Литература
Промышленные полимерные композиционные материалы: Пер. с англ. / Под ред. М. Ричардсона. - М.: Химия, 1980. - 472 с.
Менсон Дж., Сперлинг Л. Полимерные смеси и композиты. М.: Химия, 1979. – 440 с.
Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн. Кн. 1. / Под ред. Дж. Любина: Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1988. - 448 с.
Принципы создания композиционных полимерных материалов / А.А. Берлин и др. - М.: Химия, 1990.- 240 с.
Наполнители для полимерных композиционных материалов /Под ред. Г.С.Каца и Д.В.Милевски. – М.: Химия, 1081. – 736 с.
Т. Фудзии, М. Дзако. Механика разрушения композиционных материалов: Пер. с японского. - М.: Мир, 1982. - 232 с.
2 Композиции и Адгезия полимеров
Свойства полимерных композиционных материалов определяются совокупностью многих факторов. Композиционный материал состоит из нескольких фаз, между которыми имеется граница. Поэтому одним из важнейших факторов, определяющих свойства КМ, является эффективность взаимодействия между фазами, называемый адгезия. При приложении нагрузки на композиционный материал с низкой адгезией между фазами разрушение будет происходить по границе раздела фаз. Какими бы прочными не были сами фазы, при низкой адгезии между ними композиция будет обладать заведомо низкими прочностными свойствами.
2.1 Работа адгезии
Что такое адгезия? Существует несколько взаимодополняющих определений.
Адгезия - молекулярная связь, возникающая между поверхностями разнородных тел, приведенных в контакт [1].
Адгезия - термодинамическая работа, которую необходимо совершить для разделения в равновесных условиях двух приведенных в контакт разнородных тел [1].
Имеется родственное адгезии понятие когезия. Когезия - это адгезия тела самого к себе.
Для образования молекулярной связи разнородные тела должны быть сближены до расстояния действия молекулярных сил (несколько ангстрем). Для такого сближения по всей поверхности необходимо, чтобы хотя бы одно из тел было жидкостью. При образовании адгезионной связи между жидкостью и твердым телом жидкость называют адгезивом, а твердое тело – субстратом. После образования адгезионной связи жидкость может быть переведена в твердое состояние за счет охлаждения или "сшивки". При этом молекулярная связь между телами полностью или частично сохраняется.
Понятие адгезии самым непосредственным образом связано с поверхностной энергией тел. Поверхностное натяжение (или свободная поверхностная энергия) - это энергия, которую необходимо затратить для образования единицы новой поверхности.
При образовании адгезионной связи вместо двух поверхностей раздела, принадлежащих приводимым в контакт телам, возникает одна новая – между этими телами. Следовательно, поверхностная энергия поверхностей двух тел исчезает и появляется энергия вновь образовавшейся поверхности. На основании этого и закона сохранения энергии равновесную работу адгезии рассчитывают исходя из поверхностного натяжения тел:
Wa = 1 + 2 - 12 (2.1)
где: Wa – работа адгезии, 1 и 2 – поверхностные натяжения фаз 1 и 2, 12 – поверхностное натяжение между фазами 1 и 2.
Померить величину поверхностного натяжения твердого тела и межфазное натяжение между жидкостью и твердым телом сложно. В этом случае адгезию можно определить исходя из такого явления как смачивание (рис. 2.1).
Для капли, находящейся в равновесии на твердой поверхности, равенство сил поверхностного натяжения запишется как:
т-ж + ж-гСоs = т-г (2.2)
где т-г - равновесное поверхностное натяжение твердого тела; ж-г - равновесное поверхностное натяжение жидкости; т-ж - межфазное поверхностное натяжение на границе раздела твердое тело - жидкость; - угол смачивания.
ж-г
газ
жидкость
твердое тело т-ж т-г
Рис. 2.1 Силы поверхностного натяжения, действующие на каплю жидкости на твердой поверхности.
Из уравнений (2.1) и (2.2) следует равенство Дюпре – Юнга:
Wа = ж-г (1 + cos ) (2.3)
Таким образом, если известно поверхностное натяжение жидкости, то для определения работы адгезии этой жидкости к поверхности достаточно померить угол смачивания твердой поверхности этой жидкостью. Однако померить этот угол можно только для капельных жидкостей, обладающих небольшой вязкостью. Для высоковязких расплавов полимеров этот угол померить невозможно, а в результате невозможно определить и термодинамическую работу адгезии полимера к твердой поверхности.