Применение силанов с содержанием наночастиц диоксида кремния для повышения прочности волокнистых материалов и композитов на их основе Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 678

Ю. А. Тимошина

ПРИМЕНЕНИЕ СИЛАНОВ С СОДЕРЖАНИЕМ НАНОЧАСТИЦ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОМПОЗИТОВ НА ИХ ОСНОВЕ

Ключевые слова: Композиционный материал, силан, полиамидное волокно, прочность.

Произведена оценка влияния модификации поверхности полиамидных волокон силанами с содержанием наночастиц диоксида кремния на улучшение физико-механических свойств, как волокнистых материалов, так и силы связи волокнистого субстрата с матрицей композиционного материала.

Keywords: Composite material, silane, polyamide fiber, strength.

The estimation of the influence of the surface modification polyamide fibers of silanes containing silica nanoparticles to improve the physical and mechanical properties offibrous materials and bonding forces of the fibrous substrate with the matrix of the composite material.

В настоящее время для нанопорошковых материалов различного состава наблюдается рост производства как в наиболее развитых странах Европы и США, так и в России. Существуютехнологий получения позволяет производить наноразмерные порошки различного состава и размерного диапазона. Наибольший интерес представляют нанопорошки диоксида кремния, что обуславливается доступностью сырья, а также их широким применением в качестве добавок в производстве различных материалов. Наночастицы диоксида кремния используются для обогащения силанов, которые в свою очередь имеют достаточно широкое применение и в основном используются в качестве сшивающих агентов для улучшения адгезии в полимерных композиционных материалах [1]. Кроме того, наноразмерные частицы оксида кремния могут служить центрами структурообразования при формировании композиционных материалов. Чем больше сродство органического радикала кремнийорганического соединения к природе связующего, тем можно достичь большего усиления адгезии. Модификация поверхности волокнистых материалов, используемых в производстве композитов, силанами с содержанием наночастиц диоксида кремния также помогает достичь улучшения механических свойств армированной композиции [2].

Для установления закономерностей влияния модификации полиамидных волокон

кремнийорганическими соединениями на показатели прочности при растяжении волокнистых материалов варьировали содержание наночастиц диоксида кремния ^Ю2) в силане, используемом для пропитки полиамидных волкон, от 0,05 до 3 % [1]. Пропитка полиамидных волокон осуществлялась в воздушной среде при нормальных условиях. Продолжительность пропитки образцов составляла 3600 с. Полученные экспериментальные данные влияния количества содержания наночастиц диоксида кремния в силане для пропитки полиамидных волокон на показатели их прочности представлены на рисунке 1.

Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что оптимальной концентрацией наночастиц SiO2 в силане для модификации полиамидных волокон

является 0,9 %. При пропитке образцов волокон силаном с данной концентрацией наночастиц SiO2 прочность волокон увеличивается на 12% по сравнению с исходным образцом и составляет 200,2 Н.

0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 Концентрация % Рис. 1 - Зависимость прочности полиамидного волокна от концентрации SiO2 в силане, используемом для их пропитки

Далее исследовали влияние времени выдержки полиамидного волокна в силане с SiO2 (при концентрации SiO2 равной 0,9%) на значение прочности и абсолютного удлинения волокон (рис. 2).

1600 2400 Время пропитки, с

Рис. 2 - Зависимость прочности полиамидного волокна от времени пропитки волокна силаном с

SiO2

По полученным экспериментальным данным можно сделать вывод, что наибольшее повышение прочности волокна достигается при времени выдержки равном 3000 с и составляет 220,5 Н. Значение прочности модифицированного волокна при оптимальном времени пропитки силаном с SiO2 на 20,4% превосходит показатель прочности немодифицированного образца.

Для установления влияния модификации полиамидных волокон кремнийорганическими соединениями на адгезионные свойства волокон оценивали прочность связи волокон со связующим. Как основной критерий качества связи компонентов элементарной ячейки композиционного материала 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. Эксперименты проводили с немодифицированными и модифицированными образцами (концентрация SiO2 0,9%, время пропитки 3000с). Пропитка матрицей проводилась в воздушной среде. Испытания проводились на разрывной испытательной машине Shimadzu Autograph AGS-100. Прочность соединения волокон с матрицей образца микрокомпозита определяли методом wet-pull-out, разработанным КНИТУ совместно с ИМЕТ РАН им. А.А. Байкова. Нормированная величина разрушающей нагрузки определяется отношением разрушающей нагрузки матрицы композита к глубине заделки матрицы. Оценку смачиваемости полиамидных волокон эпоксидным связующим осуществляли путем определением высоты поднятия матрицы по волокнистому материалу (табл. 1).

Таблица 1 - Влияние модификации полиамидных волокон силаном с SiO2 на смачиваемость волокон эпоксидным связующим и значение нормированной величины разрушающей нагрузки микрокомпозита

Образец Среднее значение высоты поднятия матрицы по волокну, мм Среднее значение нормированной величины разрушающей нагрузки микроком-позита, Н/мм

Исходный образец 11,3 16,2

Образец, модифицированный силаном с SiO2 (0,9%) 14,7 19,5

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что смачиваемость модифицированных полиамидных волокон эпоксидной матрицей после модификации их силаном с содержанием SiO2 возросла на 23% по сравнению с исходными образцами. Нормированная

величина разрушающей нагрузки микрокомпозита, для производства которого использовались полиамидные волокна, пропитанные силаном с наночастицами диоксида кремния, возросла в 1,2 раза по сравнению с исходным немодифицированным образцом.

Увеличение прочности полиамидных волокон после модификации их кремнийорганическими соединениями с наночастицами SiO2 можно объяснить тем, что наличие наночастиц диоксида кремния приводит к уплотнению структуры поверхностного слоя волокон. Возрастание прочности полиамидных волокон происходит постепенно с увеличением концентрации SiO2 в силане, используемом для их пропитки. Это объясняется тем, что при меньших концентрациях количественного содержания наночастиц не хватает для равномерного распределения по всей поверхности модифицируемых волокон. Однако, после достижения определенного уровня содержания SiO2 (0,9%) прочность волокон после достижения максимального значения начинает снижаться. Это может быть обосновано тем, что чем увеличение концентрации наночастиц в суспензии приводит к их агломерации и объединению в более крупные структуры, что в свою очередь не позволяет наночастицам в полном объеме реализовывать свои свойства, связанные с большой поверхностной площадью.

При увеличении времени пропитки прочность волокнистого материала возрастает, но ее рост происходит только до достижения определенного значения продолжительности выдержки волокна в силане. После достижения значения 3000 с происходит наиболее полное и тщательное насыщение микроволокон пропитывающим составом. Дальнейшее увеличение

продолжительности пропитки не приводит к повышению прочности полиамидного волокна. Это можно объяснить тем, что величина адсорбции силана с SiO2 зависит не только от времени пропитки, но и от природы и пористости волокнистого материала, что определяет максимальное значение сорбции пропитывающего состава при его определенной концентрации данным волокнистым материалом не зависимо от дальнейшего увеличения продолжительности пропитки.

Увеличение адгезионной прочности

микрокомпозита с модифицированными волокнами можно объяснить тем, что присутствие наночастиц диоксида кремния приводит к изменению структуры надмолекулярных образований в матрице композита, что обусловлено действием наночастиц как зародышей кристаллизации. В данном случае адгезия происходит по механическому и химическому механизмам. Механическая адгезия осуществляется за счет затекания эпоксидного связующего в поры, трещины и неровности на поверхности волокна с последующим затвердеванием. При этом между адгезивом и волокном образовываются «заклепки»,

связывающие компоненты адгезионного соединения

путем механического заклинивания. Химический механизм включает в себя образование связей между наночастицами SiO2 и эпоксидной смолой. Силановая аппретирующая добавка способствует уплотнению полимерной структуры на поверхности полиамидного волокна. Вместе с этим кремнийорганическая добавка в составе микрокомпозита является связующим между поверхностью раздела связующего и поверхностью волокнистого наполнителя. В данном случае силан выполняет роль сшивающего агента для улучшения адгезионного взаимодействия между волокном и матрицей.

Таким образом, можно сделать вывод, что модификация поверхности полиамидных волокон, используемых в производстве композитов, силанами с содержанием наночастиц диоксида кремния помогает достичь улучшения физико-механических свойств как волокнистых материалов, так и увеличить силу связи волокнистого субстрата с матрицей, что приводит к увеличению адгезионной прочности получаемого композиционного материала в 1,23 раза. Данный процесс модификации

© Ю. А. Тимошина, доцент каф. ПНТВМ КНИТУ, [email protected].

осуществляется на финишном этапе производства полиамидных волокон, что не требует значительного переоборудования уже имеющихся производств, а применение данной аппретирующей добавки для модификации полиамидных волокон не приведет к существенному удорожанию готовой продукции, что обосновано доступностью и дешевизной диоксида кремния, используемого в качестве сырья.

Литература

1. Тимошина, Ю.А. Влияние наполнения наночастицами диоксида кремния матрицы композиционного материала на основе стекловолокон на его прочностные характеристики / Ю.А. Тимошина // Вестник технологического университета. - 2015. - №19. - С. 160162.

2. Парсанов, А.С. Влияние плазменной обработки на адгезионные свойства стекловолокон к полимерным связующим / А.С. Парсанов, Н.М. Тимошин, Ю.А. Тимошина // Вестник технологического университета. -2015. - № 19. - С. 152-155.

© Y. A. Timoshina, assistant professor of the department «The plasma-chemical and nanotechnology of high-molecular materials», KNRTU, [email protected].