Мікроструктура поверхні руйнування композитних матеріалів із частками фулерену Св0

Размещено на http://www.allbest.ru//

Мікроструктура поверхні руйнування композитних матеріалів із частками фулерену Св0

А.А. Сапронов

Методом оптичної мікроскопії досліджено структуру зламу композитних матеріалів із різним вмістом нанодисперсного фулерену С60. Як основний компонент для зв'язувана під час формування епоксидних композитів вибрано епоксидний діановий олігомер марки ЕД-20, який характеризується поліпшеною адгезійною міцністю, незначною усадкою і технологічністю після нанесення на довговимірні поверхні складного профілю. Для зшивання епоксидних композицій використано твердник поліетиленполіамін ПЕПА, що дає змогу затверджувати матеріали за кімнатних температур. Для підвищення властивостей композитних матеріалів використано фулерен С60 з дисперсністю 5 нм. Композитний матеріал із нанодисперсним наповнювачем формували за технологією, яка передбачала попереднє ультразвукове диспергування композиції до введення твердника за оптимальних температурно-часових режимів. Показано, що структура зламу матриці характеризується хаотичним напрямком поширення тріщини, що свідчить про нестабільні значення властивостей у процесі експлуатації. Відповідно встановлено оптимальний вміст нанодисперсних часток фулерену С60 в епоксидному зв'язувачі, який становить q = 0,025...0,050 мас. ч. При цьому спостережено помірну в'язкість поверхні руйнування композитного матеріалу, що нівелює багатовекторне поширення тріщин в об'ємі полімеру, а отже, дає змогу експлуатувати розроблені матеріали без зміни їх властивостей впродовж тривалого часу.

Ключові слова: епоксидний олігомер; покриття; злам; технологія формування; нанонаповнювач.

Вступ

Серед низки відомих зв'язувачів, перспективним є використання епоксидного діанового олігомеру ЕД-20, який характеризується можливістю зшивання за низьких температур, високими показниками адгезійної міцності до металевої основи, поліпшеними фізико-ме- ханічними властивостями. Водночас останнім часом широко й ефективно використовують нанодобавки під час формування композитних матеріалів. Тому одним із пріоритетних напрямів розвитку сучасного матеріалознавства є раціональне співвідношення компонентів під час формування нових композитних матеріалів, що дає змогу створювати нові гетерогенні системи, які можуть забезпечувати постійно зростаючі потреби різних сфер промисловості. Створення полімерних композитів, наповнених нанодобавками, забезпечує зміну структури матриці та істотно покращує її експлуатаційні характеристики. Перевага нанорозмірних наповнювачів, порівняно з мікророзмірними, в тому, що навіть їх незначний вміст приводить до зміни кінетики зшивання полімерів (Atovmyan, et al., 2005; Coleman, et al., 2006; Stukhliak, et al., 2014; Brooker, Kinloch, & Taylor, 2010), а отже, і зміни властивостей вихідних матеріалів.

Аналіз останніх досліджень та публікацій. Аналіз літературних джерел показує, що незначна кількість модифікувальних нанорозмірних добавок може істотно покращувати характеристики полімерів. Показано (Atovmyan, et al., 2005; Coleman, et al., 2006; Stukhliak, et al.,2014), що модифікація зв'язувача наночастками фулере- ну С60 підвищує в'язкість і циклічну міцність композитів. Введення нанодобавок в епоксидний зв'язувач не тільки зміцнює матеріал, але також зменшує ефект утворення дефектів в об'ємі, що впливає на механічні характеристики полімерів. Введення вуглецевих нанотрубок (ВНТ) за вмісту 1.. .2 % збільшують модуль пружності та міцність на розрив (Atovmyan, et al., 2005), при цьому підвищуються теплопровідність, електропровідність та діапазон робочих температур композитів. Автори встановили (Spitalsky, et al., 2008; Roy, et al., 2013), що межа міцності на розтягування епоксидних композитів збільшується у 2 рази завдяки введенню наноалмазу (НА) за вмісту 0,67 % мас. ч. Введення 0,1 % (НА) в епоксидну матрицю збільшує межу міцності і модуль пружності композитів (Brooker, Kinloch & Taylor, 2010; Spitalsky, et al., 2008; Roy, et al., 2013). Введення нано- розмірного діоксиду кремнію підвищує механічні характеристики, зокрема: межу міцності, ударну в'язкість та стійкість до руйнування. Це пояснюють тим, що на- ночастинки впливають на формування надмолекулярної полімерної структури композитів, і тому істотно можуть покращувати властивості полімерів (Roy, et al., 2013; Buketov, et al., 2016; Sapronov, Ben & Buketova, 2015; Buketov, et al., 2016; Sapronov, Buketova & Leshchenko, 2016).

Мета роботи - дослідження впливу вмісту фулере- ну С60 на характер руйнування композитних матеріалів.

Методика дослідження. Основним компонентом для зв'язувача під час формування КМ вибрано епоксидний діановий олігомер марки ЕД-20 (ГОСТ 1058784), який характеризується комплексом покращених властивостей, порівняно з іншими відомими реактопластами, а саме: високою міцністю адгезійних з'єднань до металевої основи, можливістю затверджування за низьких температур, малою усадкою, відсутністю виділення летких речовин під час формування у вироби, технологічністю при нанесенні на довговимірні деталі зі складним профілем поверхні, розвиненою сировинною базою.

Для зшивання епоксидних композицій використовували твердник поліетиленполіамін (ПЕПА) (ТУ 6-05241-202-78), який допомагає зшивати матеріали за кімнатних температур. Відомо, що ПЕПА є низькомолекулярною речовиною, яка складається з таких структурних мономерних ланок: [-CH2-CH2-NH-]n. Різні стадії зшивання моделювали і досліджували під час введення твердника у композицію за стехіометричного співвідношення компонентів (10 мас. ч. на 100 мас. ч. епоксидного олігомеру ЕД-20). Як наповнювач для експериментальних досліджень використано фулерен С60 з дисперсністю 5 нм. Вміст наповнювача змінювали в межах q = 0,010...0,100 мас. ч.

Наповнений частками С60 епоксидний композит формували за такою технологією: попереднє дозування епоксидної діанової смоли ЕД-20, підігрівання смоли до температури Т = 353±2 К і її витримка за цієї температури впродовж часу т = 20±01 хв; дозування наповнювача і подальше його введення в епоксидний зв'язувач; гідродинамічне поєднання олігомеру ЕД-20 і нанона- повнювача впродовж часу т = 1±01 хв; ультразвукова оброблення композиції впродовж часу т = 1,5±01 хв; охолодження композиції до кімнатної температури впродовж часу т = 60±5 хв; введення твердника ПЕПА і перемішування композиції впродовж часу т = 5±01 хв. Потім проводили полімеризацію КМ за експериментально встановленим режимом: формування зразків і їх витримка впродовж часу т = 12,0±01 год за температури Т = 293±2 К, нагрівання зі швидкістю и = 3 К/хв до температури Т = 393±2 К, витримка КМ впродовж часу т = 2,0±0 05 год, повільне охолодження до температури Т = 293±2 К. З метою стабілізації структурних процесів перед проведенням випробувань зразки з КМ витримували впродовж т = 24 год на повітрі за температури Т = 293±2 К.

Дослідження структури КМ проводили на металографічному мікроскопі. Для оброблення цифрових зображень використовували програмне забезпечення "Levenhuk ToupView".

Експериментальні результати. На основі попередніх результатів дослідження встановлено (Roy, et al., 2013; Buketov, et al., 2016; Sapronov, Ben & Buketova, 2015; Buketov, et al., 2016; Sapronov, Buketova & Leshchenko, 2016), що для формування композитних матеріалів із підвищеними показниками адгезійних, фізико- механічних і теплофізичних властивостей доцільно вводити фулерен С60 за вмісту q = 0,010.0,050 мас. ч. За такого наповнення адгезійна міцність композитів при відриві становить оа = 35,9 МПа, при зсуві - т = 9,6 МПа, залишкові напруження - аз = 1,05 МПа., модуль пружності під час згинання - Е = 3,23 ГПа, руйнівні напруження при згинанні - азг = 102,2 МПа, теплостійкість за Мартенсом - Т = 342 К, відносна втрата маси - ет = 49,0.53,0 %, максимальне значення температури піка екзоефекту - Ттах = 503.530 К.

При цьому з аналізу характеру руйнування композитних матеріалів методом оптичної мікроскопії підтверджено результати когезійної міцності та визначено оптимальний вплив добавок під час формування захисних покриттів. Аналіз фрактограм зламу епоксидної матриці дав змогу виявити розгалуження вузьких та широких ліній сколювання (рис. 1, а), що характеризує напружений стан матеріалу та опосередковано свідчать про можливу крихкість полімеру у процесі експлуатації.

Рис. Вид макроруйнування епоксидних композитів, наповнених частками С60, q, мас. ч.: а) епоксидна матриця; б) 0,010; в) 0,025; г) 0,050; д) 0,075; е) 0,100

Поверхня зламу нанокомпозитів із частками фулере- ну С60 за вмісту q = 0,010 мас. ч. характеризується хаотичним напрямком поширення тріщини, що свідчить про збільшення опору руйнування під час впливу нано- дисперсної складової, та присутність незначних залишкових напружень (рис. 1, б) в об'ємі матеріалу.

Збільшення вмісту часток фулерену С60 до q = 0,025 мас. ч. в епоксидному зв'язувачі приводить до формування здебільшого однорідної структури зламу і характеру поширення тріщин (рис. 1, в). Це дає можливість стверджувати про релаксацію напружень в об'ємі матеріалу, що зумовлює в'язкий характер руйнування. При цьому поверхня руйнування має характерне сколювання (показано стрілками), а більша частина об'єму полімеру, як уже зазначали - однорідний характер. Тобто, за рахунок помірної в'язкості у системі "полімер-напов- нювач", багатовекторного поширення тріщин в об'ємі під час руйнування полімеру не відбувається.

Це дає змогу використовувати такі матеріали, як захисні покриття, які можливо експлуатувати в умовах впливу статичних, динамічних і навантажень ударного характеру.

З аналізу поверхні зламу композитних матеріалів за вмісту часток фулерену С60 q = 0,050...0,075 мас. ч. (рис. 1; г, д) виявлено значну кількість великих магістральних тріщин, які поширюються в напрямку удару і переходять у мікротріщини, що у процесі експлуатації може викликати передчасне руйнування НКМ. Отже, такі НКМ характеризуються напруженим та кінетично неврівноваженим станом гетерогенної системи, а отже, і незначними показниками механічної міцності.

Особливу увагу потрібно звернути на результати дослідження НКМ із вмістом часток С60 у кількості q = 0,100 мас. ч. З аналізу поверхні зламу (рис. 1, е) можна констатувати, що структура має виражений рельєф і практично прозора - що так само свідчить про швидке крихке руйнування нанокомпозиту. Тобто можна припустити, що надмірна кількість активного нано- наповнювача (С60) при взаємодії із епоксидним зв'язу- вачем сприяє утворенню значної кількості хімічних зв'язків, для релаксації напружень в об'ємі яких потрібний великий проміжок часу. Тобто під час руйнування таких матеріалів критичними є залишкові напруження, що виконують функцію концентраторів напружень.

Висновки

Встановлено оптимальний вміст нано- дисперсних часток фулерену С60 в епоксидному зв'язувачі, який становить q = 0,025.0,050 мас. ч. для формування захисного покриття, що забезпечує комплекс підвищених властивостей завдяки формуванню однорідної структури композитного матеріалу без наявних дефектів. За такого вмісту спостерігали в'язкий характер руйнування композитного матеріалу, що свідчить про стабільні властивості полімеру у процесі експлуатації.

мікроструктура композитний фулерен

Перелік використаних джерел

Atovmyan, E. G., Badamshina, E. R., Estiin Ya. I., et al. (2005). Polyfunctional Cross-Linking Agents on the Fullerene C60 Base for Polyurethane Nanocomposites. European Polymer Congress, (pp. 56-59). Moscow: Abstracts.

Brooker, R. D., Kinloch, A. J., & Taylor, A. C. (2010). The morphology and fracture properties of thermoplastic-toughened epoxy polymers. (Vol. 86). Journal of Adhesion, 7, 726-741. https://doi.org/10.1080/00218464.2010.482415 Buketov, A., Maruschak, P., Sapronov, O., Brailo, M., Leshchenko, O., Bencheikh, L., & Menou, A. (2016). Investigation of thermophysical properties of epoxy nanocomposites. Molecular Crystals and Liquid Crystals, 628(1), 167-179.

https://doi.org/10.1080/15421406.2015.1137122 Buketov, A., Maruschak, P., Sapronov, O., Zinchenko, D., Yatsyuk, V., & Panin, S. (2016). Enhancing performance characteristics of equipment of sea and river transport by using epoxy composites. Transport, 31(3), 333-342.

Размещено на Allbest.ru