Способ изготовления образца для определения адгезии волокна к связующему

(51)5 0 01 04 ЕТ ИЯ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ К,. ГОСУДДРСТВЕННЫй КОМИТЕТОО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОГ 1 ИСАНИЕ ИЗС АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Институт механики металлополимерныхсистем АН БССР(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦАДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АДГЕЗИИ ВОЛОКНАК СВЯЗУЮЩЕМУ(57) Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано дляопределения адгеэии волокна к свяэующеИзобретение относится к испытательной технике, а именно к способам изготовления образца при определении адгезии между волокном и связующим.Известен способ. заключающийся в том, что два волокна под углом 90 склеива-, ют связующим,Из-за длительной подготовки образцов для испытаний спасо является малопроизводительным. Известен способ изготовления образца, когда в полимер (связующее) вводят стабильный радикал в качестве датчиков интенсивности молекулярных движений, а об адгезии между волокном и связующим при их контакте судят по степени изменения му. Целью изобретения является повышение точности и стабильности результатов испытаний при определении адгезии, снижение трудоемкости изготовления и расширение области использования путем обеспечения возможности определения химических связей аппретирующего агента с волокном и связующим при его введении между ними. Способ заключается в осуще. ствлении контакта между пленкой волокнаи слоем связующего по цилиндрической поверхности. Новым является то, что используют готовую пленку исследуемого связующего толщиной 15 - 130 мкм, а цилиндрическую поверхность волокна формируют -путем наматывания его на цилиндр до образования слоя толщиной 50 - 250 мкм, Способ ф может быть использован при разработке волокнисто-армированных композиционных материалов и в их производстве. 4 ил., 1 табл. молекулярной подвижности в граничном слое связующего, Способ отличается простотой изготов- а ления образца, однако при измерении адгеэии приходится испольэовать достаточное сложное экспериментальное оборудование. Кроме того, сильно снижена информативность способа из-за невозможности определения химических связей, образующихся в зоне адгезионного контакта волокна со связующим.ааеНаиболее близким к изобретению является способ изготовления образца для определения адгезии волокна к связующему, при котором.на твердой цилиндрической поверхности формируют слой полимерного связующего, затем волокно приводят в контакт со25 30 35 лении характера химических связей между 40(ИК) и спектроскопия многократного нару-.45 50 связующим, один конец волокна присоединяют к измерительному устройству, а к другому прикладывают нагрузку, осуществляют трение путем вращения цилиндра с постоянной скоростью, а адгезию определяют по зависимости силы трения от нагрузки, прилагаемой к свободному концу волокна,Способ прост и производителен, его применение нетребует сложного оборудования. Однако использование таких образцов имеет ряд недостатков.Во-первых, это низкая точность результатов, Разброс данных и высокая относительная ошибка связаны с тем, что в трении в цилиндрической поверхностью участвует небольшое число волокон, Низкая стабильность результатов обуславливает необходимость проведения большого числа испытаний, что увеличивает трудозатраты.Во-вторых, этот способ предусматривает формирование полимерной пленки связующего.на цилиндре из раствора или расплава, для приготовления которых требуется длительное время Недостатком способа является также низкая достоверность результатов в том случае, когда определяется эффективность аппретирующего агента. Это связано с тем,что используют волокна, заранее обработанные аппретирующим агентом, и необработанную аппретом поверхность связующего. Твердое состояние связующего.не позволяет создать реальных условий для распределения аппретирующего агента между волокном и связующим и, следовательно, получаемые значения адгезии в этом случае недостаточно достоверны, - У способа низкая информативность в опредеаппретирующим агентом и волокном, аппретирующим агентом и связующим, Невозможно в этом случае применить такие методы, как инфракрасная спектроскопия шенного полного внутреннего Отражения (МНПВО), так как количества волокон недостаточно для обеспечения концентрации химических связей; обуславливающих появление аналитического сигнала Цель изобретения - повышение точности и стабильности результатов испытаний при определении адгезии, снижение трудоемкости изготовления и расширение области использования путем обеспечения возможности определения химических связей аппретирующего агента с волокном и связующим при его введении между ними,Цель достигается тем, что в известном способе изготовления образца, заключаю 5 10 15 20 щемся в создании на твердой цилиндрической поверхности слоя связующего, в контакт с которым привбдится волокно и по силе трения определяется адгезия, на твердой цилиндрической поверхности формируется слой волокон толщиной 50-250 мкмв контакт с которым затем приводится пленка связующего толщиной 15-130 мкм и по силе трения определяется адгезия. При определении эффективности аппретирующих агентов их вводят в зону фрикционного контакта в виде растворов в летучих индифферентных растворителях и испытания начинают через 8 - 12 с.Существенным отличием изобретения является то, что на цилиндрической поверхности формируется слой волокон, а связующее используется в виде свободной пленки. Это приводит к тому, что различия в свойствах поверхности отдельных волокон нивелируются колебания результирующего сигнала силы трения сглаживаются, значение силы трения стабилизируется, относительная ошибка определения адгеэии уменьшается, Уменьшение числа необходимых испытаний ввиду повышения стабильности результатов снижает трудоемкость способа. Трудоемкость снижается и вследствие того, что операция приготовления расплава или раствора полимера и формирование пленки исключаются - термопластичные полимеры доступны в виде пленок различной толщины. Введение аппретирующих агентов в зону фрикционного контакта в виде растворов дает распределение их на волокнах и связующем, адекватное распределению при формировании композиционного материала, Это повышает достоверность оценки их эффективности.Кроме того, пленку связующего после испытаний можно использовать для получения ИК-спектра, а слой волокон - для получения спектра МНПВО, что позволяет обнаружить и количественно оценить распределение химических связей между аппретирующим агентом и волокном, аппретирующим агентом и связующим. Это расширяет исследовательские воэможности способа.На фиг; 1 изображэна схема осуществления предложенного способа, на Фиг, 2 - МНПВО-спектр волокна, обработанного в условиях фрикционного контакта АТв диапазоне 400-4000 смна призмах КВ и йаО; на фиг. 3 - МНПВО-спектр чистого волокна; на фиг. 4 - МНПВО-спектр АТ.Способ осуществляется следующим образом (фиг. 1).На цилиндрическом ролике 1 формируется слой 2 волокон. Эта операция осущест10 20 30 40 50 вляется намоткой в осевом, тангенциальном и других направлениях, но не хаотично,поскольку в последнем случае невозможно получить ровную поверхность. Пленка свя эующего 3 находится в контакте с цилиндрической поверхностью волокна, Измерение силы трения и вычисление адгеэии проводят известным способом При оценке эффективности аппретирующего агента 4 он вводится (при помощи пипетки,распылителя и др.) в зону фрикционного контакта волокна и связуощего в виде раствора, Химически индифферентный растворитель необходим, поскольку в противном случае могут иметь место разрушение фрик ционных поверхностей и искажение результатов. После стабилизации силы трения (через 8-12 с после ввода аппретирующего агента) ведут определение адгезии. По окончании фрикционных испытаний пленка связующего может быть использована дляисследований методом ИК-спектроскопии,а слой волокон - методом МНПВО,П р и м е р . Определяли адгезию волокон из поли-м-фениленизофталамида, чис тых и обработанных аппретирующим агентом АТ, к связующим поли-я-капроамиду (ОСТ 6-06-09-76) и поликарбонату (ТУ 6-05-1668-74), а также выясняли характер взаимодействия аппретирующего агента с волокном и связующим.По известному способу растворяли поли-е -капроамид и поликарбонат соответственно в диметилформамиде и метиленхлориде, погружением цилиндрических роликов шириной 25 мм и диаметром 20 м в растворе формовали на поверхности слои связующего толщиной 800-.900 мкм. После испарения растворителей осуществляли трение волокон из поли-м-фенилениэофтал амида по цилиндрическим поверхностям связующих. Часть волокон предварительно обрабатывали аппретирующим агентом АТ. Ступенчато увеличивали нагрузку от 0,10 до 0,60 Н и измеряли . 45 силу трения, результаты испытаний обрабатывали методом наименьших квадратов на машине СМ. вычисляли адгезию.Согласно заявляемому. способу на поверхностях стальных цилиндрических роликов тех же размеров намоткой в тангенциальном направлении формировали слои волокон иэ поли-м-фениленизофталамида толщиной 40, 50, 150, 250 и 270 мкм,Осуществляли трение пленок поли-е -кап" роамида и поликарбоната толщиной 10, 15, 80, 130 и 150 мкм по цилиндрическому слою волокон по схеме фиг, 1, ступенчато увеличивали нагрузку в той же области ииэмеряли силу трения, результаты испытаний обра-батывали методом наименьших квадратовна машине СМ, вычисляли адгезию,Для изучения эффективности аппретирующего агента АТраствор последнегов метиленхлориде (скип = 40 С) вводили взону фрикционного контакта. В момент введения раствора сила трения повышаласьвследствие усиления сцепления за счет,.жидкой фазы, затем в течение 8 - 12 с онастабилизировалась вследствие улетучивания растворителя. Измерения проводили смомента стабилизации.Результаты испытаний приведены втаблице.Результаты проведенных экспериментов показывают, что стабильность результатов при использовании предложенногоспособа существенно возрастает. Например, среднеквадратичное отклонение силытрения при нагрузке 0,20 Н для чистого поли-м-фениленизофталамида и поли-Е-капроамида равны для прототипа и заявляемогоспособа соответственно 9,97 10 и 1,0210,Снижение разброса при испытаниях позволяет уменьшить число необходимых испытаний.Расчет относительной погрешности определения адгезии для прототипа и заявляемого способа показал, что точностьопределения адгезии увеличилась примерно в 4 - 5 раз,В данном примере при использованиипредложенного способа время эксперимента (включая подготовку образцов, проведение измерений, обработку данных на ЭВМ)сократилось примерно в 3,5 раза в виду того, что исключена трудоемкая операцияформирования пленки связующего из раствора или расплава на поверхности цилиндра; уменьшено число необходимыхиспытаний, так как снижается разброс данных; сокращено время обработки данных наЭВМ. Если процесс формирования слоя волокна в заявляемом способе на цилиндрической поверхности может быть легкомеханизирован, то операция формированияслоя пленки связующего в прототипе на цилиндрической поверхности не может бытьускорена.Как видно из таблицы, значения адгезииаппретированного волокна к связующему,определенные по указанным способам существенно различаются (по заявляемому -выше). Это объясняется разным распределением аппретирующего агента на волокнах и связующем. В случае предложенногоспособа распределение аппретирующегоагента осуществляется в жидкой фазе, чтобольше соответствует реальным условиям.ое Б-С-О-П,-О-С-З+ НгО3 о ос-о 40 45 50 аппрстиробонное болокно формирования компоэита, Следовательно, значения адгезии, полученные по заявляемому способу, более достоверны, Достоверность определения адгезии повышается на 15%Для выяснения характера взаимодействия аппретирующего агента с волокнами из поли-м-фениленизофталамидэ и связующим поли- е -капроамидом и поликарбонатом после фрикционных испытаий по изобретению получили МНПВО-спектр волокна, обработанного в условиях фрикционного контакта АТ(фиг. 2) в диапазоне 400 - 4000 см б на призмах КВг и йаО, Предварительно были сняты МНПВО-спектры чистого волокна (фиг. 3) и АТ(фиг, 4), Были также получены ИК-спектры исходных и обработанных АТпленок поли-е- капроамида и поликарбоната в том же диапазоне волновых чисел,Анализируя ИК-спектр аппрета МНПВО-спектры чистого и аппретированного волокна, можно констатировать усиление поглощения в области 1100 см , что способствует увеличению концентрации химических связей С - О. Химическое взаимодействие аппретирующего агента с концевыми - СООН-группами волокна из поли-м-фениленизофталамида, в результате которого увеличивается концентрация СО-связей и аппрет химически закрепляется на поверхности волокна: вс-о.о,оС,+ К-С-О-Т-О-С-В-оппретцруюшцц аггнп При анализе и сопоставлении ИК-спектров исходных и аппретированных пленок связующего появление новых полос не отмечено. Это говорит о том, что взаимодействие АТс данными свяэующимИ.носит характер простой физической адсорбции. В конечном счете химическое закрепление АТна волокнах облегчает его смачивание связующим и повышает адгеэию. 5 10 15 20 25 30 35 8 прототипе провести спектроскопические исследования невозможно, поскольку в случае волокон количества химических связей на пути ИК-луча недостаточно для появления аналитического сигнала, получить ИК-спектр пленки связующего (после ее отслаивания) также невозможно, поскольку при толщине 0,5-2 мм пленка не прозрачна.Для достоверного определения адгезии волокна к связующему по предложенному способу необходимо выбирать толщину слоя волокон 50-250 мкм и толщину пленки связующего 15 - 30 мкм. Это продиктовано . условиями проведения. испытаний. В частности, при толщине волокна более 250 мкм происходит искажение результатов вследствие заметной деформации слоя волокон. При толщине слоя волокон менее 50 мкм не достигается плотной намотки и возможен непосредственный контакт материала цилиндра и пленки связующего, что искажает результаты испьтаний. Из таблицы видно, чтО стабильность определяемых значений адгезии сохраняется при толщине связующего не более 130 мкм,.причиной чего является увеличение жесткости более толстых пленок, что уменьшает угол охвата а и иска-жает результат, При толщинах менее 15 мкм пленка связующего разрушается при трении.Приведенный пример показывает, что данный способ изготовления образца для определении адгезии волокна к связующе-му имеет ряд преимуществ по сравнению с прототипом. Формула изобретения Способ изготовления образца для определения адгезии волокна к связующему, заключающийся в том, что осуществляют контакт волокна с пленкой связующего по цилиндрической поверхности, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности и стабильности результатов испытаний при определении. адгезии, снижения трудоемкости изготовления и расширения области использования путем обеспечения возможности определения химических связей аппретирующего агента с волокном и связующим при его введении между ними, используют готовую пленку связующего толщиной 15 - 130 мкм, а цилиндрическую поверхность формируют путем наматывания волокна на цилиндр до образования.слоя толщиной 50 - 250 мкм.1716396 Определение адгезии еолэкон иэ полн-н-фениленнэофталаяда (чистых наппретироеаннмк АТк поли-Е"кэпроаннлу и поликарбонату попрототипу н предломеннону способу вСпособве Ореил испмтаннй,ч, ннн Толам наслоязорокна икм тносительмал 3 кгрееность опреепения адеэии 8 Сила трения при нуле еой нагрузке,Н ледуемая адгеэион. мая пара ани ня,40 Поликарбо ЧистА ПНФИФА ПИФИФА, а пирет. АТв 110 в10 Э 0116 1,0910 4,Э 26 4;4329 990 10 145 2 ПолиЕ ка - Чисть 0 проаиид ПНФИФАЗала 5080 . 150 5 250 270ПН 3 ИФА,а 3 ке 3 ет.АТе 110 50150 5 250 270 80 0 Чи стыд ПНФИФА 30 15 80 39.15 50 . 5 303580 15 1 ЭО 150 ПНФИФА,апперт.АТЭ 4 12 вг 1 ввееее Прото . : типеев в е ЧистмД ПНФИФА ПНФИФА, аппрет. АТв 110 0155 0,150 05 0,35 Э 0,158 0,176 0,168 0,169 0,367 0,172 0,110 0,100 0,302 0,104 0,324 Пленка 0,359 0,160 0,162 0,180 Среднем эадрэтискос отклонение сипы при нагрузке 0,20 Н 0,13601 ЭО 1,02100,1290,1 Э 20,1480,1840,17 Э0,174 1,09300,17 Э0,179 0,3240,3090111 9,98 1О, 1140,3 ЭОрээрувилась01520154 953 СГ0155О, 170