INFLUENTA INTERFETEI ASUPRA PROPRIETATILOR MATERIALULUI COMPOZIT

INFLUENTA INTERFETEI ASUPRA PROPRIETATILOR MATERIALULUI COMPOZIT

Consideratii generale

Interfata dintre materialul de ranforsare si matricea polimerica are o importanta foarte mare asupra proprietatilor fizico - mecanice ale materialului compozit. Cu cât aderenta dintre matricea polimerica si materialul polimeric este mai mare cu atât rezistenta mecanica a materialului compozit este mai mare. Practic la interfata polimer - ranforsant trebuie sa existe niste forte de coeziune foarte mari. Acest lucru este dificil de realizat dat 14314k1014o orita diferentelor de structura chimica dintre materialele care formeaza matricea polimerica si ranforsantul. In acest sens trebuie efectuata o alegere riguroasa a materialelor pentru realizarea unei compatibilitati maxime. Exista situatii în care suprafata materialului de ranforsare trebuie tratata cu agenti promotori de adezivitate. O alta problema este diferenta dintre proprietatile mecanice ale matricii polimerice si a materialului de ranforsare. In general materialul de ranforsare are rezistenta la rupere mare, modul de elasticitate mare, dar alungire redusa. Matricea polimerica are flexibilitate mai mare si alungire la rupere mare, dar rezistenta la rupere este mai mica.

Rezistenta la rupere mare a materialului compozit rezultat este dependenta de interfata polimer - ranforsant, deoarece la interfata se propaga în general fisurile datorita diferentelor de structura dintre materiale. Datorita cantitatii mare de agent de ranforsare si structurii acestuia (pulverulenta sau fibroasa) apar foarte multe interfete polimer - ranforsant. Pentru realizarea unui compozit cu proprietati superioare polimerul trebuie sa acopere suprafata ranforsantului, iar acesta acoperire este necesar sa fie uniforma. In fiecare punct al interfetelor polimer - ranforsant trebuie sa existe forte de aderenta puternice pentru a se putea transfera efectul fortelor externe de la ranforsant catre matrice. In cazul în care aderenta nu este suficient de mare efectul fortelor externe se manifesta la interfata cauzând fisuri, si implicit degradarea compozitului.

Importanta interfetei a fost demonstrata printr-un calcul simplu care determina numarul de arii interfaciale prezente într-un laminat tipic. De exemplu considerând o placa patrata de polimer ranforsat cu 65% fibra de sticla, cu latura de 12 in si groasa de 1 in, volumul de ranforsant este de 0.054 ft². Daca se considera ca fibrele sunt cilindrice si au un diametru mediu de 10m, aria interfaciala va fi de 6600 ft². Acesta arie va trebui acoperita pentru obtinerea de proprietati maxime.

In cele mai multe cazuri este necesara îmbunatatirea aderentei matricii polimerice la agentul de ranforsare. In acest sens s-a dezvoltat o serie de compusi chimici care sa realizeze acest deziderat. Importanta agentilor de aderenta care servesc ca strat intermediar între matricea polimerica si agentul de ranforsare, si care se pot aplica pe suprafata ranforsantului sau în amestec cu polimerul, a fost demonstrata de foarte multi cercetatori [1-7]. Majoritatea agentilor de aderenta sunt organosiloxani. S-a remarcat ca prin utilizarea acestor produse rezistenta mecanica se înbunatateste cu peste 100%. Mecanismul de actiune al agentilor de aderenta poate fi descris succint [8]:

-maresc fortele de aderenta la interfata polimer - ranforsant;

-îmbunatatesc flexibilitatea, prin natura lor fiind substante flexibile;

-ajuta la eliminarea aerului din sistem permitând marirea suprafetei de contact între polimer si ranforsant.

Deci pentru realizarea unui compozit cu proprietati optime este necesar ca aderenta polimerului la agentul de ranforsare sa fie mare. In acest sens suprafata de contact trebuie sa fie maxima si sa existe posibilitatea ca polimerul sa acopere uniform ranforsantul. Pentru obtinerea unor forte de aderenta foarte mari apare necesitatea utilizarii agentilor de aderenta.

Masurarea fortelor de aderenta între polimer si ranforsant

Testele pentru determinarea aderentei între matricea polimerica si agentul de ranforsare se împart în doua categorii: determinarea aderentei între placi si dterminarea aderentei fibra - polimer.

Testele de aderenta între placi constau masurarea aderentei polimerului aflat între doua placi de sticla. In acest caz polimerul actioneaza ca un adeziv [9-11]. Acest test are avantajul ca este usor de realizat, usor de preparat si caracterizat suprafata sticlei si usor de observat fisurile la interfata.

Testele de aderenta fibra - polimer se realizeaza prin utilizare unui singur filament care este inglobat partial într-un cilindru de polimer. In acest caz se aplica forte externe asupra polimerului si asupra fibrei si se urmaresc fenomenele de la interfata [12-14]. Avantajele acestui mod de analiza sunt urmatoarele: geometric este aproape similar cu compozitele ranforsate cu fibra de sticla, fortele reziduale produse de întarirea polimerului sunt similare cu cele ce apar în compozite si initierea ruperii este mult mai realista. Discurile utilizate la acesta metoda au diametre de 1 - 4 mm. In figura nr 5.1. se poate observa forma curbelor rezultate prin analiza cu aceasta metoda.

Figura nr. Analiza aderentei fibra polimer prin metoda discului

Forta de aderenta între matricea polimerica si ranforsant este determinata de maximul de aderenta si aria suprafetei de contact. Se poate observa efectul fortelor de frictiune dupa aparitia desprinderii. Aceste forte se datoreaza tensiunilor reziduale din matricea polimerica generate de reticularea acesteia, si actioneaza ca forte de compresie perpendicular pe axa materialului de ranforsare. Efectul lor este slabirea aderentei polimerului la ranforsant si aparitia fisurilor. Daca aderenta la interfata este suficient de mare apare posibilitatea ca aceste tensiuni sa fie transmise fibrei si astfele sa se elimine posibilitatea aparitiei fisurilor.

Pentru elucidarea mecanismului de interfata polimer - ranforsant în cazul compozitelor ranforsate cu fibre de sticla s-au elaborat doua modele de actiune a tensiunilor asupra interfetei: trapezoidal (actiune de forfecare) si curb (actiune de comprimare). Modelul trapezoidal a fost elaborat pentru cazul în care la interfata are loc o rupere prin forfecare în momentul aplicarii unui efort normal pe axa fibrei [14]. Modelul curb considera cazul în care ruperea la interfata are loc nu prin forfecare ci prin deformare. O încarcare compresiva normala pe axa fibrei cauzeaza o expansiune circulara guvernata de raportul Poisson a polimerului. Când acest raport este mai mare pentru polimer decât pentru fibra de sticla (m_f ), expansiunea transversala a polimerului este mai mare decât a fibrei, si apar tensiuni interfaciale care pot fi calculate cu formula:

unde

S - forta de desprindere;

E - modulul de elasticitate;

m - raportul Poisson

f - se refera la materialul de ranforsare;

m - se refera la matricea polimerica.

Desprinderile produse pe modele s-au dovedit similare cu cele aparute în practica. Desprinderile de la interfata fibra - polimer pot fi observate vizual. Broutman [8] a masurat aderenta la interfata polimer - ranforsant comparativ pentru mai multe rasini poliesterice si epoxidice, si a tras urmatoarele concluzii:

-aderenta rasinilor epoxidice la fibrele de sticla este superioara celor poliesterice (4000 psi fata de 1000 psi);

-rezistenta la forfecare este mai mare decât rezistenta la rupere prin alungire pentru ambii polimeri;

-utilizarea unui agent de aderenta mareste rezistenta mecanica de 2 - 5 ori pentru poliesteri, dar nu are efect vizibil la rasinile epoxidice.

-în ambele cazuri efectul tensiunilor reziduale datorate reticularii este puternic, actionând normal si paralel cu axul fibrei;

-ambele metode de analiza: cu placi si cu disc, dau rezultate comparative în cazul rasinilor epoxidice si poliesterice.

Ruperea compozitelor la interfata polimer - ranforsant

Inainte de discutarea corelatiei dintre interfata matrice polimerica - ranforsant si ruperea materialului compozit, trebuie precizata valoarea tensiunilor interfaciale ce apar la rupere. De exemplu, în cazul unui compozit laminat din poliester armat cu fibre de sticla (50% volum), rezistenta la rupere prin alungire este de 50.000 psi. Incarcarea în fibra de sticla la rupere este de 96.000 psi, iar în matricea polimerica încarcarea în momentul ruperii este de 3650 psi. Tensiunile ce apar la interfata polimer - ranforsant includ tensiunile reziduale si tensiunile datorate încarcarii externe. Aceste tensiuni au fost calculate aproximativ de Broutman [8].

Rezistenta la forfecare la capatul filamentului este de 9600 psi, aparând ca efect al elasticitatii matricii polimerice care transmite filamentului încarcarea externa de compresie si alungire ce este aplicata compozitului. Tensiunile radiale care sunt generate în matricea polimerica actioneza perpendicular pe axa filamentului, având un efect de comprimare în cazul aplicarii unei alungiri sau de alungire în cazul aplicarii unei încarcari compresive. Tensiunile reziduale au valori cuprinse între 2800 si 5200 psi functie de distanta dintre fibre. Tensiunea de forfecare, la aplicarea unor încarcari de alungire si compresiune, si tensiunile reziduale sunt mai mari decât forta de aderenta, si contribuie semnificativ la determinarea rezistentei la rupere a compozitului.

Fisura se initiaza la interfata si se propaga în tot volumul compozitului înainte de ruperea finala [15]. Initierea ruperii are loc la contactul dintre doua filamente, unghiul de contact fiind ascutit. In acest caz s-a remarcat ca ruperea are loc la o încarcare de 80% din valoarea rezistentei la compresie a compozitului.

Prin utilizarea unor agenti de aderenta s-a remarcat o crestere substantiala a rezistentei la rupere a compozitelor. In cazul rasinilor poliesterice cresterea este de peste 40%, iar pentru rasinile epoxidice de aproximativ 25%. Rezultatele ce apar în cazul utilizarii agentilor de aderenta în compozitele poliesterice se datoreaza cresterii aderentei acestora la materialul de ranforsare. Rasinile epoxidice au o aderenta mult mai buna la materialul de ranforsare, de aceea rezistentele la rupere sunt mai mari la alungire si compresie; în acest caz efectul utilizarii agentilor de aderenta nefiind spectaculos [16]. Imbunatatirea rezistentei la rupere a compozitelor epoxidice nu are nimic de a face cu conditiile de interfata, dar prin utilizarea agentilor de aderenta se îmbunatateste protectia suprafetei compozitului.

Propagarea fisurii de la interfata polimer - ranforsant

Principalul motiv al aparitiei compozitelor este natura diferita a materialelor constituente. In acest caz este normal ca ruperea sa apara la interfata dintre cele doua materiale care au duritati si elasticitati diferite.

Cook si Gordon [17] au demonstrat importanta planelor de clivaj în unele materiale omogene. Aceasta teorie este aplicabila si materialelor compozite. Daca planul de clivaj este prezent el este normal pe planul de propagare a fisurii, interfata se poate desprinde si produce fisuri secundare care interfera cu fisura primara. Se considera ca materialul are rezistenta la rupere buna daca forta de aderenta la interfata este de 1/3 - 1/5 din forta de coeziune a materialului.

Fisura se propaga pe lânga materialul de ranforsare, la interfata, si se dezvolta prin separarea la interfata a materialelor. Daca forta de aderenta la interfata este comparativa cu forta de coeziune a polimerului, desprinderea fibrei are loc fara distrugerea planului interfetei perpendcicular pe directia de propagare a fisurii. Daca forta de aderenta este mult mai mica decât forta de coeziune a matricii polimerice, tensiunile paralele cu directia fisurii cauzeaza desprinderea interfetei în fata directiei de propagare a fisurii. Propagarea acestor fisuri secundare depinde de rezistenta mecanica, de tensiunile de la interfata si de energia de fracturare a suprafetei interfaciale. Propagarea fisurilor interfaciale poate cauza terminarea completa a fisurii primare si reinitierea la un alt nivel.

Figura nr. Efectul interfetei ranforsant - polimer în propagarea fisurii

a.      forta de aderenta egala cu forta de coeziune a matricii

b.     forta de aderenta mai mica decât forta de coeziune a matricii polimerice

Forta de aderenta în cazul compozitelor poliesterice este mai mica decât 1/5 din forta de coeziune a polimerului, iar în cazul compozitelor epoxidice mai mare. Forta de aderenta va fi afectata de prezenta unui agent de aderenta, care va modifica energia suprafetei interfaciale la rupere, si va afecta gradul de propagare a fisurilor secundare la interfata. Relatia între forta de aderenta si forta de coeziune a matricii este corecta pentru majoritatea materialelor în cazul propagarii la interfata a fisurilor primare.

Bibliografie

1. H.A. Clark, Bonding of Silane Coupling Agents in Reinforcement of Plastics, Modern Plastics, Nov. 1996, p 87.

2. S. Sterman, The Newer Silane Coupling Agents, 20^th Conf. SPI Reinforced Plastic Division, 1965

3. N.V. Trivissiono, The Effect of Glass Finishing Agents on the Strenght of Polyester-Fiberglass Laminates, 12^th Conf. SPI Reinforced Plastic Division, 1957

4. K. Ito, Evaluation of Glass Fiber Surface Treatment in Fabric-Reinforced Plastics, J. Polymer Sci., 45, 155 (1960)

5. B.M. Vanderbilt, Effectiveness of Coupling Agents in Plastic Materials Reinforcement, Modern Plastics, Nov 1996, p.79.

6. S. Sterman, A New Interpretation of the Glass Coupling Agents Surface Through Use Electronic Michroscopy, 19^th Conf. SPI Reinforced Plastic Division, 1964

7. E.P. Pleuddemann, Evaluation of New Silane Coupling Agents for Glass Fiber Reinforced Plastics, 17^th Conf. SPI Reinforced Plastic Division, 1962

8. L.J. Broutman, Glass Resin Joint Strenght and their Effect on Failure Mechanism in Reinforced Plastics, 22^th Conf. SPI Reinforced Plastic Division, 1966

9. J.A. Laird, Glass Surface Chemistry Relating to the Glass Finish Resin Interface, 19^th Conf. SPI Reinforced Plastic Division, 1964

10. N. Trivissono, Adhesion of Polyester Resin ot Treated Glass Surfaces, Ind. Eng. Chem., 50, 912 (1958).

11. T.D. Schlabach, Compression Shear Evaluation of Glass Resin Joint, 20^th Conf. SPI Reinforced Plastic Division, 1965

12. N. Dow, Enhancement of the Transverse Properties of Fibrous Compozites, 21^th Conf. SPI Reinforced Plastic Division, 1966

13. L.J. Broutman, Glass Resin Joint Strenght Studies, 17^th Conf. SPI Reinforced Plastic Division, 1962

14. R.D. Mooney, Resin Glass Bond Study, 14^th Conf. SPI Reinforced Plastic Division, 1959

15. L.J. Broutman, Failure Mechanism in Glass Reinforced Plastics Subjected to Staic Compression, Creep and Fatigue, 19^th Conf. SPI Reinforced Plastic Division, 1964

16. W.D. Bascom, Some Surface Chemical Aspects of Glass Resin Compozites, 20^th Conf. SPI Reinforced Plastic Division, 1965

17. J. Cook, A Mechanism for the Control of Crack Propagation in All Brittle Systems, 22^th Conf. SPI Reinforced Plastic Division, 1966