Uvod
Fenolne smolesu termoreaktivni materijali nastali iz reakcija kondenzacije između fenolnih spojeva i aldehida, najčešće fenola i formaldehida. Ovi materijali se koriste u kompozitnim sistemima gde mogu biti relevantni termičko ponašanje, otpornost na vatru, stabilnost dimenzija ili hemijska otpornost.
Sistemi stvrdnutih fenolnih smola mogu pokazati relativno krto ponašanje loma, iako to ovisi o hemiji smole, formulaciji i uvjetima očvršćavanja. Visoko umrežena struktura mreže koja obezbeđuje termičku i hemijsku otpornost takođe ograničava pokretljivost molekula, što može uticati na ponašanje loma.
Čvrstoća matrice naspram kompozitne otpornosti na lom
Performanse vezane za žilavost moraju se tumačiti prema nivou materijala i metodi ispitivanja koja se razmatra. Nekoliko različitih koncepata je relevantno:
Žilavost matrice odnosi se na deformaciju i ponašanje upijanja energije očvršćene matrice prije loma.
Parametri žilavosti loma su specifična svojstva mehanike loma mjerena u definiranim uvjetima uzorka i ispitivanja.
Ispitivanje na udar karakterizira reakciju materijala ili uzorka pri brzom opterećenju.
Otpornost na lom kompozita i tolerancija oštećenja se odnose na ponašanje kompletnog kompozitnog sistema.
Ova mjerenja opisuju različite aspekte ponašanja materijala, tako da poboljšanje jedne osobine ne mora nužno odgovarati poboljšanju druge.
Guma, kemijska, multifazni polimer i odabrane strategije nanočestica prvenstveno mijenjaju matricu ili fazu koja sadrži matricu, dok arhitektura vlakana i ponašanje međufaza prvenstveno utječu na odgovor loma kompletnog kompozita.
Rubber Modification
Modifikacija gume je dobro proučen pristup odabranom kaljenjusistemi fenolnih smola. Elastomerna modifikacija je istražena kao sredstvo za modifikaciju ponašanja pri udaru i loma u odabranim fenolnim formulacijama.
Uočeni efekti zavise od kemije gume, morfologije, disperzije, ponašanja međufaza, uvjeta očvršćavanja, opterećenja i metode ispitivanja. Raspršene gumene domene mogu promijeniti lokalna polja naprezanja i ponašanje širenja pukotina. Mehanizmi koji su uključeni zavise od specifične morfologije smole i gume i formulacije.
Opterećenje gume može uticati na ponašanje u procesu obrade, krutost i termičko ponašanje, tako da se mora procijeniti odgovarajući nivo za konkretnu formulaciju.
Ojačanje vlaknima i ponašanje loma kompozita
Ojačanje vlaknima prvenstveno modificira ponašanje loma i toleranciju oštećenja kompletnog kompozita, a ne intrinzičnu žilavost očvrslog fenolnog matriksa. Koriste se različite arhitekture vlakana, uključujući kratka vlakna, kontinuirana vlakna, tkana ojačanja i netkana ojačanja, ovisno o zahtjevima primjene.
Ufenolnim kompozitima ojačanim vlaknima, nekoliko mehanizama može doprinijeti otpornosti na lom:
Premošćavanje vlakana može doprinijeti otpornosti na lom kada vlakna pokrivaju pukotinu u razvoju i odolijevaju otvaranju pukotina.
Tamo gdje uvjeti odvajanja međufaza i klizanja dozvoljavaju, izvlačenje vlakana može doprinijeti apsorpciji energije.
Putevi pukotina također mogu biti preusmjereni vlaknima ili sučeljima.
Ponašanje loma kompozita ojačanog vlaknima ovisi o faktorima uključujući arhitekturu armature, orijentaciju, volumenski udio, ponašanje međufaza, način opterećenja i proizvodni proces. Svojstva međufaza utječu na prijenos opterećenja i ponašanje loma. Sredstva za spajanje i površinski tretmani mogu se koristiti za modificiranje ponašanja međufaznog vlakna i matrice.
Kemijska i višefazna modifikacija
Chemical Modification
Hemijska modifikacija može promijeniti strukturu i mehanički odgovor osušene fenolne mreže. Modifikacije namijenjene za promjenu ponašanja vezanog za lom mogu također utjecati na krutost, termičko ponašanje, karakteristike očvršćavanja ili obradivost.
Kardanol i druge komponente dobivene iz tekućine iz ljuske indijskog oraha istražene su kao modifikatori u fenolnim sistemima. Rezultirajuće mehaničko i termičko ponašanje ovisi o sastavu i uvjetima očvršćavanja.
Interpenetrirajuće polimerne mreže
Interpenetrirajuća polimerna mreža (IPN) se sastoji od dvije ili više polimernih mreža koje su barem djelomično isprepletene na molekularnoj skali, nisu kovalentno povezane jedna s drugom i ne mogu se razdvojiti bez prekida kemijskih veza. Mješavina odvojeno izrađenih polimernih mreža nije sama po sebi IPN.
Polu-interpenetrirajuća polimerna mreža sadrži jednu ili više polimernih mreža zajedno s jednim ili više linearnih ili razgranatih polimera koji prodiru u mrežnu strukturu na molekularnom nivou.
U zavisnosti od sastava, morfologije i uslova obrade, IPN ili semi-IPN arhitekture mogu promeniti ravnotežu mehaničkog, termičkog i ponašanja loma u sistemima koji sadrže fenole.
Modifikacija nanočestica
Nanočestice su istražene kao modifikatori usistemi fenolnih smola. Njihovi efekti zavise od kemije čestica, opterećenja, disperzije, površinskih karakteristika i interakcije s matricom.
Kvalitet disperzije može uticati na ponašanje sistema modifikovanih nanočesticama. Obrada površine i strategija disperzije mogu uticati na kompatibilnost i performanse.
Nanočestice mogu promijeniti ponašanje širenja pukotina ovisno o disperziji i međufaznim interakcijama. Krutost, čvrstoća i žilavost su različita svojstva i mogu različito reagirati na modifikacije.
Procjena performansi vezanih za čvrstinu
Karakterizacija udara i loma
Charpy ili Izod testiranje se može koristiti za upoređivanje odziva na udar pod definisanim uzorkom i uslovima ispitivanja. Ispitivanje udarom i ispitivanje mehanike loma daju različite tipove podataka o karakterizaciji i nisu međusobno zamjenjivi.
Konfiguracije sa jednom ivicom sa zarezom (SENB) mogu se koristiti za karakterizaciju mehanike loma prema primjenjivoj metodi ispitivanja polimera. Valjanost prijavljenih parametara žilavosti loma ovisi o geometriji uzorka, odgovoru materijala i uvjetima ispitivanja.
Za odgovarajuće laminirane kompozite, metode dvostruke konzolne grede (DCB) mogu se koristiti za karakterizaciju interlaminarnog loma Mode I. Metode end-notched-flexure (ENF) mogu se koristiti za karakterizaciju interlaminarnog loma Mode II odgovarajućih laminata. Za laminirane kompozite gdje je otpornost na raslojavanje problem dizajna, karakterizacija interlaminarnog loma može biti posebno relevantna.
Podržava mehaničku i viskoelastičnu karakterizaciju
Ispitivanje zatezanja i savijanja može se koristiti za procjenu promjena u čvrstoći i krutosti koje su povezane s modifikacijom. Ova mjerenja dopunjuju karakterizaciju žilavosti tako što identificiraju kompromise između mehaničkih svojstava.
Dinamička mehanička analiza (DMA) može pružiti informacije o viskoelastičnom odgovoru i ponašanju povezanom sa staklenim prijelazom. DMA pruža podršku za termomehaničku karakterizaciju, a ne podatke o otpornosti na lom.
Kompromisi formulacije
Evaluacija treba da uzme u obzir efekte na krutost, čvrstoću, termičko ponašanje, ponašanje očvršćavanja, viskozitet, obradivost, kompatibilnost proizvodnje i cijenu.
Više pristupa se može kombinovati, ali njihove interakcije treba eksperimentalno proceniti za određeni sistem materijala.
Zaključak
Performanse vezane za ojačavanje ukompoziti fenolne smolemože se modificirati i na matričnom i na kompozitnom nivou. Gumeni, hemijski, višefazni polimer i pristupi nanočestica prvenstveno utiču na fazu koja sadrži matricu, dok arhitektura armature i ponašanje međufaza prvenstveno utiču na lomni odgovor kompletnog kompozita.
Odgovarajuća strategija zavisi od ciljnih svojstava, sistema materijala, rute obrade i zahteva primene. Udarna, frakturna, mehanička i viskoelastična karakterizacija stoga treba biti odabrana prema pitanju performansi koje se procjenjuje.
Reference
- Chang, S., Wang, X., Zhang, G., Zhao, F.-G., Pei, K., & Yang, X. (2024). Omogućavanje stvrdnjavanja fenolnom smolom i otpornosti na toplinu: taktika i nedavni napredak.Polimer,315, 127782. DOI: 10.1016/j.polymer.2024.127782
- Kaynak, C., & Cagatay, O. (2006). Kaučuk fenolne smole upotrebom nitrilne gume i amino silana.Testiranje polimera,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, i Qiao, JL (2005). Utjecaj elastomernih nanočestica na svojstva fenolne smole.Polimer,46(23), 10568–10573. DOI: 10.1016/j.polymer.2005.07.103
- Huong, NL, Nieu, NH, Tan, TTM i Griesser, UJ (1996). Kardanol-fenol-formaldehidne smole. Termička analiza i karakterizacija.Primijenjena makromolekularna hemija,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). Definicije pojmova koji se odnose na strukturu i obradu solova, gelova, mreža i neorgansko-organskih hibridnih materijala (IUPAC preporuke 2007).Čista i primijenjena hemija,79(10), 1801–1829. DOI: 10.1351/pac200779101801
- Clyne, TW, & Hull, D. (2019).Uvod u kompozitne materijale(3. izdanje). Cambridge University Press. DOI: 10.1017/9781139050586
- Međunarodna organizacija za standardizaciju. (2018).ISO 13586:2018, Plastika - Određivanje žilavosti loma (GIC i KIC) - Pristup linearnoj elastičnoj mehanici loma (LEFM).
- ASTM International. (2021).ASTM D5528/D5528M-21, Standardna metoda ispitivanja za Mode I interlaminarnu žilavost loma jednosmjernih kompozita polimerne matrice ojačanih vlaknima. DOI: 10.1520/D5528_D5528M-21
- ASTM International. (2019).ASTM D7905/D7905M-19, Standardna metoda ispitivanja za određivanje žilavosti interlaminarnog loma Mode II jednosmjernih polimernih matričnih kompozita ojačanih vlaknima. DOI: 10.1520/D7905_D7905M-19