Влияние наполнения наночастицами диоксида кремния матрицы композиционного материала на основе стекловолокон на его прочностные характеристики

УДК 678

Ю. А. Тимошина

ВЛИЯНИЕ НАПОЛНЕНИЯ НАНОЧАСТИЦАМИ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ МАТРИЦЫ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ СТЕКЛОВОЛОКОН НА ЕГО ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Ключевые слова: Композиционный материал, прочность, стекловолокно, наночастица диоксида кремния, матрица, адгезия.

Получены экспериментальные зависимости изменения физических и физико-механических свойств композиционных материалов на основе стекловолокон от концентрации наночастиц диоксида кремния, содержащихся в эпоксидной матрице композита.

Keywords: Composite material, glass fiber, silica nanoparticle, matrix, adhesion.

Experimental dependences of the physical and physico-mechanical properties of composite materials based on glass fibers on the concentration of silica nanoparticles contained in the epoxy matrix composite.

Стеклопластики применяют в различных областях промышленности и сферах жизнедеятельности человека, из которых следует особо отметить автомобильную промышленность, станкостроение, вагоностроение (крыши автобусов и вагонов, кузова и детали автомашин, контейнеры, цистерны и т.д.). Однако, несмотря на широкое распространение и применение, композиционные материалы на основе стекловолокон нуждаются в повышении показателей физико-механических свойств. Одним из наиболее эффективных способов повышения прочности стеклопластиков является введения в полимерную матрицу стеклопластиков наноразмерных наполнителей. Нанокомпозиты представляют собой материалы, в которых наноразмерные частицы наполнителя в небольшом количестве вводят в связующее, за счет чего происходит формирование структуры, отличной от структуры чистого материала матрицы. Наиболее распространенным эффектом является значительное увеличение механической прочности полученного нанокомпозита [1].

Для экспериментальных исследований использовали: ровинг марки EC 2400-350 производства ООО «П-Д Татнефть-Алабуга Стекловолокно» (Россия, РТ); в качестве связующего - эпоксидную смолу ЭД-20 с отвердителем ПЭПА (полиэтилен-полиамин); наполнитель эпоксидной матрицы - порошок SiO2, полученный методом парагазофазного синтеза в высокочастотном индукционном разряде [2]. Для диспергирования нанопорошка в матрице использовался ультразвук [3].

Для установления влияния наполнения матрицы диоксидом кремния на изменение показателей смачиваемости стекловолокон эпоксидной матрицей, а также на повышение прочности связи стекловолокон с эпоксидным связующим использовали метод wet-pull-out [4]. Содержание наночастиц диоксида кремния в эпоксидной смоле варьировали от 0,5 до 5%. Определение величины разрушающей нагрузки проводили на разрывной испытательной машине РМ-50, которая обеспечивает растяжение образца

с заданной постоянной скоростью перемещения активного захвата.

Рис. 1 - Зависимость значения смачиваемости волокон от концентрации 8Ю2 в эпоксидной матрице микрокомпозита

Оценку смачиваемости стекловолокон эпоксидным связующим осуществляли путем определения высоты поднятия матрицы по волокнистому материалу. Зависимость значения смачиваемости волокон от концентрации 8Ю2 в эпоксидной матрице представлен на рисунке 1.

Анализ экспериментально полученной зависимости показал, что наибольшее значение высоты подъема эпоксидной матрицы по стекловолокну достигается при содержании 8Ю2 равном 4% и составляет 24 мм, что в 3 раза превышает значение для исходного образца.

В качестве основного критерия оценки качества связи компонентов элементарной ячейки КМ рассматривалась сила разрушения связи армирующего волокна с эпоксидной матрицей. Значение силы разрушения определялось количеством необходимой силы для выдергивания волокна из отвержденной матрицы при постоянной глубине заделки (рис. 2).

Концентр и цня %

Рис. 2 - Зависимость значения нормированной величины разрушающей нагрузки

микрокомпозита от концентрации 8Ю2 в эпоксидной матрице

По полученным экспериментальным данным можно сделать вывод, что наибольшее повышение адгезионной прочности связи стекловолокна и эпоксидного связующего достигается при концентрации SiO2 в матрице микрокомпозита равной 4%. При данной концентрации нормированная величина разрушающей нагрузки составила 21 Н/мм, что в 1,4 раза больше величины для исходного образца.

Из полученной зависимости видно, что при концентрации наночастиц SiO2 в матрице микрокомпозита от 1 до 3% происходит постепенное монотонное увеличение

нормированной величины разрушающей нагрузки, а после достижения концентрации 3% наблюдается достаточно резкий рост адгезионной прочности. Это свидетельствует о том, что при малых концентрациях наноразмерной примеси SiO2 в матрице микрокомпозита данного содержания наночастиц недостаточно для их равномерного распределения по всему объему материала, поэтому структура матрицы композита имеет не однородный характер и адгезионная прочность возрастает незначительно. После достижения концентрации SiO2 в матрице более 3% количества наночастиц становится достаточно для распределения по всему объему, структура матрицы становится более плотной.

При увеличении содержания в матрице наночастиц диоксида кремния более 4% наблюдается снижение как показателя смачиваемости стекловолокон эпоксидным связующим, так и некоторое снижение нормированной величины разрушающей нагрузки микрокомпозита. Очевидно, это происходит потому, что содержание в матрице наночастиц в количестве 4% является критическим уровнем концентрации SiO2, превышение которого отвечает появлению дефектов в объеме и, как следствие, ухудшению смачиваемости,

адгезионной прочности и физико-механических характеристик КМ.

Для подтверждения того, что повышение адгезионной прочности адгезива и субстрата в композиционном материале приводит к

повышению прочности самого композита, были проведены механические испытания образцов, представляющих собой однонаправленные микрокомпозиты, полученные методом послойного формования. Содержание в композите стекловолокна (марки EC 2400-350, ООО «П-Д Татнефть-Алабуга Стекловолокно») составило 25% по массе. В качестве связующего использовали эпоксидную смолу ЭД-20 с отвердителем ПЭПА.

Определение прочности при растяжении и относительного удлинения при разрыве плоских образцов композиционных материалов на основе стекловолокон производили по ГОСТ 25.601-80. Испытания проводились на разрывной испытательной машине РМ-50.

Прочность определяли для исходного образца и образца с 4%-ным содержанием наночастиц SiO2 в эпоксидном связующем. Полученные кривые разрушения образцов до и после наполнения диоксидом кремния представлены на рисунке 3.

Относительное удлинение. %

Рис. 3 - Характер кривой разрушения микрокомпозита: 1 - исходный образец КМ; 2 -образец КМ, наполненный диоксидом кремния

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что прочность композиционного материала, наполненного наночастицами диоксида кремния превосходит прочность исходного образца композита в 1,26 раз и составляет 127 МПа.

Увеличение смачиваемости стекловолокон эпоксидной матрицей, а также увеличение адгезионной прочности стекловолокон со связующим происходит благодаря тому, что вводимые в матрицу наночастицы диоксида кремния имеют чешуйчатое строение и значительно более развитую площадь поверхности, что приводит к возрастанию сил межфазного взаимодействия [1]. При использовании в качестве адгезива матрицы, наполненной наночастицами SiO2, происходит наиболее полное заполнение всех неровностей поверхности стекловолокон, благодаря чему повышается сцепление на границе волокно-матрица. Увеличение прочности КМ после его

наполнения наночастицами 8Ю2 можно объяснить как увеличением адгезионной прочности связи стекловолокна и эпоксидного связующего, так и тем, что введение наночастиц 8Ю2 в матрицу приводит к изменению структуры надмолекулярных образований в матрице композита, что обусловлено действием наночастиц как зародышей кристаллизации. Это приводит к более плотной упаковке и упорядочиванию структуры матрицы.

Таким образом, можно сделать вывод, что наполнение композиционного материала на основе стекловолокон введением наночастиц диоксида кремния в количестве 4% приводит к увеличению смачиваемости субстрата адгезивом и повышению их адгезионной прочности, что в свою очередь обеспечивает повышение прочности получаемого композиционного материала в 1,26 раза. Кроме того, использование в качестве наполнителя наночастиц диоксида кремния не приведет к значительному увеличению стоимости полученного стеклокомпозита, что обосновано доступностью и дешевизной сырья для их получения.

Литература

1. Катнова, Р.Р. Влияние метода получения наночастиц на эксплуатационные характеристики структурированных ими полимерных покрытий // Р.Р. Катнова, П.В. Гришин,

B.Е. Катнов, С.Н. Степин // Вестник Казанского технологического университета. - Казань: КГТУ, 2014. -№14. - С. 290-292.

2. Брусенцева, Т.А. Введение нанопорошков и механические свойства материалов на основе эпоксидных смол // Т.А. Брусенцева, К.Н. Зобов, А.А. Филиппов, Д.Р. Базарова,

C.Н. Лхасаранов // Наноиндустрия: научно-технический журнал. - Москва, 2013. - 3(41). - С. 24-32.

3. Катнов, В.Е Получение ультрадисперсных частиц SiO2 в реакторе ВЧИ-разряда // В.Е. Катнов, Е.В. Петрова, С.Н. Степин, А.Ф. Дресвянников, И.Г. Гафаров // Вестник Казанского технологического университета. - Казань: КГТУ, 2011. - №14. - С. 220-223.Метелёва, О.В. Новая технология повышения защитных свойств одежды для туризма и активного отдыха / О.В. Метелёва, Е.П. Покровская // Сервис в России и за рубежом. - 2013. - № 1 (39). - С. 86-96.

4. Кудинов, В.В. Оценка физико-химического взаимодействия между волокном и матрицей при получении композиционных материалов методом wet-pull-out. / В.В. Кудинов, И.К. Крылов, Н.В. Корнеева, В.И. Мамонов, М.В. Геров. // ФХОМ. - 2007. - №6. - С. 68-72.

© Ю. А. Тимошина, к.т.н., ассистент каф. ПНТВМ КНИТУ, ybuki@mail.ru.

© Y. A. Timoshina, candidate of technical science, assistant of the department «Plasma chemical and nanotechnology of high molecular materials», KNRTU, ybuki@mail.ru.