Способ изготовления образца для определения адгезии волокна к связующему

Способ изготовления образца для определения адгезии волокна к связующему

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения адгезии волокна к связующему . Целью изобретения является повышение точности и стабильности результатов испытаний при определении адгезии, снижение трудоемкости изготовления и расширенме области использования путем обеспечения возможности определения химических связей аппретирующего агента с волокном и связующим при его введении между ними. Способ заключается в осуществлении контакта между пленкой волокна и 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 может быть использова н при разработке волокнисто-армированных композиционных материалов и в их производстве. 4 ил., 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

„, БЦ„„1 716396A1 (я)5 G 01 N 19/04 госудюственный комитет

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Изобретение относится к испытатель- молекулярной подвижности в граничном ной технике, а именно к способам иэготов- слое связующего.. 1 ления образца при определении адгезии, Способ отличается простотой изготов- ъ между волокном и связующим.. ления образца, однако при измерении адгеИзвестен способ. заключающийся в: . эии приходится испольэовать достаточное том, что два волокна под углом 90 склеива-. сложное экспериментальное оборудование. ют связующим, Кроме того, сильно снижена информативИз-за длительной подготовки образцов ность способа из-за невозможности опредедля испытаний способ является малопроив- пения химических свяаеи, оораеующихся в водительным. зоне адгезионного контакта волокна со свя. зующим. а

Известен способ изготовления образца, Наиболее близким к изобретению являкогда в полимер (связующее) вводят ста- етсяспособиэготовленияобразцадляопребильный радикал в качестве датчиков интен- . деления адгезии волокна к связующему, при сивности молекулярных движений, а об котором.на твердой цилиндрической поверадгезии между волокном и связующим при хности формируют слой полимерного связуих контакте судят по степени изменения ющего, затем волокно приводят в контакт со (21) 4798512/28 (22) 05.03.90 (46) 29.02.92, Бюл. М 8 (71) Институт механики металлополимерных систем АН БССР (72) В.К. Слабин, B.À. Смуругов и И.О, Деликатная (53) 620.179.4(088.8) (56) Дерягин Б.Д„Футран M.Ô. и Ратнер

С.Б. ДАН СССР. l953, т. 92, с. 1137, Авторское свидетельство СССР

М 1226226, кл. G 01 и 24/10, 1984, Авторское свидетельство СССР

М 1597699, кл. G 01 N 19/04, 1988. (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦА

ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АДГЕЗИИ ВОЛОКНА

К СВЯЗУЮЩЕМУ (57) Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения адгеэии волокна к свяэующему. 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 волокна и 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.

1716396

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 не требует 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 связанц с тем, что используют волокна, заранее обработанные аппретирующим агентом, и необработанную аппретом поверхность связую цего. 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, заключаю5

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 мкм,,в 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 распределеwe 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 с особа.

На фиг; 1 изображэна схема осуществления предложенного способа, на фиг. 2—

MHllBO-спектр волокна, обработанного в условиях фрикционного контакта AT-110 в диапазоне 400-4000 см-1 на призмах КВ и

NaCl; на фиг. 3 — МНПВО-спектр чистого волокна; на фиг. 4 — МНПВО-спектр AT-110.

Способ осуществляется следующим образом (фиг. 1).

На цилиндрическом ролике 1 формируется слой 2 волокон. Эта операция осущест1716396 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 цилиндричес кой поверхностью волокна, Измерение силы трения и вычисление адгеэии проводят известным способом.. При оценке эффективности аппретирующего агента 4 он вводится (при помощи пипетки, 10 распылителя и др.) в зону фрикционного контакта волокна и связу>ощего в виде раствора, Химически индифферентный растворитель необходим, поскольку в противном ционных поверхностей и искажение результатов. После стабилизации силы трения (через 8-12с после ввода аппретирующего агента) ведут определение адгезии. По

20 окончании фрикционных испытаний пленка связующего может быть использована для исследований методом ИК-спектроскопии, а слой волокон — методом MHПВО.

Пример . Определяли адгезию волокон из поли-м-фениленизофталамида, чис- 25 тых и обработанных аппретирующим агентом AT-110, к связующим поли-я-капроамиду (ОСТ 6-06-09-76) и поликарбонату (ТУ

6-05-1668-74), а также выясняли характер

30 взаимодействия аппретирующего агента с волокном и связующим.

По известному способу растворяли поли-E -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-фенилени40 эофтал амида по цилиндрическим поверхностям связующих. Часть волокон предварительно обрабатывали аппретирующим агентом AT-110. Ступенчато увеличивали нагрузку от 0,10 до 0,60 Н и измеряли . 45 силу трения, результаты испытаний обрабатывали методом наименьших квадратов на машине СМ-1420. вычисляли адгезию.

Согласно заявляемому. способу на по50 верхностях 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-о -капроамида 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 и иэмеряс случае могут иметь место разрушение фрик- 15 ли силу трения, результаты испытаний обрабатывали методом наименьших квадратов на машине СМ-1420, вычисляли адгезию, Для изучения эффективности аппретирующего агента AT-110 раствор последнего в метиленхлориде (t«< = 40 С) вводили в зону фрикционного контакта. В момент введения раствора сила трения повышалась вследствие усиления сцепления за счет,. жидкой фазы, затем в течение 8 — 12 с она стабилизировалась вследствие улетучивания растворителя. Измерения проводили с момента стабилизации.

Результаты испытаний приведены s таблице.

Результаты проведенных экспериментов показывают, что стабильность результатов при использовании предложенного способа существенно возрастает. Например, среднеквадратичное отклонение силы трения при нагрузке 0,20Н для чистого поли-м-фениленизофталамида и поли- -капроамида равны для прототипа и заявляемого способа соответственно 9,97 10 и 1,02.10 5, Снижение разброса при испытаниях позволяет уменьшить число необходимых испытаний.

Расчет относительной погрешности определения адгезии для прототипа и заявляемого способа показал, что точность определения адгезии увеличилась примерно в4 — 5 раз, В данном примере при использовании предложенного способа время эксперимента (включая подготовку образцов, проведение измерений, обработку данных на ЭВМ) сократилось примерно в 3,5 раза в виду того, что исключена трудоемкая операция формирования пленки связующего из раствора или расплава на поверхности цилиндра; уменьшено число необходимых испытаний, так как снижается разброс данных; сокращено время обработки данных на

ЭВМ. Если процесс формирования слоя волокна в заявляемом способе на цилиндрической поверхности может быть легко механизирован, то операция формирования слоя пленки связующего в прототипе на цилиндрической поверхности не может быть ускорена.

Как видно из таблицы, значения адгезии аппретированного волокна к связующему, определенные по указанным способам существенно различаются (по заявляемому— выше). Это объясняется разным распределением аппретирующего агента на волокнах и связующем. В случае предложенного способа распределение аппретирующего агента осуществляется в жидкой фазе, что больше соответствует реальным условиям

1716396 в

I с-о.

1 о о

+ И-С-0-Ti-О-С-В-» аппреторуюший агона

Il

С-,О г о

-- Б-C-0-Ti-О-С-З+ Н,О о о о с-о аппрганрооанное долокно 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- E -капроамидом и поликарбонатом после фрикционных испытаий по изобретению получили MHПВО-спектр волокна, обработанного в условиях фрикционного контакта AT-110 (фиг. 2) в диапазоне

400 — 4000 см на призмах KBI и NaCI, Предварительно были сняты МНПВО-спектры чистого волокна (фиг. 3) и AT-1 10 (фиг. 4).

Были также получены ИК-спектры исходных и обработанных AT-110 пленок 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 вЂ” 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:

При анализе и сопоставлении ИК-спектров исходных и аппретированных пленок связующего появление новых полос не отмечено. Это говорит о том, что взаимодействие AT-110 с данными свяэующимИ.носит характер простой физической адсорбции. В конечном счете химическое закрепление

AT-110 на волокнах облегчает его смачивание связующим и повышает адгеэию.

В 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 испытаний. 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 связующему 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 юшийся 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 eojK>eoH иэ поли-н-фениленнзофтала>з>да (чистых и аппретироааннык AT-110) к поли-f-капроаннлу и поликарбонату по прототипу и предлоиеннону. способу

Теткина

tie>H»e> сеяэу>0» мего,икм ддгезия, Н/м

Spew»спыта ний, ч, ннн

Способ Исследуемая адгеэнонмая flope

Толечка слоя волок»

Ha>

Число

Испытаний

Сила трения прн нулевой нагрузке, N

10 0,115 О ° 127 0>97>1&

Поли-Я-капровимд

Чистый

ПНФИФА

ПНФИФА, аппрет.

AT-11О

4,30

18. 4>40

Прото .

10 0,156 0,150 8,40>10-з

Полмкарбо нет

4 30

Чист>й

ПНФИФА

ПНФИФА, аппрет.

AT-110 с

О, 103 О, 116 1,09 ° 1026

4>40

0,145 0,129 9,90 10"з

Поли -Е- ка- Ч стыд проанид ПНФИФА

4,01

1 ° 15

Эаяв ляе» и>й

ПНЗИФА, апрет, AT" 110

4,03

l,2О

Чисткой

ПНФИФА

3,98

1 ° 15

150 . 5

150, 5

ПНФИФА, апперт.

AT-110

3,40

1>20

l5

)О

l5

150

150 5

150 5

270

0,155

О, 150

О ° 151

О, 153

О, 158

0,176

О, 168

О, 169

0,167

0 172

0,110

0,100

0, 102

0>104

О, 124

Пленка

0,159

0,160

О, 162

О, 180

Среднеи кадра тыческое отклонение силы при нагрузке

0,20 Н

О, 136

О ° 130 1,02 ° 10

0,129

О, 132

0,148

О, 184

0,173

0,174 1 ° 09>10

0,173

0,179

0,124

0,.1 09

0 ° 111 9,98» 1(Г

О, 114

О, I 30 рзэ руеилась

0,152

0>154 9,5 11"

О ° 155

О, 170

МОР

Ьалиовое число, ан

ФИГ 8

Вомовов вюяо, са жюо

Волновое наа, @м

ФИГ4