Способ изготовления образца для определения адгезии волокна к связующему Советский патент 1992 года по МПК G01N19/04 

Изобретение 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 способ 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

молекулярной подвижности в граничном слое связующего. .

. Способ отличается простотой изготовления образца, однако при измерении адгезии приходится использовать достаточное сложное экспериментальное оборудование. Кроме того, сильно снижена информативность способа из-за невозможности определения химических связей, образующихся в зоне адгезионного контакта волокна со связующим.

Наиболее 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 со

03

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 оборудо- вания. 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 связана с тем, что используют волокна, заранее обрабо- тайные аппретирующим агентом, и необра- ботанную 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 определений характера химических связей между аппретирующим агентом и волокном, аппретирующим агентом и связующим. Невозможно в этом случае применить такие методы, как инфракрасная спектроскопия (ИК) и спектроскопия многократного нару- шейного полного внутреннего отражения (МН ПВО), 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, заключающемся в создании на твердой цилиндрической поверхности слоя связующего, в контакт с которым привидится 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 адгезии уменьшается. Уменьшение числа необходимых испытаний ввиду повышения стабильности результатов снижает трудоемкость способа. Трудоемкость снижается и вследствие того, что операция приготовления рас- плава 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 приформировании 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 возможности способа.

На фиг. 1 изображена схема осуществления предложенного способа; на фиг. 2 - МНПВО-спектр волокна, обработанного в условиях фракционного контакта АТ-110 в диапазоне 400 -4000 см-1 «а призмах KB и NaCI; на фиг. 3 - МНПВО-спектр чистого волокна; на фиг. 4 - МНПВО-спектр AT-V10.

Способ осуществляется следующим образом (фиг. 1).

На цилиндрическом ролике 1 формируется слой2 волокон. Эта операция осуществляется намоткой в осевом, тангенциальном и других направлениях, но не хаотично,; поскольку в последнем случае невозможно получить ровную поверхность. Пленка свя- 1 зующего 3 находится в контакте с цилиндрической поверхностью волокна, Измерение силы трения и вычисление адгезии проводят известным способом. При оценке эффективности аппретирующего агента 4 он вводится (при помощи пипетки, распылителя и др.) в зону фрикционного контакта волокна и связующего в виде раствора. Химически индифферентный растворитель необходим, поскольку в противном случае могут иметь место разрушение фрикционных поверхностей и искажение результатов. После стабилизации силы трения (через 8-12с после ввода аппретирующего агента) ведут определение адгезии. По окончании фрикционных испытаний пленка связующего может быть использована для исследований методом ИК-спектроскопии, а слой волокон - методом МНПВО.

Пример. Определяли адгезию волокон из поли-м-фениленизофталамида, чистых и обработанных аппретирующим агентом АТ-110, ксвязующим поли-Ј-капро- амиду (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 по- ли-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-фениленизофталамида по цилиндрическим поверхностям связующих. Часть волокон предварительно обрабатывали аппретирующим агентом АТ-110. Ступенчато увеличивали нагрузку от 0,1.0.до 0,60 Н и измеряли силу трения, результаты испытаний обрабатывали методом наименьших квадратов на машине СМ-1420. вычисляли адгезию.

Согласно заявляемому способу на поверхностях стальных цилиндрических роликов тех же размеров намо.ткой в тангенциальном направлении формирова-. ли слои волокон из 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 и измеря

ли силу трения, результаты испытаний обрабатывали методом наименьших квадратов на машине СМ-1420, вычисляли адгезию.

Для изучения эффективности аппрети- 5 рующего агента АТ-110 раствор последнего в метиленхлориде (Тхип 40°С) вводили в зону фрикционного контакта. В момент введения раствора сила трения повышалась вследствие усиления сцепления за счет.

0 жидкой фазы, затем в течение 8-12 с она стабилизировалась вследствие улетучивания растворителя. Измерения проводили с момента стабилизации.

Результаты испытаний приведены в

5 таблице.

Результаты проведенных экспериментов показывают, что стабильность результатов при использовании предложенного способа существенно возрастает. Напри0 мер, среднеквадратичное отклонение силы трения при нагрузке 0.20Н для чистого поли-м-фениленизофталамида и поли-Ј-капро- амида равны для прототипа и заявляемого способа соответственно 9,97-10 3 и 1,02..

5 Снижение разброса при испытаниях позволяет уменьшить число необходимых испытаний.

Расчет относительной погрешности определения адгезии для прототипа и заявля0 емого способа показал, что точность определения адгезии увеличилась примерно в 4-5 раз.

В данном примере при использовании предложенного способа время эксперимен5 та (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 рас0 твора или расплава на поверхности цилиндра; уменьшено число необходимых испытаний, так как снижается разброс дан- йых; сокращено время обработку данных на ЭВМ. Если процесс формирования сл оя во5 локна в заявляемом способе на цилиндрической поверхности может быть легко механизирован, то операция формирования слоя пленки связующего в прототипе на цилиндрической поверхности не может быть

0 ускорена.

Как видно из таблицы, значения адгезии аппретированного волокна к связующему, определенные по указанным способам существенно различаются (по заявляемому 5 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

формирования композита. 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-фениленизофталамида и связующим поли- е -капроамидрм и поликарбонатом после фрикционных испытаий по изобретению получили МНПВО-спектр волокна, обработанного в условиях фрикционного контакта АТ-110 (фиг. 2) в диапазоне 400-4000 на призмах КВг и Nad Предварительно были сняты МНПВО-спектры чистого волокна (фиг. 3) и АТ-110 (фиг. 4). Были также получены ИК-спектры исходных и обработанных АТ-110 пленок поли-е- кап- роамида и поликарбоната в том же диапазоне волновых чисел.

Анализируя ПК-спектр аппрета МНПВО-спектры чистого и аппретированного волокна, можно констатировать усиление поглощения в области 1100 , что способствует увеличению концентрации хи- мических связей С-0. Химическое взаимодействие аппретирующего агента с концевыми - СООН-группами волокна из поли-м-фениленизофталамида, в результате которого увеличивается концентрация С- Освязей и аппрет химически закрепляется на поверхности волокна:

Ј.

о

С + R-C-0-Ti-O-C-R-

. лч HiП

ОН

9шкко.

6 он о

аппретирующий агент

з,„ ;

о

- R-C-0-T1-0-C-R + 00 О

4-о

annptmupaldHHoe волокно

При анализе и сопоставлении ИК-спек- тров исходных и аппретированных пленок связующего появление новых полос не отмечено. Это говорит о том, что взаимодействие АТ-110с данными связующими .носит характер простой физической адсорбции. В конечном счете химическое закрепление АТ-110 на волокнах облегчает его смачивание связующим и повышает адгезию.

0 5 0

5 0

5

0

5

0

5

В прототипе провести спектроскопические исследования невозможно, поскольку в случае волокон количества химических связей на пути ИК-луча недостаточно для появления аналитического сигнала, получить ПК-спектр пленки связующего (после ее отслаивания) также невозможно, поскольку при толщине 0,5-2 мм плёнка 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, что1 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 искажает 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.

Формул а изобретения Способ изготовления образца для определения адгезии волокна к связующему, заключающийся в том, что осуществляют контакт волокна с пленкой связующего по цилиндрической поверхности, отличающий 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.

Определение адгезии волокон на поли-н-фениленизофталаиеда (чистых и аппретированных АТ-МО). к поли С-калроамиду и поликарбонату по прототипу и предложенному способу

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 расши- ренме 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.

т,

ч 3 Ц

kwi

zo600

то

ФИГ.2

f«4 «и

so.

wooьооо

Волновое число, ом

-I