ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»

Кафедра физики твердого тела

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к подготовке к практическим занятиям (семинарам) № 1-6

по дисциплине «Теория и технологии процессов производства, обработки и переработки композиционных материалов

в изделиях» для студентов направления 150100.62 «Материаловедение и технология материалов» (профиль «Конструирование и производство изделий

из композиционных материалов») очной формы обучения

Воронеж 2015

Составитель канд. физ.-мат. наук А.В. Калгин

УДК 620.171.2

Методические указания к подготовке к практическим занятиям (семинарам) № 1-6 по дисциплине «Теория и технологии процессов производства, обработки и переработки композиционных материалов в изделиях» для студентов направления 150100.62 «Материаловедение и технология материалов» (профиль «Конструирование и производство изделий из композиционных материалов») очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. А.В. Калгин. Воронеж, 2015. 40 с.

В методических указаниях рассматриваются основные виды и методы контроля качества полимерных матриц, наполнителей и полимерных композиционных материалов на их основе. Обсуждены методы формования изделий из полимерных композиционных материалов.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2003 и содержатся в файле Прак. занятия № 1-6.doc.

Табл. 2. Ил. 20. Библиогр.: 16 назв.

Рецензент канд. физ.-мат. наук, доц. В.В. Ожерельев

Ответственный за выпуск зав. кафедрой

д-р физ.-мат. наук, проф. Ю.Е. Калинин

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

Ó ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015

Практическое занятие № 1

Теории адгезии

Цель работы: ознакомиться с теориями адгезии, объясняющими сцепление полимерных связующих с наполнителями в полимерных композиционных материалах.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Известно несколько теорий адгезии. Каждая из них была разработана для объяснения конкретных результатов физико-химических экспериментов по измерению адгезионной прочности соединения адгезив-субстрат на макрообразцах и изучению влияния на адгезионную прочность различных факторов.

1.1. Механическая (микрореологическая) теория адгезии

Основателем механической теории адгезии является Мак-Бен. Согласно этой теории, адгезия осуществляется за счет затекания адгезива в поры или трещины на поверхности субстрата с последующим затвердеванием. При этом считается, что между адгезивом и субстратом образуются «заклепки», связывающие компоненты адгезионного соединения путем механического заклинивания. Таким образом, прочность адгезионного соединения определяется пористостью субстрата и прочностью пленки адгезива.

Теория не объясняет адгезию непористых тел с гладкими поверхностями и не учитывает физико-химические свойства адгезива и субстрата.

1.2. Адсорбционная (молекулярная) теория адгезии

Адсорбционная теория адгезии разработана Дебройном и Мак-Лареном. Эта теория определяет адгезию как результат взаимодействия между адгезивом и субстратом за счет межмолекулярных сил (рис., а).

Схемы взаимодействия молекул адгезива с молекулами

склеиваемого тела в случае двух полярных молекул (а),

полярной и неполярной молекул (б) и двух неполярных

молекул (в)

Если вещество состоит из полярных молекул, то в конденсированном состоянии соседние молекулярные диполи ориентируются друг по отношению к другу противоположно заряженными полюсами, вследствие чего наблюдается их взаимное притяжение. Межмолекулярное взаимодействие, которое возникает при сближении полярных молекул, ориентированных относительно друг друга противоположно заряженными полюсами диполей, называется электростатичным (рис., а). Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна кубу расстояния между диполями. Тепловое движение молекул препятствует взаимной ориентации молекул, поэтому с ростом температуры ориентационный эффект ослабевает.

В случае веществ, состоящих из неполярных, но способных к поляризации молекул, наблюдается возникновение наведенных или индуцированных диполей. Под действием полярной молекулы неполярная молекула деформируется и в ней возникает (индуцируется) диполь. Индуцированный диполь притягивается к постоянному диполю полярной молекулы и в свою очередь усиливает электрический момент диполя полярной молекулы. Межмолекулярное взаимодействие, которое возникает между полярной и неполярной молекулами, причем первая деформирует электронное облако второй, называется индукционным (рис., б). Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна шестой степени расстояния между диполями.

Движение электронов в атомах, а также колебание ядер и связанное с этим непрерывное изменение взаимного положения электронов и ядер вызывают появление мгновенных диполей, причем ближайшие друг к другу участки соседних молекул оказываются заряженными противоположными знаками, что приводит к их притяжению. Межмолекулярное взаимодействие, которое возникает между двумя неполярными молекулами, называется дисперсионным (рис., в). Энергия такого взаимодействия обратно пропорциональна шестой степени расстояния между диполями.

1.3. Химическая теория адгезии

Теория рассматривает явление адгезии как результат химического взаимодействия компонентов адгезионного соединения. К химическим связям относятся ионные и ковалентные связи. Ковалентная связь образуется парой электронов, принадлежащих атомам адгезива и субстрата, и проявляется только после их контакта. Ионная связь возникает, когда электрон переходит с орбиты одного атома на орбиту другого. Если атом теряет электрон, то он становится положительно заряженным (катионом); если атом приобретает электрон, то он становится отрицательно заряженным (анионом). Электростатическое притяжение между катионами и анионами создает очень сильную связь.

1.4. Диффузионная теория адгезии

Адгезия, согласно предложенной С.С. Воюцким диффузионной теории адгезии, сводится к взаимной или односторонней диффузии молекул адгезива и субстрата. Согласно этой теории, на границе адгезив − субстрат образуется «спайка», то есть слой, в который входят молекулы адгезива и субстрата. Автор диффузионной теории считает, что для получения прочного соединения при склеивании необходимо, чтобы как адгезив, так и субстрат были либо полярные, либо неполярные. Однако наблюдаемая в отдельных случаях высокая адгезия между неполярным адгезивом и полярным субстратом не согласуется с основным положением диффузионной теории и требует других объяснений.

1.5. Релаксационная теория адгезии

При нанесении адгезива на субстрат происходит релаксация внутренних напряжений в адгезиве, в результате чего адгезив хорошо растелается и проникает в поры субстрата.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Теории адгезии полимера к наполнителю в полимерных композиционных материалах: механическая (микрореологическая), адсорбционная (молекулярная), химическая, диффузионная и релаксационная.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Богданова, Ю. Г. Адгезия и ее роль в обеспечении прочности полимерных композитов: учеб. пособие для студентов специальности «Композиционные наноматериалы» / Ю. Г. Богданова. – М: Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, 2010. – 68 с.

Практическое занятие № 2