Uvod
Fenolne smolesu termoreaktivni materijali koji nastaju reakcijama kondenzacije između fenolnih spojeva i aldehida, najčešće fenola i formaldehida. Ovi se materijali koriste u kompozitnim sustavima gdje toplinsko ponašanje, djelovanje u požaru, dimenzionalna stabilnost ili kemijska otpornost mogu biti relevantni.
Sustavi stvrdnutih fenolnih smola mogu pokazivati relativno krhko ponašanje pri lomu, iako to ovisi o kemijskom sastavu smole, formulaciji i uvjetima stvrdnjavanja. Visoko umrežena mrežna struktura koja pruža toplinsku i kemijsku otpornost također ograničava molekularnu mobilnost, što može utjecati na ponašanje loma.
Žilavost matrice u odnosu na otpornost na lom kompozita
Performanse vezane uz žilavost moraju se tumačiti u skladu s razinom materijala i metodom ispitivanja koja se razmatra. Relevantno je nekoliko različitih koncepata:
Žilavost matrice odnosi se na ponašanje stvrdnute matrice pri deformaciji i apsorpciji energije prije kvara.
Parametri žilavosti loma su specifična mehanička svojstva loma mjerena pod definiranim uzorkom i uvjetima ispitivanja.
Ispitivanje udarom karakterizira reakciju materijala ili uzorka pod brzim opterećenjem.
Otpornost kompozita na lom i tolerancija oštećenja tiču se ponašanja kompletnog kompozitnog sustava.
Ova mjerenja opisuju različite aspekte ponašanja materijala, tako da poboljšanje jednog svojstva ne mora nužno odgovarati poboljšanju drugog.
Kaučuk, kemikalije, višefazni polimer i odabrane strategije nanočestica primarno mijenjaju matricu ili fazu koja sadrži matricu, dok struktura vlakana i ponašanje na međufazi prvenstveno utječu na reakciju loma kompletnog kompozita.
Modifikacija gume
Modifikacija gume dobro je proučen pristup odabranom očvršćavanjusustavi fenolnih smola. Elastomerna modifikacija je istraživana kao sredstvo za modificiranje ponašanja pri udaru i lomu u odabranim fenolnim formulacijama.
Opaženi učinci ovise o kemiji gume, morfologiji, disperziji, ponašanju na površini, uvjetima otvrdnjavanja, opterećenju i metodi ispitivanja. Domene dispergirane gume mogu promijeniti lokalna polja naprezanja i ponašanje širenja pukotina. Uključeni mehanizmi ovise o specifičnoj morfologiji smole i gume i formulaciji.
Opterećenje gumom može utjecati na ponašanje pri obradi, krutost i toplinsko ponašanje, tako da se odgovarajuća razina mora procijeniti za specifičnu formulaciju.
Vlaknasto ojačanje i ponašanje kompozita pri lomu
Ojačanje vlaknima prvenstveno modificira ponašanje loma i toleranciju oštećenja kompletnog kompozita, a ne intrinzičnu žilavost stvrdnute fenolne matrice. Koriste se različite strukture vlakana, uključujući kratka vlakna, kontinuirana vlakna, tkana ojačanja i netkana ojačanja, ovisno o zahtjevima primjene.
Uvlaknima ojačani fenolni kompoziti, nekoliko mehanizama može pridonijeti otpornosti na lom:
Vlaknasto premošćivanje može doprinijeti otpornosti na lom kada vlakna prelaze pukotinu u razvoju i opiru se otvaranju pukotine.
Gdje dopuštaju uvjeti odvajanja međupovršine i klizanja, izvlačenje vlakana može doprinijeti apsorpciji energije.
Putovi pukotina također mogu biti preusmjereni vlaknima ili sučeljima.
Ponašanje pri lomu kompozita ojačanog vlaknima ovisi o čimbenicima uključujući arhitekturu armature, orijentaciju, volumenski udio, ponašanje na međupovršini, način opterećenja i proces proizvodnje. Svojstva međupovršine utječu na prijenos opterećenja i ponašanje pri lomu. Sredstva za spajanje i površinske obrade mogu se koristiti za modificiranje ponašanja međupovršine vlakna i matrice.
Kemijska i višefazna modifikacija
Kemijska modifikacija
Kemijska modifikacija može promijeniti strukturu i mehanički odgovor stvrdnute fenolne mreže. Preinake namijenjene promjeni ponašanja povezanog s lomom također mogu utjecati na krutost, toplinsko ponašanje, karakteristike otvrdnjavanja ili mogućnost obrade.
Kardanol i druge komponente dobivene iz tekućine ljuske indijskog oraha istražene su kao modifikatori u fenolnim sustavima. Rezultirajuće mehaničko i toplinsko ponašanje ovisi o sastavu i uvjetima otvrdnjavanja.
Međuprožimajuće polimerne mreže
Međuprožimajuća polimerna mreža (IPN) sastoji se od dvije ili više polimernih mreža koje su barem djelomično isprepletene na molekularnoj razini, nisu međusobno kovalentno povezane i ne mogu se razdvojiti bez prekidanja kemijskih veza. Mješavina odvojeno prethodno oblikovanih 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 molekularnoj razini.
Ovisno o sastavu, morfologiji i uvjetima obrade, IPN ili polu-IPN arhitekture mogu promijeniti ravnotežu mehaničkog, toplinskog i ponašanja pri lomu u sustavima koji sadrže fenole.
Modifikacija nanočestica
Nanočestice su istraživane kao modifikatori usustavi fenolnih smola. Njihovi učinci ovise o kemiji čestica, opterećenju, disperziji, karakteristikama površine i interakcijama s matricom.
Kvaliteta disperzije može utjecati na ponašanje sustava modificiranih nanočesticama. Obrada površine i strategija disperzije mogu utjecati 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 modifikaciju.
Procjena performansi povezanih s žilavošću
Karakterizacija udara i loma
Charpy ili Izod ispitivanje može se koristiti za usporedbu reakcije na udar pod definiranim uzorkom i uvjetima ispitivanja. Ispitivanje udarom i ispitivanje mehanike loma pružaju različite vrste podataka o karakteristikama i nisu međusobno zamjenjivi.
Konfiguracije zavoja s jednim urezom (SENB) mogu se koristiti za karakterizaciju mehanike loma prema primjenjivoj metodi ispitivanja polimera. Valjanost prijavljenih parametara žilavosti loma ovisi o geometriji uzorka, odzivu 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 kod kojih je otpornost na delaminaciju problem dizajna, karakterizacija interlaminarnog loma može biti posebno relevantna.
Potpora mehaničkoj i viskoelastičnoj karakterizaciji
Ispitivanje na rastezanje i savijanje može se koristiti za procjenu promjena u čvrstoći i krutosti povezanih s modifikacijom. Ova mjerenja dopunjuju karakterizaciju vezanu uz žilavost utvrđivanjem kompromisa mehaničkih svojstava.
Dinamička mehanička analiza (DMA) može pružiti informacije o viskoelastičnom odgovoru i ponašanju povezanom s prijelazom stakla. DMA pruža potpornu termomehaničku karakterizaciju umjesto podataka o žilavosti loma.
Ustupci formulacije
Procjena treba uzeti u obzir učinke na krutost, čvrstoću, toplinsko ponašanje, ponašanje pri stvrdnjavanju, viskoznost, sposobnost obrade, kompatibilnost proizvodnje i cijenu.
Više se pristupa može kombinirati, ali njihove interakcije treba eksperimentalno procijeniti za određeni sustav materijala.
Zaključak
Učinak povezan s očvršćavanjemkompoziti fenolnih smolamože se modificirati na razini matrice i kompozita. Gumeni, kemijski, višefazni polimerni pristupi i pristupi nanočesticama prvenstveno utječu na fazu koja sadrži matricu, dok arhitektura ojačanja i ponašanje na međupovršini prvenstveno utječu na reakciju loma kompletnog kompozita.
Odgovarajuća strategija ovisi o ciljanim svojstvima, sustavu materijala, putu obrade i zahtjevima primjene. Udar, lom, mehanička i viskoelastična karakterizacija bi stoga trebala biti odabrana prema pitanju izvedbe koje se ocjenjuje.
Reference
- Chang, S., Wang, X., Zhang, G., Zhao, F.-G., Pei, K., i Yang, X. (2024). Omogućavanje ojačanja fenolne smole i otpornosti na toplinu: taktika i nedavni napredak.Polimer,315, 127782. DOI: 10.1016/j.polymer.2024.127782
- Kaynak, C. i Cagatay, O. (2006). Gumeno ojačavanje fenolne smole upotrebom nitrilne gume i aminosilana.Ispitivanje 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.). Učinak 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 kemija,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., i Stepto, RFT (2007.). Definicije pojmova koji se odnose na strukturu i obradu solova, gelova, mreža i anorgansko-organskih hibridnih materijala (Preporuke IUPAC-a 2007).Čista i primijenjena kemija,79(10), 1801–1829. DOI: 10.1351/pac200779101801
- Clyne, TW i 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 linearno elastične mehanike loma (LEFM).
- ASTM International. (2021).ASTM D5528/D5528M-21, Standardna metoda ispitivanja za Interlaminarnu lomnu žilavost Mode I jednosmjernih kompozita s polimernom matricom ojačanih vlaknima. DOI: 10.1520/D5528_D5528M-21
- ASTM International. (2019).ASTM D7905/D7905M-19, Standardna ispitna metoda za određivanje interlaminarne lomne žilavosti Mode II jednosmjernih kompozita s polimernom matricom ojačanih vlaknima. DOI: 10.1520/D7905_D7905M-19