ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Адгезионная прочность из "Физико-химические основы наполнения полимеров" Прочность адгезионного соединения определяет основные механические свойства полимерных композиционных материалов. При оценке адгезионной прочности необходимо учитывать физические аспекты процессов развития и роста трещин, распределения напряжений и их релаксации и разрущения, наличие внутренних напряжений и пр. Эти вопросы, выходящие за рамки физико-химического рассмотрения, подробно освещены в работе [149]. Отметим лищь несоответствие термодинамически вычисленной работы адгезии и того же показателя, определяемого по механическому разрушению адгезионного соединения. Вопрос о соотношении между адгезией полимера к поверхности и адгезионной прочностью - один из основных в теории адгезии полимеров к твердым поверхностям. [c.72] Необходимо четко разграничивать понятия термодинамической работы адгезии — равновесной величины, не зависящей от условий испытания, нанесения адгезива и т.п., и определяемой только термодинамическими характериаиками поверхностей (в том числе их структурой) и адгезионной прочностью. Последняя как прочность любого тела является кинетической величиной, определяемой условиями разрушения, а также дефектами структуры материала и многими другими факторами, которые будут рассмотрены при обсуждении механизма формирования адгезионных соединений. Адгезионная прочность зависит также от условий отрыва или расслоения. [c.72] Теоретическая прочность твердых тел не соответствует фактической. Первая определяется молекулярными силами, а на другую влияют дефекты структуры, в частности наличие слабых граничных слоев [10]. Кроме того, деформация твердых тел - обычно неравновесный процесс, связанный с диссипацией энергии. Несоответствие термодинамически вычисленной работы адгезии и адгезионной прочности - результат неравновесного процесса разрушения адгезионного соединения. Вероятно, между величинами ажезии и адгезионной прочностью существует соответствие только в том случае, когда последняя будет определяться в термодинамически равновесных условиях разрушения бездефектной структуры, т.е. при деформации с бесконечно малой скоростью. [c.72] Таким образом, при постоянстве термодинамической работы адгезии (инвариантной величины, характеризующейся только природой взаимодействующих поверхностей), работа разрушения адгезионного соединения зависит от многих факторов. Поэтому только термодинамическая работа адгезии, если она правильно определена, относится к собственно адгезии двух тел и имеет физический смысл, независимо от условий испытаний или формирования адгезионного соединения. При термодинамических оценках не учитываются неупругие деформации тел, дефекты на границе раздела между адгезивом и твердым телом, напряжения в клеевом шве в процессе получения, концентрация напряжений, обусловленная различиями в величинах упругих модулей адгезива и субстрата и пр. [c.72] Фактически только адгезионный отрыв, который наблюдается крайне редко, характеризует адгезию. [c.73] Для двухфазной системы необходимо введение параметров 5 ] и 6 2, характеризующих толщины слоев по обе стороны от границы раздела, на которые распространяется процесс диссипации энергии, а также определение величин С J и С 2 и нахождение функциональной зависимости от расстояния трещин от границы раздела. [c.73] Гуд [195] предложил функциональные зависимости для некоторых случаев разрущения при разных значениях и знаках ДС и АЕ, давшие возможность сделать заключение об адгезионном поведении двухфазной системы. Если АС к АЕ имеют одинаковый знак и силы, действующие вдоль границы раздела, велики, то наиболее вероятным местом зарождения трещины является одна из контактирующих фаз. В том случае, когда АС к АЕ имеют противоположные знаки и Дlg Дlg , а межфазные силы велики, разрушение начинается вблизи поверхности и в фазе с меньшим значением С. При ДlgG Дlg разрыв может произойти вблизи поверхности в фазе с меньшим значением С или Е. Данный случай включает, в частности, результаты, объясняемые с позиции теории слабых граничных слоев, выдвинутой Я.О.Бикерманом. Если межфазные силы малы, то всегда происходит истинный межфазный разрыв, причем в том случае, когда АС и АЕ противоположны по знаку, наиболее вероятно возникновение очага разрушения на границе раздела. В противном случае межфазный разрыв будет происходить только тогда, когда межфазные силы слабы. При этом разрушение может начаться в фазе с меньшим значением С или Е. [c.73] Таким образом, разрушение определяется природой сил, действую- щих на границе раздела. При сильном межфазном взаимодействии разрушение начинается в фазе с меньшим значением С, а при слабом -на границе раздела. Процесс разрушения адгезионного соединения и его характер зависят от многих параметров системы адгезив - субстрат. [c.73] При оценке адгезионной прочности методом отслаивания пленки полимера от подложки только часть механической работы затрачивается на разрушение адгезионного соединения, а остальная часть расходуется на различные побочные процессы. Особенно велико влияние на адгезионную прочность деформационной слагаемой. Поэтому актуальной проблемой является анализ процессов, происходящих при разрушении адгезионного соединения. Учет деформационной слагаемой адгезии может быть осуществлен при определении так называемой квазиравновесной работы адгезии [197] (рис. 2.2). [c.74] При отслаивании на участке АВ во времени происходит нарастание усилия, которое далее остается постоянным на участке ВС. Это усилие соответствует напряжению отслаивания при данной его скорости. Работа адгезии покрытия определяется из среднего значения напряжения, приходящегося на единицу ширины покрытия. Такая величина зависит от толщины покрытия и скорости деформации. Однако, если в точке С прекратить вынужденное отслаивание, то в результате релаксации деформации напряжения, возникшие в деформированной пленке, обусловят дальнейший отрыв адгезива от субстрата. Процесс отслаивания будет продолжаться до тех пор, пока напряжения в плен.се не уравновесятся адгезионными силами (область СО) и процесс са лопроизвольного отслаивания не прекратится в точке О. Величина остаточного напряжения Р на единицу ширины пленки может быть охарактеризована как квазиравновесная работа адгезии (работа адгезии при нулевой скорости отслаивания). Экспериментальные данные показывают, что величина квазиравновесной работы адгезии не зависит ни от толщины слоя адгезива, ни от скорости отслаивания. [c.74] Применение методов деформационной калориметрии, позволяющих одновременно регистрировать механическую работу и тепловые эффекты, связанные с разрушёнием адгезионного соединения, даст возможность получить дополнительную информацию о процессах на межфазной границе адгезионного соединения. [c.74] Таким образом, калориметрически возможно выделить составляющие адгезионной прочности, связанные с собственно межфазной адгезией. Если методы, основанные на механическом разрушении адгезионного соединения, могут быть с успехом применены для изучения адгезии клеев и покрытий, то полностью исключается их использование для оценки адгезионного взаимодействия между дисперсным наполнителем и матрицей. Возможность подхода к решению этой проблемы заложена в определении момента нарушения сплошности образца при его деформировании. Этот подход базируется на концепции адгезионно-когезионного разрушения и представлениях о слабых граничных слоях и учитывает чрезвычайную трудность оценки истинного характера разрушения адгезионной связи в системах с дисперсным минеральным наполнителем. [c.74] Напряжение в этот момент соответствует нарушению адгезионной связи и может быть использовано для расчета адгезионной прочности [199 - 201]. [c.75] Разработан ряд различных физических методов, позволяющих оценить момент начала нарушения сплошности образца [5], основанных не только на виде зависимости о = /(е), но и на изменении объема при деформации, оценке затухания ультразвуковых волн при деформации образца, расчете передаточных функций ультразвуковых колебаний и пр. Однако незнание механизма разрушения (адгезионный, когезионный или смешанный), неодновременность разрушения всех адгезионных связей по сечению образца в момент нарушения сплошности, ограничивает возможность расчета собственно адгезионной прочности связи частиц наполнителя со связующим (не говоря уже о незнании распределения напряжений на частице, которое приводит к неодновременному отрыву связующего от частиц в разных точках ее поверхности). Несмотря на это, предложенные методы являются единственно пригодными для оценки адгезионной прочности в системах, наполненных дисперсными наполнителями. [c.75] Количественные данные, полученные по этим соотношениям для реальных систем, приближенные, вследствие заложенной для вывода уравнения модели и отсутствия доказательств одновременного разрушения всех адгезионных связей по сечению образца. Поэтому этот метод имеет те же ограничения, что и оценка адгезии по нарушению сплошности, но основным его преимуществом является то, что он дает возможность оценить соотношение между адгезионным и когезионным разрушением. [c.76] Из линейной зависимости Ор от экстраполяцией могут быть получены характеристики адгезионной и когезионной прочности при смешанном характере разрушения. Использование этого подхода позволяет также оценить характеристики различных слоев адгезионного соединения (слабого слоя, образованного загрязнениями слоя полимера, оксидного слоя). [c.77] Первый путь состоит во введении в адгезив минеральных наполнителей, имеющих отличное от поверхности сродство к компонентам системы [217] и повышающих когезионную прочность покрытия. В таких системах существуют два типа поверхности (подложки и наполнителя) и соответственно два типа поверхностных слоев [218]. По-видимому, существование двух химически отличающихся поверхностей с различной поверхностной энергией приведет к перераспределению компонентов покрытия между двумя поверхностями. Сродство поверхностей к компонентам покрытия неодинаково. По другим данным [219, 220], низкомолекулярные фракции или примеси мигрируют из объема адгезива на поверхность при формировании покрытия, в результате чего граничные слои полимера на поверхности подложки освобождаются от них, и граничный слой становится более гомогенным и менее дефектным. Такой механизм подтверждается тем, что прочность адгезионной связи имеет точку экстремума на концентрационной зависимости. Очевидно, выше некоторой критической концентрации наполнителя его поверхностью поглощаются все доступные низкомолекулярные фракции или примеси, и адгезия не повышается. [c.78] Возможно упрочнение полимера и при введении малых добавок другого полимера. В соответствии с термодинамикой это также может обусловить повышение энергии когезии матрицы и, следовательно, работы адгезии. [c.78] Были разработаны пути повышения адгезии, в основе которых лежит использование в качестве адгезива смесей двух термодинамически несовместимых полимеров, взятых в соотношениях, при которых их прочность резко повышается. Применение в качестве адгезивов полимерных смесей имеет и другие преимущества. Двухкомпонентные термодинамически несовместимые смеси характеризуются избыточным свободным объемом вследствие несовместимости и образования межфазной области между компонентами [221]. Благодаря этому релаксационные процессы в таких системах протекают с большими скоростями, и внутренние напряжения снижаются, что приводит к повышению адгезионной прочности. [c.78] Другой путь создания адгезивов с повышенными характеристиками заключается в использовании взаимопроникающих полимерных Сеток (ВПС) [223]. Получение ВПС является новым методом смешения неплавких и нерастворимых трехмерных полимеров и дает возможность получить материалы с широким спектром свойств [224]. [c.79] Вернуться к основной статье