наповнювача модифікатором.