Методики исследования физико-механических характеристик волокнистых материалов на основе СВМПЭ

УДК 678

Е. А. Сергеева, К. Д. Костина

МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СВМПЭ

Ключевые слова: волокно, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, ткань, методики, физико-механические характеристики.

Проведен обзор методик исследования физико механических характеристик волокнистого материала на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). Приведены расчеты и результаты исследований.

Keywords: fibers, extremely-macromolecular polyethylene fabric, techniques, physicomechanical characteristics.

The review of techniques of research of the physicist of mechanical characteristics offibrous material on a basis of Ultra-high molecular weight polyethylene (UHMW PE) is carried out. Calculations and results of researches are given.

Перспективным направлением для модификации волокон является использование ВЧ плазменной обработки. Плазменная обработка включает ряд процессов, приводящих к изменению не только физических и физико-химических свойств материалов, но и к изменению химического состава и структуры поверхностного слоя полимера. Кроме того, обработка неравновесной низкотемпературной плазмой (ННТП) является экологически безвредной, менее затратной по сравнению с традиционными методами химической и физической модификации полимерных материалов. Рассмотрим методики исследования физико-механических свойств волокнистого материала на основе СВМПЭ.

Для исследований выбраны как стандартные, так и специальные методы. Результаты экспериментов сопоставлялись с известными теоретическими и экспериментальными данными.

Разрывную нагрузку и относительное удлинение при разрыве волокон и нитей определяли на разрывной машине РМ-50 фирмы ООО «МашПласт» (Россия) с компьютерным управлением. Прибор отвечает требованиям ГОСТ 28840-90. Разрывная машина РМ-50 предназначена для измерения прочности при растяжении и удлинения при разрыве пленочных и волокнистых материалов. Прибор состоит из ходовой и измерительной частей. Ходовая часть обеспечивает крепление и перемещение нижнего зажима. Измерительная часть отвечает за крепление верхнего зажима и измерение усилия, возникающего на нем при растяжении образца. Нижний зажим размещен на ползуне, скользящем по стойкам, и перемещается вверх-вниз при вращении ходового винта посредством шагового двигателя.

При определении нагрузки и удлинения технических тканей руководствовались ГОСТ 29104.491, синтетических филаментных волокон - ГОСТ 10213.2-2002, текстильных нитей - ГОСТ 6611.2-73 (ИСО 2062-72, ИСО 6939-88), крученых нитей - ГОСТ 23364-2001, тканей, пропитанных полимерным связующим - ГОСТ 30303-95, кордных тканей - ГОСТ 23785.1-2001.

Чтобы избежать выскальзывания или разрыва по зажиму высокопрочных волокон из СВМПЭ образцы готовили следующим образом. Концы образца длинной 150 мм пропитывали эпоксидной смолой ЭД-20 (рис. 1).

40 70 40

Рис. 1 - Схематичное изображение многофила-ментного волокна

Затем в течение суток образцы выдерживали на воздухе при нормальных условиях. Определяли исходные значения длины и сечения образцов, данные заносили в компьютер. Длина образцов (расстояние между зажимами) составляла 65-70 мм, сечение образца - 0,196 мм2. Площадь сечения образца находилась исходя из диаметра многофила-ментного волокна по формуле 8= пт2. Образец закреплялся в зажимы, отсчет смещения нижнего зажима (деформации образца) производился компьютером по числу шагов двигателя.

Постоянство скорости движения зажима обеспечивалось компьютером через систему управления шаговым двигателем. Частота вращения двигателя задавалась его системой управления и варьировалась в пределах 1000:1. Измерение усилия на верхнем зажиме обеспечивалось тензометрическим датчиком усилия. Управление движением нижнего зажима, его пуск, остановка и выбор скорости осуществлялось через компьютер. Скорость перемещения зажима устанавливалась 10 мм/мин. Показатели разрывного усилия и удлинения в момент разрыва автоматически фиксировались и высчитывались специальной программой компьютера. Сигнал от силоизмерителя представлялся на компьютере в виде кривой растяжения. Предел допустимой погрешности шкалы силоизмерителя составлял ±3% от измерительной нагрузки. Предел допустимой шкалы удлинения составлял ±3 мм.

Для определения прочности на растяжение, изгиб, сжатие высокопрочных волокон из СВМПЭ, тканей и композиционных материалов (КМ) на их основе, использовали испытательную машину 2БМ 200, фирмы Каиепйеш, Германия. Машина предназначена для статических кратковременных, длительных и усталостных испытаний образцов материалов, деталей и конструкций, знакопостоянного или знакопеременного цикла, на растяжение, сжатие, изгиб и плотный загиб. При этом наибольшая кратковременная статическая нагрузка при испыта-

ниях на растяжение составляет 2000 кН, на сжатие и изгиб 2500 кН.

Оборудование позволяет при проведении испытаний на растяжение устанавливать наибольшее расстояние между захватами - до 1500 мм, использовать плоские образцы толщиной - до 40 мм, шириной - до 150 мм. При проведении испытаний на изгиб наибольшее расстояние между опорами - 1200 мм. Точность измерения статической нагрузки +1%.

Изменение разрывной нагрузки ДРн и относительного разрывного удлинения Дер в результате ВЧ плазменной обработки оценивали по формулам:

Р — Р Д Рн = -н-К-н-ВЧ^ х 100 % .

Р н . К

A S Р .К — S р .ВЧЕ л п/

Д s р = —---х 100 %

s

Р.К ,

где Рн.К и ер.К - разрывная нагрузка и относительное удлинение контрольных образцов до ВЧЕ плазменной обработки; Рн.ВЧЕ и ер.ВЧЕ - разрывная нагрузка и относительное удлинение образцов после ВЧ плазменной обработки [1].

Прочность соединения многофиламентных СВМПЭ волокон с материалом матрицы оценивали методом wet-pull-out, разработанным совместно с Институтом металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН. Метод позволяет исследовать физико-химическое взаимодействие между волокном и матрицей при получении КМ [2].

Схема метода приведена на рис. 2. В центре чашечки 1 из тефлона или текстолита располагают многофиламентное волокно 2. Чашечку заполняют жидкой матрицей 3. В результате смачивания и действия капиллярных сил материал матрицы 3 поднимается по волокну на некоторую высоту h - 4. Затем образец вынимают из чашечки и термообрабатывают. Толщину заделки l волокна в матрицу изменяют, срезая или сошлифовывая нижний торец образца.

Рис. 2 - Схема метода wet-pull-out: 1 - чашечка для заливки смолы; 2 - многофиламентное волокно; 3 - полимерная матрица толщиной 1; Рн - сила, с которой волокно выдёргивают из матрицы 3; 4 -капиллярное поднятие жидкой матрицы по волокну на высоту h

Измеряя силу Рн, необходимую для выдёргивания волокна 2 из матрицы 3, получают зависимость Рн (l). Конец волокна, выдернутый из матрицы, представляет собой "керн", поверхность которого отделяется от матрицы под действием касательных напря-

жений на границе раздела между ними. В матрице образуется цилиндрическое отверстие. При повышении толщины заделки l больше некоторой величины, начинают разрушаться филаменты волокна на границе раздела, и зависимость Рн (l) меняется. Для ещё большей l, волокно перестаёт выдёргиваться из матрицы и разрушается на свободном участке.

Высота капиллярного поднятия h характеризует пропитку многофиламентного волокна. Представив зазор между филаментами волокна в виде некоторого капилляра диаметром d получаем:

h = 4*cos0 • yM / dpg,

где 9 - угол смачивания; yM - поверхностная энергия жидкой матрицы; р - плотность материала матрицы; g - ускорение свободного падения.

Поскольку угол 9 не известен, то, для дальнейшего обсуждения процесса пропитки, целесообразно его заменить. Исходя из уравнения Юнга, следует, что:

COS0 = yF - yFM / yM ,

где yF - поверхностная энергия волокна; yFM -энергия межфазной поверхности, образующейся в процессе смачивания волокна жидкой матрицей. Из (3) и (4) получаем:

h = 4 (yF - yFM) / dpg, (5).

Для улучшения смачивания и пропитки волокна, необходимо увеличивать свободную поверхностную энергию волокна yF, т.е. активировать волокно.

Однако термодинамический подход не описывает процесс пропитки полностью. Он не учитывает многих параметров, которые на него влияют и, в первую очередь, вязкости материала матрицы п.

Исходя из кинетических представлений о движении жидкости в капиллярах, процесс пропитки удовлетворительно описывается уравнением Пу-айзеля:

h2 = yM d соб9 t / 4п,

где t - длительность пропитки, п - вязкость матрицы.

Подставив (5) в (6) получим:

h2 = d

Из этого уравнения следует, что для улучшения пропитки так же, как и в уравнении (5), необходимо повышать поверхностную энергию волокна. Однако согласно уравнению (7) увеличение зазоров между филаментами в волокне (d), должно также улучшать смачивание. Для установления преобладающего механизма исследовали необработанное плазмой скрученное волокно, необработанное волокно со свободным расположением филаментов (без крутки) и обработанное плазмой не подвергнутое крутке волокно [3].

Для экспериментальных исследований по методу wet-pull-out применяли два состава матриц: 1) эпоксидная смола Эпикот-828 и эвтектическая смесь отвердителей метафенилендиамина с 4,4'-диаминодифениленметаном; 2) эпоксидная смола Эпикот-828 и отвердитель ПЭПА.

В обоих случаях для снижения вязкости смолы в неё добавляли модификаторы. Смолу заливали в чашечки образцов и выдерживали сутки при комнатной температуре, что давало возможность пол-

ностью пройти процессу смачивания и пропитки. Затем образцы извлекали из чашечек и термообрабатывали при 80°С в течение 4-х часов для окончательного отверждения матрицы. Капиллярное поднятие матрицы по волокну h и толщину l заделки волокна в матрице измеряли микрометром. Силу Р, необходимую для выдёргивания волокна из матрицы, определяли на универсальной испытательной машине Инстрон 3382, США.

Прочность соединения многофиламентных СВМПЭ волокон с материалом матрицы, с учетом влияния смежных волокон, оценивали методом full pull-out, разработанным в ИМЕТ им. А. А. Байкова РАН. Метод отражает полное соответствие образца структуре реального КМ с близким расположением армирующих волокон, что позволяет моделировать физико-механические свойства КМ на основе однонаправлено и перекрестно уложенных волокон, а также на основе тканей из данных волокон. Схема исследований по методу full pull-out представлена на рис. 3 [4].

Рис. 3 - Схема метода full pull-out: 1 - чашечка из алюминиевого сплава для заливки матрицы; 2 -выдергиваемое многофиламентное волокно; 3 -закрепление выдергиваемого волокна для приложения силы Р; 4 - упрочняющее волокно, введенное в матрицу 5; 5 -полимерная матрица; 6 - деревянный клин, удерживающий волокно в чашечке

В центре чашечки 1 помещали выдергиваемое непрерывное волокно 2. Чашечку на 0,5 объема заполняли жидкой матрицей. Матрицей служила эпоксидная смола Эпикот - 828 с отвердителем ПЭ-ПА. Затем в чашечку с жидкой матрицей поперек волокну 2 помещали исследуемое волокно 4. Для того, чтобы вязкость матрицы в чашечках была одинаковой, одновременно готовили 6 образцов. Для уменьшения влияния очередности заполнения чашечек матрицей эксперимент повторяли 2 раза: один раз заполняли чашечки слева-направо, второй - наоборот. Силу выдергивания рассчитывали как среднюю из двух экспериментов.

Эксперименты проводили следующим образом. Сложенное в два раза волокно протягивали через отверстие в центре чашечки. Затем проволоку удаляли, а отверстие плотно закрывали клином 5. Волокно выравнивали и закрепляли в зажиме 3. Длина волокна от зажима до матрицы L составляла 150 мм. Жидкую матрицу 5 заливали в чашечку на 0,5 ее объема, затем поперек выдергиваемому волокну помещали смежное волокно 4. Его количество рассчитывалось таким образом, чтобы при ее заполнении был получен КМ,

содержащий 50% волокна и 50% матрицы по объему. Затем чашечку доливали до полного заполнения. Образцы отверждали в течение суток при комнатной температуре. Затем твердые образцы ступенчато термообрабатывали в 2 этапа. На первом этапе при температуре 500С, в течении 2 ч, на втором этапе при 900С, в течение 4 ч. После термообработки чашечку разрезали и получали образцы с определенной длиной заделки - 1. Длина 1 была меньше длины заделки, при которой волокно перестает выдергиваться из матрицы и разрывается по волокну на базовой длине Ь. Эксперименты по данной методике проводили как с исходным, так и с плазмоактивиро-ванным выдергиваемым волокном, матрица также наполнялась как исходным, так и активированным волокном. Силу Р, необходимую для выдёргивания волокна из матрицы, определяли на универсальной испытательной машине Инстрон 3382, США.

Прочность однонаправленных КМ на растяжение, изгиб и сдвиг оценивали для микропластиков в виде кольцевых образцов.

Были получены следующие виды однонаправленных намоточных образцов КМ: микропластики, кольцевые образцы диаметром 150 мм и толщиной 1,5; 1,5 - 1,7 и 3,5 - 4 мм для испытаний соответственно на растяжение, изгиб и сдвиг; а также образцы в виде сегментов колец толщиной 1,5 мм и длиной 111 - 115 мм для расчёта межслоевой энергии разрушения вГС по методу углов при расщеплении двухконсольной балки [392]. Методика испытаний разработана специалистами ИФХ РАН [5].

Прочность КМ при растяжении. стизг. испытывали методом МОЬ-Ш^ (Стандарт США А8ТМ Б 2291-67). На раздвижную стальную кольцевую оправку в виде двух полудисков наматывали пропитанное матрицей многофиламентное волокно из СВМПЭ. В качестве матрицы применяли эпоксидную смолу Эпикот 828 с 10% отвердителя ПЭПА и 7,5% ацетона. В течение суток при комнатной температуре КМ полностью затвердевал. Затем его вместе с оправкой термообрабатывали в течение 3ч при температуре 900С и получали кольцевые образцы однонаправленного композита диаметром 150 мм, толщиной 1,5 мм и шириной 10 мм для испытаний на растяжение. Прочность КМ при растяжении определяли раздвигая полудиски и разрушая композит в диапазоне нагрузки 0 - 5 т. Измеряемыми параметрами служили разрывная нагрузка Р (кг) и увеличение зазора между полудисками Д1.

Испытания проводили на универсальной испытательной машине Инстрон 3382, США при скоростях нагружения 5 и 10 мм/мин.

Модуль упругости определяли по формуле: Е =ст / 6 = Р /2 Бсеч.е =Р п (с1 +И) / 2 Бсеч. 2 Д1, (8) где ст - прочность; 6 - деформация; 8сеч.= ЬИ- площадь сечения; Р - нагрузка на образец; И - толщина кольца; Ь - ширина кольца; d - диаметр кольца; Д1 -удлинение.

Прочность при растяжении определяли по формуле:

страст. = Ртах /2 8сеч.,

где Ртах - максимальная разрывающая нагрузка.

Прочность при изгибе стизг. и прочность при межслоевом сдвиге стсдвиг. измеряли по трёхточеч-ной схеме нагружения образцов [5]. Толщина сегментов колец при испытаниях на изгиб и сдвиг составила 1,5 - 1,7 мм и 3,5 - 4 мм, соответственно. Ширина b образцов равнялась 10 мм. Испытания на изгиб и сдвиг проводились на испытательной машине ZDM в диапазоне нагрузок 0 - 500 кг. Расчёт прочности при изгибе стизг. и прочности при межслоевом сдвиге стсдвиг. проводили по следующим формулам:

стизг. = 3/2 х

стсдвиг. = 3/4 х

где Р - приложенная сила; h - толщина, b - ширина образца; l - расстояние между опорами.

При исследовании КМ на трещиностойкость определяли энергию межслоевого разрушения G1C на испытательной машине ZDM в диапазоне нагрузки 0 - 500 кг

Вязкость разрушения оценивается величиной G1C, вычисляемой по формуле:

G1C = Fc/b х (sin а1+ sin а2), (12) где Fc - сила, при которой начинается движение трещины; b - ширина образца; а1 и а2 - углы изгиба первой и второй консолей соответственно. Для консолей с равной толщиной и с равными углами изгиба а1 и а2 , формула (12) принимает следующий вид:

G1C = 2Fcsin а/b,

где а - угол изгиба консолей (а = а1 + а2).

Если а1 = а2 = 90°, формула упрощается и принимает вид:

G1C = 2Fc/b.

Вязкость разрушения G1C вычисляли по формуле (14).

Определение прочности при расслаивании образцов ткани на основе волокон из СВМПЭ, пропитанных полимерной матрицей осуществлялось по ГОСТ 28966.1-91. Испытания проводились на разрывной машине РМ-50, фирмы Машпласт, Россия.

Прочность связи резина - корд (Н-метод) определяли по ГОСТ 14863-69 на разрывной машине РМ-50 при скорости движения нижнего зажима 50 мм/мин [6].

Ударостойкость КМ определяли на оборудовании КГТУ им. А.Н. Туполева в лаборатории испытаний на ударостойкость и энергопоглощение. Использовалась испытательная машина с вертикально-падающим грузом, производства фирмы Instron, мо-

дель «Dynatup-9250 HV» с программным обеспечением, обладающая следующими характеристиками:

- вес падающего груза установленного на траверсе 2,6 кг;

- максимальная естественная скорость 5

м/сек;

- максимальная естественная высота падения 1.25 м;

- симулируемая высота падения 20.4 м.

Таким образом, можно заключить, что при

изготовлении высокопрочной ткани для топливных баков вертолетов, использование перечисленных методик приведет к улучшению ее физико-механических свойств.

Литература

1. Сергеева. Е.А. Влияние плазмы ВЧЕ-разряда на физико-механические свойства волокон и композиционных материалов / Е.А. Сергеева, И.А. Гришанова, И.Ш. Аб-дуллин // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - №7. - С. 109-112.

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

3. Дьяконов, Г.С. Технологии плазменной обработки в создании нанокристаллических композиционных материалов / Г.С. Дьяконов, И.Ш. Абдуллин, Е.А. Сергеева // Проблемы нелинейного программирования в инженерных системах. Казань. - 2009. № 1(31). - Т.5. - С.26-32.

4. Кудинов, В.В. Исследование взаимного влияния и свойств волокон на прочность их соединения с полимерной матрицей методом full pull-out при получении композиционных материалов /В.В. Кудинов [и др.]// Физика и химия обработки материалов. - 2010. - №6. - C. 77-80.

5. Н.В. Корнеева, В.В.Кудинов, С.Л. Баженов, В.И. Соло-дилов, Д.И. Павловский, Э.С. Зеленский. Новые возможности получения композитных материалов, армированных высокопрочными высокомодульными полиэтиленовыми волокнами // Механика композитных материалов. -2002. - Т. 38, № 6. - С. - 837-846.

6. Сергеева. Е.А. Влияние природы и состава плазмообра-зующей среды на физико-механические свойства высокомодульных полиэтиленовых волокон / Е.А. Сергеева, И.А. Гришанова, С.В. Илюшина, М.Ф. Шаехов // Вестник Казанского технологического университета. -2010. -№10.. - С.187-190.

© Е. А. Сергеева - проф. каф. ПНТВМ КНИТУ, katserg@rambler.com; К. Д. Костина - аспирант каф. ПНТВМ КНИТУ, karikostina@mail.ru.

© Е. А. Sergeeva - prof. of the department «Plasma- and nanotechnology high-molecular materials», KNRTU, katserg@rambler.com; К. D. Kostina - post graduate of the department «Plasma- and nanotechnology high-molecular materials», KNRTU, karikostina@mail.ru.