Образец для определения прочности адгезионной связи армирующих нитей и полимерного связующего и способ его изготовления

Изобретение относится к области создания полимерных композиционных материалов и композитных силовых конструкций и может быть использовано для определения прочности адгезионной связи разных видов армирующих нитей и полимерных связующих. Предлагается образец для определения прочности адгезионной связи армирующих нитей и полимерного связующего, выполненный в виде соединенных нитей, согласно изобретению нити образуют Т-образный элемент, имеющий фиксированную площадь соединения, который заключен в прямоугольную двухслойную пластину из прокладочного материала с продольной прорезью до ее середины, в которой с минимальным зазором размещена нить вместе со склейкой, а участки до прорези другой нити эластичным клеем закреплены между слоями прокладочного материала, при этом толщина пластины из прокладочного материала превышает толщину склейки. В способе изготовления образца для определения прочности адгезионной связи армирующих нитей и полимерного связующего, включающем пропитку нитей связующим и их соединение, согласно изобретению намотку нитей проводят под углом 90° на оправку с прокладочным материалом, имеющую положительную кривизну при увеличенном натяжении нитей, или на плоскую оправку с последующим приложением контактного давления, и приклеиванием наружного слоя прокладочного материала. Технический результат - обеспечение простоты, и высокой производительности изготовления образцов, стабильности результатов их испытаний. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области создания полимерных композиционных материалов и композитных силовых конструкций, и может быть использовано для определения прочности адгезионной связи разных видов армирующих нитей и полимерных связующих.

Известны устройства образцов для определения адгезионной связи (адгезии) моноволокон и связующих, а также способы их изготовления, представленные в книге «Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология» под общей редакции академика Берлина А.А., издательство «Профессия» Санкт-Петербург, стр. 168, 2008 год, включающей устройства следующих образцов:

- по методу «pull-out» образец представляет моноволокно, участок которого вертикально закреплен в пленке связующего. Образец изготавливает путем нанесения капли связующего на участок вертикально расположенного моноволокна;

- по методу «трех волокон» образец представляет вертикально расположенное моноволокно между двумя горизонтальными волокнами, место контакта которых скреплено связующим. Образец изготавливают в специальном приспособлении, закрепляющем горизонтальные и вертикальные волокна, для их соединения в зону контакта наносят каплю связующего;

- по методу «microbond» образец представляет моноволокно с нанесенным на него связующим в виде капли, которое выдергивают из капли с использованием ограничителей. Образец изготавливают в специальной форме, обеспечивающей закрепление моноволокна и образования капли связующего.

Недостатками представленных устройств являются необходимость изготовления и испытания большого количества образцов вследствие когезионного разрушения самих моноволокон, а не их выдергивания из связующего, а также неточность определения площади контакта волокон со связующим, дающие высокую погрешность результатов испытания.

Известен образец-аналог определения адгезии волокна к связующему по авторскому свидетельству СССР SU 1280499 A1 G01 опубликованного 30.12.86 г. бюллетень №48, выполненного в виде волокна, охваченного пояском адгезива, и второго волокна, удерживающего адгезив, имеющего форму петли, охватывающей поясок адгезива.

Недостатками данного аналога являются: получение нестабильного качества склейки волокон связующим, обусловленное отсутствием возможности обеспечения на разных образцах одинакового натяжения при образовании петли, а также высокая повреждаемость петлеобразующего волокна, приводящая к его когезионному разрушению.

Наиболее близким по своим признакам, принятым за прототип, является образец для определения прочности адгезионного соединения, представленный в статье «Оценка прочности адгезионной связи волокно-термопластичная матрица метолом петли», Котомин С.В., «Инженерный журнал: наука и инновации» 2015, выпуск 12, URL: http://engjournal.ru/catalog/msm/pmcm/1426.html [по состоянию на 01.02.2018].

Данный образец представляет соединение петлей двух пропитанных связующим нитей с образованием полимерной оболочки, обеспечивающей адгезионный контакт волокно-полимер-волокно.

Способ изготовления данного образца включает пропитку нитей полимерным связующим и их соединение методом петли.

Недостатками данного образца (прототипа) являются: 1 - повреждаемость жестких волокон в нити при образовании петли вокруг нити, условный диаметр которой не превышает 1.0 мм; 2 - нестабильность площади контакта нитей из-за их переменной формы, что особенно проявляется при использовании некрученых нитей; 3 - появление наплывов связующего в зоне петли; 4 - использование термопластичного связующего.

Задачей предназначаемого изобретения является разработка нового устройства (образца) для определения прочности адгезионной связи и способа его изготовления, которые позволяют получить не только качественную оценку прочности, но и ее количественное значение за счет обеспечения в образце фиксированной, и легко замеряемой площади контакта из разных видов высокомодульных углеродных, арамидных, и стеклянных нитей, и полимерных связующих, при этом обеспечивается простота, и высокая производительность изготовления образцов, стабильность результатов их испытаний.

Изготовление образцов осуществляется методом «мокрой» намотки с использованием серийно выпускаемых нитей из высокомодульных углеродных, арамидных, стеклянных и др. волокон.

Сущность изобретения заключатся в том, что входящие в устройство образца нити образуют Т-образный элемент, имеющий фиксированную площадь соединения, который заключен в прямоугольную двухслойную пластину из прокладочного материала с продольной прорезью до ее середины, в которой с минимальным зазором размещена нить вместе со склейкой, а участки до склейки другой нити эластичным клеем закреплены между слоями прокладочного материала, при этом толщина пластины из прокладочного материала превышает толщину склейки.

Изготовление образца из пропитанных нитей проводят намоткой нитей на оправку с прокладочным материалом под углом 90° с последующим приклеиванием наружного слоя прокладочного материала, при этом:

- намотку нитей проводят на оправку с положительной кривизной при увеличенном натяжении нитей, или на плоскую оправку с последующим приложением контактного давления;

- одну или две нити подкручивают с числом кручений до 5,0 круток на сантиметр;

- между нитями в месте их соединения дополнительного закладывают клеевую прослойку.

Представленная совокупность признаков на образец и способ его изготовления является достаточной и необходимой для реализации представленного технического решения, распространяющегося на разные виды армирующих нитей из углеродных, арамидных, стеклянных, и др. волокон, и полимерных связующих, используемых для производства КМ.

В представленном на фиг. 1 образце соединенные друг с другом под углом 90° нити 1 заключены в пластину 3 с прорезью, при этом одна нить вместе со склейкой 2 размещена в прорези пластины с минимальным зазором 4 от краев прорези, участки другой нити эластичным клеем закреплены между слоями прокладочного материала, толщина которых превышает толщину склейки 2.

Представленное устройство образца позволяет определять прочность адгезионной связи на разрывной машине со скоростью перемещения зажима 5 мм/мин. Размещение нитей в двухслойной пластине из прокладочного материала (картон, прорезиненная ткань и др.) с прослойкой из эластичного клея, обеспечивает надежное закрепление образца без передавливание нити зажимным усилием, и, главное, стабильный характер разрушения образца от сдвига по месту склейки.

Площадь склейки определяется шириной соединяемых нитей, и отнесенная к предельной нагрузке разрушения, дает значение прочности адгезионной связи.

Как правило, среднее значение прочности определяют на нескольких образцах, количество которых зависит от разброса значении полученных результатов при испытании. Поэтому, при необходимости, способ изготовления образца может быть распространен на одновременное изготовление серии образцов. В качестве полимерного связующего в образцах используют термореактивные эпоксидные и термопластичные связующие.

В качестве примера способа изготовления образца для определения адгезионной связи пропитанные углеродные нити линейной плотности 380 текс эпоксидным связующим под углом 90° наматывают на оправку с прокладочным материалом и приклеивают наружный слой прокладочного материала.

Намотку нитей проводят на оправку с радиусом кривизны 750 мм при натяжении нитей 5% от разрывной нагрузки нитей.

Намотку нитей проводят на плоскую оправку с последующим приложением контактного давления 0,6 атм.

Перед намоткой углеродные нити подкручивают с числом кручений 3,0 крутки на 1 см.

В процессе намотки между нитями в месте их соединения закладывают клеевую прослойку (пленочный клей).

Эффективность данного способа заключается в том, что изготовление образца осуществляется по широко распространенной технологии методом намотки на оправку с использованием разных видов армирующих нитей и полимерных связующих.

Контактное давление для соединения нитей на оправке с положительной кривизной задается за счет натяжения, при использовании плоской оправки - путем подпрессовки. Для обеспечения стабильной площади склейки и увеличения их прочности, и жесткости - нити подкручивают.

Введение между нитями клеевой прослойки позволяет определить прочность ее адгезионной связи.

Таким образом разработанное устройство - образец для определения прочности адгезионной связи и способ его изготовления позволяет проводить исследования взаимодействия с полимерными связующими армирующих нитей из высокомодульных углеродных, синтетических, стеклянных, базальтовых, кремнеземных и др. волокон, оценку влияния их поверхностной обработки, типа аппретов и замасливателей, а также осуществлять входной контроль поступающей серийной продукции.

1. Образец для определения прочности адгезионной связи армирующих нитей и полимерного связующего, выполненный в виде соединенных нитей, отличающийся тем, что нити образуют Т-образный элемент, имеющий фиксированную площадь соединения, который заключен в прямоугольную двухслойную пластину из прокладочного материала с продольной прорезью до ее середины, в которой с минимальным зазором размещена нить вместе со склейкой, а участки до прорези другой нити эластичным клеем закреплены между слоями прокладочного материала, при этом толщина пластины из прокладочного материала превышает толщину склейки.

2. Способ изготовления образца для определения прочности адгезионной связи армирующих нитей и полимерного связующего, включающий пропитку нитей связующим и их соединение, отличающийся тем, что намотку нитей проводят под углом 90° на оправку с прокладочным материалом, имеющую положительную кривизну при увеличенном натяжении нитей, или на плоскую оправку с последующим приложением контактного давления и приклеиванием наружного слоя прокладочного материала.

3. Способ изготовления образца для определения прочности адгезионной связи армирующих нитей и полимерного связующего по п. 2, отличающийся тем, что одну или две нити подкручивают с числом кручений до 5 круток на 1 см.

4. Способ изготовления образца для определения прочности адгезионной связи армирующих нитей и полимерного связующего по пп. 2, 3, отличающийся тем, что между нитями в месте их соединения закладывают клеевую прослойку.