Адгезионного соединения

Слипаемость. При значительном давлении горячий металл может как бы прилипать к металлу штампа (явление адгезии), и когда штампуемое изделие отдирается от штампа, то оно всякий паз частично разрушает его поверхность. Это явление разрушения будет тем сильнее выражено, чем сильнее адгезионное взаимодействие штампуемого металла и металла штампа. Поэтому подобное взаимодействие штамповой стали с металлом изделия должно быть минимальным.

Существующие представления о механизме поверхностного разрушения полимеров при трении недостаточно обоснованы и неполны. Как правило, в основу рассмотрения положены не результаты исследования процессов поверхностного разрушения деталей конкретных машин, в которых нормализация процессов трения и изнашивания деталей достигла высокого уровня, а данные лабораторных испытаний, полученные на образцах. Вследствие этого в предлагаемых описаниях поверхностного разрушения преобладают не нормальные процессы трения и изнашивания, присущие сопряжениям машин, а недопустимые явления повреждаемости поверхностей. В то же время необходимо отметить работу по исследованию полимерных материалов в узлах трения машин, выполненную группой ученых, возглавляемой В.А. Белым. Основным результатом этой работы является установление ведущей роли физико-химических процессов, сопровождающихся образованием и разрушением фрикционных связей в металлополимерных трибосистемах [5]. Установлено, что адгезионное взаимодействие и формирование пленок фрикционного переноса являются важнейшими моментами в механизмах трения и изнашивания металлополимерных трибосопряжсний. При сближении молекул на расстояние менее 100 им происходит межмолекулярное взаимодействие. Для пары металл—полимер такое взаимодействие может быть обусловлено ван-дер-ваальсовыми силами воз-

Адгезионное взаимодействие

На трение и износ полимерных материалов сильно влияют такие факторы, как температурные условия на поверхности трения, адгезионное взаимодействие контактирующих поверхностей, специфические виды смазки и др. [200].

где А и В — коэффициенты, определяющие физико-механические характеристики пары трения, условия нагружения и адгезионное взаимодействие на фрикционном контакте; « — коэффициент, характеризующий опорную кривую; А* — безразмерный комплексный критерий оценки шероховатости двух соприкасающихся поверхностей.

1. Реакционная способность силанов по отношению к неорганической составляющей композита. На выяснение механизма адгезионной связи силановых аппретов с поверхностями неорганических материалов и, в частности, стекловолокна затрачены значительные усилия ученых. Почти невозможно получить непосредственные данные о характере механизма адгезионных связей. Поэтому адгезионное взаимодействие силановых аппретов с поверхностью стекловолокна объясняется на основе косвенных данных, которые позволяют предположить следующие механизмы связи:

Вандербильт и Клейтон i[51] изучали адгезионное взаимодействие эластомеров со стеклом при наличии на поверхности раздела реакционноспособного силана и бифункционального мономера. Эффективность действия силана без мономера или с монофункциональным мономером значительно меньше, чем в присутствии бифункционального мономера. По-видимому, сшивание на межфазной границе является условием хорошей адгезии.

Адгезионное взаимодействие термопластичных эластомеров с олигомерными грунтами, модифицированными силанами, по-видимому, состоит в частичной диффузии смолы в каучук, реагирующей с силаном. Специфической способностью к модификации в данном случае обладают аминосодержащие силаны; другие же силаны, указанные в табл. 1, способствуют улучшению адгезионных свойств реакционноспособных смол, но неэффективны как добавки к промоторам адгезии термопластичных каучуков. Поскольку модифицированные силанами смолы эффективны в качестве грунтовок с термопластичными каучуками и неэффективны с термопластичными смолами, адгезионное соединение с поверхностью минерального наполнителя возможно только при наличии способ-

ной к склеиванию поверхности раздела. Для достижения хорошей адгезии необходимо оптимальное сочетание каучука, смолы и си-лана на границе раздела. Поскольку адгезионное взаимодействие определяется взаимной растворимостью и диффузией молекул, концентрация силана и структура смолы должны быть оптимальными для каждого типа каучука.

Чамис [35] предложил критерий прочности композита, который позволяет учесть технологические переменные, такие, как содержание и распределение волокон и пустот, адгезионное взаимодействие волокно — матрица, остаточные напря-

Методами радиоактивных индикаторов и ЭПР доказано, что ответственными за адгезионное взаимодействие продуктов переработки углеводородного сырья с поверхностью металлов являются соединения, способные к межмолекулярным взаимодействиям - парамагнитные частицы и полярные соединения. По характеру изотермы адсорбции нефтяного пека показано, что взаимодействие нефтяных остатков с поверхностью металлов происходит по механизму хемосорбции [29].

Оже-электронная спектроскопия показала, что с поверхностью металла связан атом углерода группы CF2 и что мы имеем дело с химическим взаимодействием, т.е. с образованием химических связей. Разрушение такого адгезионного соединения носит когезионный характер и происходит по объему менее прочного материала. В результате на более прочной металлической поверхности постепенно формируется тонкая полимерная пленка, которую называют пленкой фрикционного переноса. Фрикционный перенос при трении без смазочного материала практически имеет место в любых условиях и режимах трения. Это приводит к образованию перенесенных пленок сложной структуры и состава. Вначале рассмотрим это явление в металлических парах трения. Для пар трения металл-металл разными исследователями предлагались различные механизмы переноса. В работах Боудена и Тейбора, например, предлагается модель изнашивания, в которой перенос материала с одной поверхности на другую рассматривается как результат среза мостиков сварки на реальном пятне фрикционного контакта. По мнению этих исследователей, перенос металла наблюдается в том случае, когда прочность адгезионной связи на поверхностях контакта твердых тел оказывается выше когезионной прочности одного из контактирующих материалов.

на образец опорными роликами 7, 12, которые имеют возможность свободно перекатываться по внутренней круговой поверхности образца. Такая конструкция обеспечивает прохождение линии действия внешней силы через центр тяжести кольцевого образца, устраняя таким образом неравенство нагружения каждого из соединений, которое является источником ошибок при известных способах испытаний. Положение адгезионного соединения по отношению к линии действия нагрузки и, таким образом, соотношение касательного и нормального напряжений в стыке устанавливается по лимбу 8. Результаты испытания измеряются и регистрируются в виде автоматической записи диаграммы деформирования в координатах усилие — деформация. Действующее усилие измеряется с помощью силоизмерительной системы, описанной выше и состоящей из динамометра /, датчика деформации в виде индикатора 3 и преобразователя 2.

8. Алексюк М. М., Козуб Ю.И., Борисенко В. А., Свиридовский Ю. М. А. с. 418769 (СССР). Образец для определения прочности адгезионного соединения.— Опубл. в Б. И., 1974, № 9, с. 142—143.

Загрязнение поверхности стеклянных волокон адсорбированной влагой и, возможно, жирными кислотами при выдержке их на воздухе ухудшало смачивание, но не оказывало вредного воздействия на прочность связи. Силановые аппретирующие добавки ингибировали смачивание и способствовали значительному увеличению временной устойчивости адгезии в присутствии воды. Временная устойчивость адгезионного соединения в значительной

степени зависела от температуры воды. Плохой адгезионной прочностью отличалась ювенильная поверхность Ечстекла. Результаты показали, что .прочность адгезионного соединения смолы с химически очищенной, загрязненной или ювенильной поверхностью стекла (во всех случаях без аппрета) не менялась. Многие исследователи полагают, что если бы можно совместить смолы с необработанными волокнами в процессе формования, то отпала бы необходимость в аппретирующих добавках. Однако полученные результаты не подтверждают подобного предположения.

Обработка стекловолокна силаном ухудшает, а не активирует смачивание его смолой. Лэд и Нельсон [26] показали, что стекло, обработанное амшшпропилсиланом, плохо смачивается эпоксидной смолой, однако временная устойчивость адгезионной связи на поверхности раздела в присутствии воды в 200 раз выше, чем для необработанного волокна. Изучая многочисленные органосо-держащие силаны как потенциальные аппретирующие добавки для полиэфирных смол, Плюдеман [37] не обнаружил никакой связи между полярностью силана или смачиваемостью стекла, обработанного силаном, и их поведением в полиэфирном слоистом пластике. Тем не менее Лотщ и др [29], сравнивая аппреты для эпоксидных смол, обнаружили, что при использовании силанов, обладающих максимальным критическим поверхностным натяжением YC, получаются наилучшие слоистые пластики. Очевидно, вначале механизм образования адгезионного соединения с помощью аппретирующих добавок не связан со смачиваемостью поверхности. Только после соблюдения основных требований получения надежной адгезии дальнейшее увеличение ее прочности может быть достигнуто в результате улучшения смачиваемости стекловолокна, обработанного смолой.

Не существует единого мнения относительно того, зависит или не зависит прозрачность (непрозрачность) слоистого пластика из аппретированных волокон от способности их поверхности смачиваться смолой. Визуальные наблюдения показали, что очищенные стекловолокна полностью смачиваются жидкой смолой и полиэфирный композит на их основе очень прозрачен в процессе изготовления и отверждения, но становится мутно-белым после охлаждения. Непрозрачность слоистого пластика обусловлена возникновением мелких трещин в смоле или разрушением адгезионного соединения на поверхности раздела из-за усадочных напряжений и не связана со смачиванием стекла смолой. Хорошая аппретирующая добавка до известной степени предотвращает образование трещин и разрыв адгезионной связи и позволяет получать прозрачный слоистый! материал. Вообще имеется корреляция между механическими характеристиками слоистого пластика и прозрачностью композита из аппретированного стекловолокна и смолы.

Контроль за разрушением адгезионного соединения на поверхности раздела в композитах может быть необходим для изделий специального назначения, которые должны обладать высокой вязкостью разрушения или для которых напряжения в волокнах являются в основном растягивающими. Ткань из Е-стекла, обработанная шлихтующим составом, использовалась для изготовления брони с высокой ударной прочностью [2]. При изготовлении сферических баллонов высокого давления для сжатого воздуха, устанавливаемых на самолетах, применялась в основном стеклянная ровница, обработанная замасливателем, который ухудшал прочность связи стекловолокна со смолой [17]. Для большинства применяемых композитов требуется сочетание хорошей адгезионной прочности и ударной вязкости. Силановые аппреты в значительной степени способствуют такому сочетанию свойств.

На рис. 3 также показан механизм возникновения трещины, или разрушение адгезионного соединения на поверхности раздела. Образец представляет собой залитое в смолу единичное волокно (рис. 3,а). При растяжении такого образца в направлений, перпендикулярном оси волокна, вследствие эффекта Пуассона воз-

никают значительные касательные напряжения на концах волокон, приводя к нарушению адгезионного соединения на поверхности раздела. На рис. 3,6 представлена поверхность разрушения в данном образце. Можно видеть, что, в то время как матрица расслаивается, волокно остается неповрежденным.

Периодически повторяющийся элемент (рис. 6) представляет собой типичную модель, применяемую в микромеханике для определения механических свойств композитов. Используя данную модель и предполагая хорошую адгезию на поверхности раздела, можно на основе простого правила смесей [16] вывести выражения для расчета модуля Юнга композита и коэффициента Пуассона. На рис. 7 представлены расчетные и экспериментальные данные для эпоксидного композита с волокнами кз Е-стекла. Хорошее согласие теории с экспериментом позволяет сделать вывод, что предположение о хорошей адгезии на поверхности раздела в композите вполне оправданно или что параметры, указанные на рис. 7, возможно, не чувствительны к нарушению адгезионного соединения.