Cum se poate îmbunătăți rezistența rășinii fenolice în materialele compozite?

Introducere

Rășini fenolicesunt materiale termorigide formate din reacțiile de condensare dintre compușii fenolici și aldehide, cel mai frecvent fenol și formaldehidă. Aceste materiale sunt utilizate în sistemele compozite în care pot fi relevante comportamentul termic, performanța la foc, stabilitatea dimensională sau rezistența chimică.

Sistemele de rășini fenolice întărite pot prezenta un comportament de fractură relativ fragil, deși acest lucru depinde de chimia rășinii, de formulare și de condițiile de întărire. Structura de rețea foarte reticulata care oferă rezistență termică și chimică limitează, de asemenea, mobilitatea moleculară, ceea ce poate influența comportamentul la fractură.

Duritatea matricei vs rezistența la rupere compozite

Performanța legată de tenacitate trebuie interpretată în funcție de nivelul materialului și metoda de încercare luată în considerare. Mai multe concepte distincte sunt relevante:

Duritatea matricei se referă la comportamentul de deformare și absorbție de energie a matricei întărite înainte de defectare.

Parametrii tenacității la rupere sunt proprietăți mecanice specifice ruperii măsurate în condiții definite de eșantion și de testare.

Testarea de impact caracterizează răspunsul materialului sau al specimenului la încărcare rapidă.

Rezistența compozitului la rupere și toleranța la deteriorare se referă la comportamentul întregului sistem compozit.

Aceste măsurători descriu diferite aspecte ale comportamentului materialului, astfel încât îmbunătățirea unei proprietăți nu corespunde neapărat îmbunătățirii alteia.

Strategiile de cauciuc, chimice, polimer multifazic și nanoparticule selectate modifică în primul rând matricea sau faza care conține matricea, în timp ce arhitectura fibrelor și comportamentul interfacial influențează în primul rând răspunsul la rupere a compozitului complet.

Modificare cauciuc

Modificarea cauciucului este o abordare bine studiată a întăririi selectatesisteme cu rășini fenolice. Modificarea elastomerică a fost investigată ca mijloc de modificare a comportamentului la impact și rupere în formulări fenolice selectate.

Efectele observate depind de chimia cauciucului, morfologie, dispersie, comportament interfacial, condiții de întărire, încărcare și metoda de testare. Domeniile de cauciuc dispersate pot modifica câmpurile locale de tensiuni și comportamentul de propagare a fisurilor. Mecanismele implicate depind de morfologia și formularea specifică rășină-cauciuc.

Încărcarea cauciucului poate influența comportamentul de prelucrare, rigiditatea și comportamentul termic, astfel încât nivelul adecvat trebuie evaluat pentru formula specifică.

Întărirea cu fibre și comportamentul la fractură compozit

Armarea cu fibre modifică în primul rând comportamentul la rupere și toleranța la deteriorare a compozitului complet, mai degrabă decât duritatea intrinsecă a matricei fenolice întărite. Sunt utilizate diferite arhitecturi de fibre, inclusiv fibre scurte, fibre continue, armături țesute și armături nețesute, în funcție de cerințele aplicației.

Încompozite fenolice armate cu fibre, mai multe mecanisme pot contribui la rezistența la fractură:

Puntea fibrelor poate contribui la rezistența la rupere atunci când fibrele se întind pe o fisură în curs de dezvoltare și rezistă la deschiderea fisurii.

Acolo unde delipirea interfacială și condițiile de alunecare permit, smulgerea fibrei poate contribui la absorbția energiei.

Căile de fisuri pot fi, de asemenea, redirecționate de fibre sau interfețe.

Comportamentul la rupere a unui compozit armat cu fibre depinde de factori precum arhitectura armăturii, orientarea, fracția de volum, comportamentul interfacial, modul de încărcare și procesul de fabricație. Proprietățile interfeței influențează transferul sarcinii și comportamentul la rupere. Agenții de cuplare și tratamentele de suprafață pot fi utilizați pentru a modifica comportamentul interfeței fibre-matrice.

Modificare chimică și multifazică

Modificare chimică

Modificarea chimică poate modifica structura și răspunsul mecanic al rețelei fenolice întărite. Modificările menite să modifice comportamentul legat de fractură pot afecta, de asemenea, rigiditatea, comportamentul termic, caracteristicile de întărire sau procesabilitatea.

Cardanolul și alte componente derivate din coajă de nucă de caju au fost investigate ca modificatori în sistemele fenolice. Comportamentul mecanic și termic rezultat depinde de compoziție și de condițiile de întărire.

Interpenetrarea rețelelor polimerice

O rețea polimerică interpenetrantă (IPN) cuprinde două sau mai multe rețele polimerice care sunt cel puțin parțial întrețesute la scară moleculară, nu sunt legate covalent între ele și nu pot fi separate fără a rupe legăturile chimice. Un amestec de rețele polimerice preformate separat nu este, în sine, un IPN.

O rețea polimerică semi-interpenetrantă conține una sau mai multe rețele de polimeri împreună cu unul sau mai mulți polimeri liniari sau ramificati care pătrund în structura rețelei la scară moleculară.

În funcție de compoziție, morfologie și condiții de procesare, arhitecturile IPN sau semi-IPN pot modifica echilibrul comportamentului mecanic, termic și la rupere în sistemele care conțin fenolici.

Modificarea nanoparticulelor

Nanoparticulele au fost investigate ca modificatori însisteme cu rășini fenolice. Efectele lor depind de chimia particulelor, încărcare, dispersie, caracteristicile suprafeței și interacțiunile cu matricea.

Calitatea dispersiei poate influența comportamentul sistemelor modificate cu nanoparticule. Tratamentul suprafeței și strategia de dispersie pot influența compatibilitatea și performanța.

Nanoparticulele pot modifica comportamentul de propagare a fisurilor în funcție de dispersie și interacțiunile interfațale. Rigiditatea, rezistența și duritatea sunt proprietăți distincte și pot răspunde diferit la modificare.

Evaluarea performanței legate de duritate

Caracterizarea impactului și a fracturilor

Testarea Charpy sau Izod poate fi utilizată pentru a compara răspunsul la impact în condiții definite de eșantion și de testare. Testarea la impact și testarea mecanică a ruperii oferă diferite tipuri de date de caracterizare și nu sunt interschimbabile.

Configurațiile cu o singură margine cu crestătură (SENB) pot fi utilizate pentru caracterizarea mecanicii ruperii conform unei metode de testare a polimerului aplicabilă. Valabilitatea parametrilor de rezistență la rupere raportați depinde de geometria probei, răspunsul materialului și condițiile de testare.

Pentru compozitele laminate adecvate, metodele cu fascicul dublu în consolă (DCB) pot fi utilizate pentru caracterizarea fracturii interlaminare Modul I. Metodele de flexie cu crestături la capăt (ENF) pot fi utilizate pentru caracterizarea fracturii interlaminare de Modul II a laminatelor adecvate. Pentru compozitele laminate unde rezistența la delaminare este o problemă de proiectare, caracterizarea fracturii interlaminare poate fi deosebit de relevantă.

Sprijinirea caracterizării mecanice și vâscoelastice

Testarea la tracțiune și la încovoiere poate fi utilizată pentru a evalua modificările rezistenței și rigidității asociate cu o modificare. Aceste măsurători completează caracterizarea legată de duritate prin identificarea compromisurilor mecanice-proprietăți.

Analiza mecanică dinamică (DMA) poate oferi informații despre răspunsul vâscoelastic și comportamentul legat de tranziția sticloasă. DMA oferă o caracterizare termomecanică de sprijin, mai degrabă decât date privind rezistența la rupere.

Compensații de formulare

Evaluarea ar trebui să ia în considerare efectele asupra rigidității, rezistenței, comportamentului termic, comportamentului de întărire, vâscozității, procesabilității, compatibilității de fabricație și costului.

Pot fi combinate mai multe abordări, dar interacțiunile lor ar trebui evaluate experimental pentru sistemul material specific.

Concluzie

Performanță legată de întărire încompozite cu rășini fenolicepoate fi modificat atât la nivel de matrice, cât și la nivel compus. Abordările din cauciuc, chimice, polimer multifazic și nanoparticule afectează în primul rând faza care conține matrice, în timp ce arhitectura de armare și comportamentul interfacial influențează în primul rând răspunsul la rupere a compozitului complet.

Strategia adecvată depinde de proprietățile țintă, sistemul de material, ruta de procesare și cerințele aplicației. Caracterizarea impactului, fracturilor, mecanică și vâscoelastică ar trebui să fie selectată în funcție de întrebarea de performanță evaluată.

Referințe

1. Chang, S., Wang, X., Zhang, G., Zhao, F.-G., Pei, K. și Yang, X. (2024). Permite întărirea rășinii fenolice și rezistența la căldură: Tactici și progrese recente.Polimer,315, 127782. DOI: 10.1016/j.polymer.2024.127782
2. Kaynak, C. și Cagatay, O. (2006). Întărirea cauciucului rășinii fenolice prin utilizarea cauciucului nitrilic și amino silan.Testarea polimerilor,25(3), 296–305. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2006.01.004
3. Ma, HY, Wei, GS, Liu, YQ, Zhang, XH, Gao, JM, Huang, F., Tan, BH, Song, ZH și Qiao, JL (2005). Efectul nanoparticulelor elastomerice asupra proprietăților rășinii fenolice.Polimer,46(23), 10568–10573. DOI: 10.1016/j.polymer.2005.07.103
4. Huong, NL, Nieu, NH, Tan, TTM și Griesser, UJ (1996). Rășini cardanol-fenol-formaldehidă. Analiză și caracterizare termică.Chimie macromoleculară aplicată,243, 77–85. DOI: 10.1002/apmc.1996.052430107
5. 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). Definiții ale termenilor referitori la structura și prelucrarea solurilor, gelurilor, rețelelor și a materialelor hibride anorganic-organice (Recomandările IUPAC 2007).Chimie pură și aplicată,79(10), 1801–1829. DOI: 10.1351/pac200779101801
6. Clyne, TW și Hull, D. (2019).O introducere în materialele compozite(ed. a 3-a). Cambridge University Press. DOI: 10.1017/9781139050586
7. Organizația Internațională pentru Standardizare. (2018).ISO 13586:2018, Materiale plastice - Determinarea tenacității la rupere (GIC și KIC) - Abordare mecanică liniară elastică a fracturii (LEFM).
8. ASTM International. (2021).ASTM D5528/D5528M-21, Metoda de testare standard pentru tenacitatea la fractură interlaminară în modul I a compozitelor cu matrice polimerică unidirecțională armată cu fibre. DOI: 10.1520/D5528_D5528M-21
9. ASTM International. (2019).ASTM D7905/D7905M-19, Metoda de testare standard pentru determinarea tenacității la fractură interlaminară Modul II a compozitelor cu matrice polimerică unidirecțională armată cu fibre. DOI: 10.1520/D7905_D7905M-19