Влияние обработки модификатором древесного наполнителя на адгезионную прочность соединения полимер-древесина

В различных областях промышленности и техники все шире используются высокопрочные композиционные материалы. Успешная их эксплуатация - передача усилий, интенсивное нагружение и более полное использование свойств наполнителя возможны только при достаточно надежной связи между компонентами, обеспечиваемой только в случае достаточной адгезионной прочности в системе связующее - наполнитель. Поэтому вопросы адгезии связующего к наполнителю, интенсификации и направленного регулирования адгезионного взаимодействия имеют первостепенное значение при создании древесно-полимерных композиционных материалов.

Проблема совместимости химически разных материалов хорошо иллюстрируется всем известным примером взаимодействия воды и масла. Как известно, по поверхности масла катаются капельки воды, а стальная игла, смазанная маслом не желает тонуть. На практике не бывает абсолютно гидрофобных или гидрофильных веществ, также как и олеофильных и олеофобных. Всякое вещество обладает большей или меньшей степенью гидрофильности, гидрофобно- сти, олеофильности и олеофобности [83].

Адгезия зависит от свойств контактирующих фаз, природы их поверхностей и площади контакта. Она определяется силами межмолекулярного притяжения и усиливается, если одно или два тела электрически заряжены, если при контакте тел образуется донорно-акцепторная связь, а также вследствие капиллярной конденсации паров. Между молекулами наполнителя и связующего могут возникнуть самые различные силы, начиная от наиболее слабых дисперсионных и заканчивая силами химической природы. Таким образом, причины возникновения адгезионной связи - действие сил химического взаимодействия или межмолекулярных сил.

Определяющую роль в адгезии имеют химическая природа наполнителя и связующего, то есть тип и количество функциональных групп на поверхности наполнителя и связующего и их способность к взаимодействию.

Характеристикой прочности адгезионного соединения служат прочностные показатели, например, сопротивление раздиру и разрыву, предел прочности при изгибе и растяжении и т. д.

Закономерности образования и разрушения адгезионных соединений описываются на основе двух независимых теорий - молекулярной (адсорбционной) и термодинамической. В рамках первого подхода рассматриваются когезионные свойства субстратов и адгезивов (прочность и обусловливающие ее параметры: вязкость адгезива, а также условия их контакта (температура, давление и продолжительность контакта); в рамках второго - энергетические характеристики (поверхностные энергии субстрата и адгезива, межфазной границы) [30].

Химия дает возможность разрешить проблему адгезии древесины и синтетических полимеров большим количеством способов, включая модификацию смолы или (и) частиц древесины (механохимическую, химическую, термомеханическую, плазменную и даже радиационную обработку). Но модификация основного сырья требует определенных затрат и усилий, а такие затраты могут быть иногда сопоставимы с затратами на все остальное производство ДПК. Однако, исследования в этом направлении проводятся довольно широко, т.к. имеют хорошую перспективу.

Увеличение площади контакта между связующим и наполнителем приводит к повышению адгезии независимо от того, какими силами обусловлена связь между фазами [76]. На величину площади контакта оказывают влияние такие факторы, как смачивание, способность связующего заполнять неровности твердой поверхности, вытесняя при этом воздух. Многочисленные пузырьки воздуха, находящиеся в глубоких бороздках и порах поверхности образца, препятствуют достижению максимально возможного контакта [84]. Таким образом, морфология поверхности субстрата, ее топография, микрорельеф и чистота являются важными факторами, влияющими на полноту контакта и в конечном итоге на адгезию.

Микрорельеф и шероховатость твердой поверхности, обусловленные особенностями внутренней структуры, можно условно назвать первичными или атомно-молекулярными. Также шероховатость может быть механической, при этом имеются ввиду многочисленные дефекты (поры, трещины, капилляры), появляющиеся в результате процессов структурообразования, старения и т. д. [78]. К этой группе относится и искусственный микрорельеф, создаваемый различными способами.

Любая система связующее-наполнитель характеризуется не только величиной адгезии, но и типом нарушения связи между компонентами, т. е. характером разрушения. Вопрос о характере разрушения имеет не только теоретический, но и большой практический интерес [80]. Только зная слабые звенья системы, можно искать пути повышения ее работоспособности. Общепринятым является следующая классификация видов разрушений: адгезионное (связующее отделяется от наполнителя), когезионное (разрыв происходит по массиву связующего или наполнителя), смешанное (происходит частичное отделение связующего от наполнителя, частичное разрушение наполнителя и частичное разрушение связующего).

Для определения адгезионной прочности в системе связующее - наполнитель были изготовлены специальные образцы (рис. 62) для испытаний на скалывание.

Образец для испытаний на скалывание

Рис. 62. Образец для испытаний на скалывание

Была выбрана древесина трех пород: сосна, береза и дуб. В качестве полимерной составляющей использовался ППКМ. Эксперимент проводился на разрывной машине ЦДМ-10 с применением специального приспособления для установки образца (рис. 63).

В табл. 4 представлены усредненные данные результатов испытаний (ГОСТ 16483.5-70).

Испытание соединения связующее-наполнитель (древесина) на скалывание

Рис. 63. Испытание соединения связующее-наполнитель (древесина) на скалывание

Результаты испытаний на скалывание соединения полимер-древесина

Таблица 4

Предел прочности при скалывании,

Порода

МПа

Вдоль

Поперек

волокон

волокон

Сосна

1,6

1,15

Береза

0,5

1,7

Дуб

1

1,8

На рис. 64 и 65 представлены гистограммы результатов испытаний на скалывание древесины-ППКМ (соси, дуб и береза) вдоль и поперек волокон соответственно.

Гистограмма результатов испытаний на скалывание древесины-ППКМ (сосна, дуб, береза) вдоль волокон

Рис. 64. Гистограмма результатов испытаний на скалывание древесины-ППКМ (сосна, дуб, береза) вдоль волокон

Гистограмма результатов испытаний на скалывание древесины-ППКМ (сосна, дуб, береза), поперек волокон

Рис. 65. Гистограмма результатов испытаний на скалывание древесины-ППКМ (сосна, дуб, береза), поперек волокон

Из гистограмм видно, что адгезия древесины к полиэтилентерефтала- ту очень низкая. Лучшими показателями адгезии древесина-полимер при скалывании вдоль и поперек волокон обладают, соответственно, сосна и дуб. Так же стоит обратить внимание на адгезионный характер разрушения.

Для того чтобы оценить полученные результаты сравним их с аналогичными испытаниями древесины. В таблице 5 представлены результаты испытаний на скалывание вдоль волокон древесины и соединения полимер-древесина.

Таблица 5

Результаты испытаний на скалывание вдоль волокон древесины и соединения полимер-древесина

Порода

Предел прочности при скалывании, МПа

Древесина

Древесина-ППКМ

Сосна

6,9

1,6

Береза

8,5

0,5

Дуб

9,3

1,0

Анализируя данные табл. 5, можно сделать вывод об очень низкой адгезионной прочности соединения полимер-древесина.

Для улучшения адгезионной прочности принято решение модифицировать наполнитель. В качестве модификатора использовался сорокапроцентный раствор глиоксаля.

Глиоксаль - С2Н202 - диальдегид щавелевой кислоты [82] относится к диальдегидам, веществам содержащим две альдегидные группы. Помимо неплохих гидрофобизирующих свойств [83] глиоксаль способен улучшать адгезию разнородных материалов.

Для следующего испытания были подготовлены образцы, аналогичные ранее описанным, с одной лишь разницей - древесина предварительно пропитана 40 % раствором глиоксаля.

На рис. 66 и 67 представлены гистограммы результатов испытаний соединения полимер-древесина на скалывание вдоль и поперек волокон соответственно, после пропитки древесного наполнителя глиоксалем.

Гистограмма результатов испытаний на скалывание вдоль волокон после пропитки древесного наполнителя глиоксалем

Рис. 66. Гистограмма результатов испытаний на скалывание вдоль волокон после пропитки древесного наполнителя глиоксалем

Гистограмма результатов испытаний на скалывание поперек волокон после пропитки древесного наполнителя

Рис. 67. Гистограмма результатов испытаний на скалывание поперек волокон после пропитки древесного наполнителя

глиоксалем

Из гистограмм видно, что показатели адгезии существенно возросли.

Для численного сравнения повышения адгезионной прочности необходимо обратить внимание на табл. 6.

Результаты испытаний на скалывание соединения полимер-древесина

Таблица 6

Предел прочности при скалывании, МПа

Порода

Без обработки

Пропитка глиоксалем

Вдоль

Поперек

Вдоль

Поперек

волокон

волокон

волокон

волокон

Сосна

1,6

1,15

11,7

9

Береза

0,5

1,7

11,9

10,1

Дуб

1

1,8

12,3

10,4

Из табл. 6 видно, что показатели адгезии полимер-древесина улучшились более чем в 10 раз, и даже превысили адгезионную прочность чистой древесины.

Наряду с количественной характеристикой прочности адгезионного соединения необходимо знать характер разрушения [84]. Необходимо обратить внимание на верхнюю зону пятна контакта образца после испытаний (рис. 68).

Пятно контакта соединения полимер-древесина после испытания на скалывание

Рис. 68. Пятно контакта соединения полимер-древесина после испытания на скалывание

Здесь видны древесные частицы. Так же на древесной части образца остались частицы полимера. Исходя из увиденного, можно сделать вывод о смешанном виде разрушения. А это, в свою очередь, является подтверждением правильности выбора способа улучшения адгезии.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >