Существуют ли КМФ на самом деле?

15.08.2015

Чтобы ответить на вопрос, поставленный в заголовке этого раздела, следует принять во внимание следующие доказательства обладания КМФ двумя базовыми компонентами композитного материала: изотропную матрицу и усиливающие элементы. Кроме того, можно ожидать проявления эффекта самоусиления некоторых свойств, чаще всего механических свойств, по сравнению со свойствами чистых исходных материалов. Иначе говоря, следует обратиться к стадиям приготовления, схематически показанным на рис. 33.1.
В какой степени две определяющих стадии приготовления КМФ, то есть фибриллизация и изотропизация, эффективны? Ответ можно найти на рис. 33.2, где показаны рентгенограммы широкоуглового рассеяния (ШУРР) для смеси полиэтилентерефталата (ПЭТ) с температурой плавления Tm = 260 °C и полибутилентерефталата (ПБТ) с Tm = 225 °С.
Можно видеть, что после смешения, экструзии и холодной вытяжки как ориентация, так и кристалличность были очень низкими (рис. 33.2, а). Они резко улучшаются после отжига при 220 °C с закрепленными концами. Эта рентгенограмма (рис. 33.2, b), типичная для высокоориентированного кристаллического полимера демонстрирует присутствие фибрилл двух компонентов ПЭТ и ПБТ в соответствие со схемой рис. 33.1, b.
Рентгенограмма рис. 33.2, с также указывает на высокую кристалличность, но теперь это высокоориентированная фаза (ПЭТ) в изотропной матрице (ПБТ). Иногда эти два полимера дают почти идентичные рентгенограммы ШУРР, так что сделанные выше заключения можно вывести только из температур плавления; то есть ПБТ при 240 °C находится в расплавленном состоянии, при котором происходит изотропизация, а кристаллизация имеет место при последующем охлаждении. Дополнительное подтверждение сделанного вывода можно обнаружить при наблюдении за другими системами, например, за ПЭТ и полиамидом 6 (ПА-6). Присутствие наблюдаемой кристаллической фазы в изотропном состоянии (на рис. 33.2. с для ПБТ и для ПА-6 в виде круговых рефлексов) показывает, что мы имеем дело действительно с изотропной матрицей, что является результатом конечной технологической стадии (рис. 33.1, с).
Самое убедительное свидетельство существования микрофибрилл, усиливающих изотропную матрицу, дала сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) при исследовании КМФ на основе смесей ПЭТ и ПА-6 (1:1 по весу) (рис. 33.3). Микрофотографии показывают поверхности образцов после селективного удаления ПА-6 муравьиной кислотой.
Отверстия на рис. 33.3, а, ранее занятые частицами ПА-6 в изотропной смеси (до холодной вытяжки), отражают схему рис. 33.1, а. Весьма совершенные, разделенные фибриллы ПЭТ видны после вытяжки и удаления матрицы ПА-6 (рис. 33.3, b). Te же самые фибриллы, но уже не свободные, а образовавшие агрегаты после длительного (25 часов) отжига при 240 °С, можно видеть на рис. 33.3, с. Причины последнего изменения мы обсудим в следующем разделе.
Наконец, механические свойства (то есть прочность на разрыв σ и модуль на растяжение Е) смесей ПЭТ, ПБТ, ПА-6 и полиамида-66 (ПА-66) различных составов, испытанные после основных стадий приготовления КМФ, графически показаны на рис. 33.4.
Видно, что как с, так и E резко возрастают после вытяжки экструдированных смесей, имеющих свойства, характерные для невытянутого (изотропного) ПА-6: затем они приближаются (как в случае Е; рис. 33.4, b) или даже превосходят (как в случае о, рис. 33.4, а) величины для усиливающих компонентов (то есть ПЭТ или ПА-66) в вытянутом состоянии. Как и ожидалось, последующий шаг изотропизации (отжиг при 240 °C в течение 4 часов) ведет к небольшому (для Е) или значительному (для σ) уменьшению этих величин, но важным моментом на этом этапе является то, что мы имеем дело с композитным материалом (свойства которого, очевидно, лучше, чем свойства чистой матрицы), а не с вытянутой смесью. Кроме того, механические свойства на этой стадии примерно одинаковые или слегка превышают (в зависимости от состава КМФ) значения, измеренные в усиленном короткими стеклянными волокнами (CB) ПА-6 (ПА-6 + 30% CB на рис. 33.4). Далее следует заметить, что величины для КМФ на 30-40% выше, чем рассчитанные по правилу смесей, исходя из свойств индивидуальных компонентов (изотропного ПА-6 и вытянутого ПЭТ); то есть в механических свойствах проявляется эффект самоусиления.
Существуют ли КМФ на самом деле?
Существуют ли КМФ на самом деле?
Существуют ли КМФ на самом деле?