Introduktion
Fenolhartserär värmehärdande material som bildas från kondensationsreaktioner mellan fenolföreningar och aldehyder, oftast fenol och formaldehyd. Dessa material används i kompositsystem där termiskt beteende, brandprestanda, dimensionsstabilitet eller kemikaliebeständighet kan vara relevant.
Härdade fenolhartssystem kan uppvisa relativt spröda brottbeteende, även om detta beror på hartskemi, formulering och härdningsförhållanden. Den starkt tvärbundna nätverksstrukturen som ger termisk och kemisk resistens begränsar också molekylär rörlighet, vilket kan påverka sprickbeteendet.
Matrisseghet vs sammansatt brottmotstånd
Seghetsrelaterade prestanda måste tolkas i enlighet med den materialnivå och testmetod som beaktas. Flera distinkta begrepp är relevanta:
Matrisseghet avser deformationen och energiabsorptionsbeteendet hos den härdade matrisen före brott.
Brottseghetsparametrar är specifika brottmekaniska egenskaper som mäts under definierade prov- och testförhållanden.
Slagtestning karakteriserar material- eller provsvar under snabb belastning.
Kompositbrottmotstånd och skadetolerans gäller beteendet hos hela kompositsystemet.
Dessa mätningar beskriver olika aspekter av materialbeteende, så förbättring av en egenskap motsvarar inte nödvändigtvis förbättring i en annan.
Gummi, kemiska, flerfasiga polymerer och utvalda nanopartikelstrategier förändrar primärt den matris- eller matrisinnehållande fasen, medan fiberarkitektur och gränsytbeteende primärt påverkar sprickresponsen hos den kompletta kompositen.
Gummimodifiering
Gummimodifiering är ett väl studerat tillvägagångssätt för härdningfenolhartssystem. Elastomer modifiering har undersökts som ett sätt att modifiera påverkan och brottbeteende i utvalda fenolformuleringar.
De observerade effekterna beror på gummikemi, morfologi, dispersion, gränsytbeteende, härdningsförhållanden, belastning och testmetod. Dispergerade gummidomäner kan förändra lokala spänningsfält och sprickutbredningsbeteende. De involverade mekanismerna beror på den specifika harts-gummimorfologin och formuleringen.
Gummibelastning kan påverka bearbetningsbeteende, styvhet och termiskt beteende, så lämplig nivå måste utvärderas för den specifika formuleringen.
Fiberförstärkning och kompositfrakturbeteende
Fiberförstärkning modifierar i första hand brottbeteendet och skadetoleransen för den kompletta kompositen snarare än den inneboende segheten hos den härdade fenolmatrisen. Olika fiberarkitekturer används, inklusive korta fibrer, kontinuerliga fibrer, vävda förstärkningar och ovävda förstärkningar, beroende på applikationskrav.
Ifiberförstärkta fenolkompositer, flera mekanismer kan bidra till frakturmotstånd:
Fiberbryggning kan bidra till brottmotstånd när fibrer spänner över en utvecklande spricka och motstår spricköppning.
Där gränssnittsavbindning och glidförhållanden tillåter, kan fiberutdragning bidra till energiabsorption.
Sprickvägar kan också omdirigeras av fibrer eller gränssnitt.
Sprickbeteendet hos en fiberarmerad komposit beror på faktorer inklusive armeringsarkitektur, orientering, volymfraktion, gränsytbeteende, laddningsläge och tillverkningsprocess. Gränssnittsegenskaper påverkar lastöverföring och brottbeteende. Kopplingsmedel och ytbehandlingar kan användas för att modifiera fiber-matris-gränsytans beteende.
Kemisk och flerfasig modifiering
Kemisk modifiering
Kemisk modifiering kan förändra strukturen och det mekaniska svaret hos det härdade fenolnätverket. Modifieringar avsedda att ändra frakturrelaterat beteende kan också påverka styvhet, termiskt beteende, härdningsegenskaper eller bearbetbarhet.
Cardanol och andra cashewnötter-skal-vätskehärledda komponenter har undersökts som modifierare i fenolsystem. Det resulterande mekaniska och termiska beteendet beror på sammansättning och härdningsförhållanden.
Interpenetrerande polymernätverk
Ett interpenetrerande polymernätverk (IPN) innefattar två eller flera polymernätverk som är åtminstone delvis sammanflätade i molekylär skala, inte är kovalent bundna till varandra och inte kan separeras utan att bryta kemiska bindningar. En blandning av separat förformade polymernätverk är inte i sig ett IPN.
Ett semi-interpenetrerande polymernätverk innehåller ett eller flera polymernätverk tillsammans med en eller flera linjära eller grenade polymerer som penetrerar nätverksstrukturen i molekylär skala.
Beroende på sammansättning, morfologi och bearbetningsförhållanden kan IPN- eller semi-IPN-arkitekturer förändra balansen mellan mekaniskt, termiskt och sprickbeteende i fenolinnehållande system.
Nanopartikelmodifiering
Nanopartiklar har undersökts som modifierare ifenolhartssystem. Deras effekter beror på partikelkemi, belastning, dispersion, ytegenskaper och interaktioner med matrisen.
Dispersionskvalitet kan påverka beteendet hos nanopartikelmodifierade system. Ytbehandling och spridningsstrategi kan påverka kompatibilitet och prestanda.
Nanopartiklar kan förändra sprickförökningsbeteendet beroende på spridning och interaktioner mellan gränsytan. Styvhet, styrka och seghet är distinkta egenskaper och kan reagera olika på modifiering.
Utvärdering av seghetsrelaterade prestanda
Karakterisering av slag och brott
Charpy- eller Izod-testning kan användas för att jämföra stötresponsen under definierade prov- och testförhållanden. Slagprovning och brottmekanisk testning ger olika typer av karakteriseringsdata och är inte utbytbara.
Single-edge-notched bend (SENB)-konfigurationer kan användas för brottmekanisk karakterisering enligt en tillämplig polymertestmetod. Giltigheten av rapporterade brottseghetsparametrar beror på provets geometri, materialrespons och testförhållanden.
För lämpliga laminerade kompositer kan metoder med dubbla fribärande strålar (DCB) användas för Interlaminär brottkarakterisering av Mode I. End-notched-flexure-metoder (ENF) kan användas för Interlaminär frakturkarakterisering av Mode II av lämpliga laminat. För laminerade kompositer där delamineringsbeständighet är ett designproblem, kan interlaminär brottkarakterisering vara särskilt relevant.
Stödjer mekanisk och viskoelastisk karakterisering
Drag- och böjtestning kan användas för att utvärdera förändringar i styrka och styvhet i samband med en modifiering. Dessa mätningar kompletterar seghetsrelaterade karakteriseringar genom att identifiera avvägningar mellan mekaniska egenskaper.
Dynamisk mekanisk analys (DMA) kan ge information om viskoelastisk respons och glasövergångsrelaterat beteende. DMA tillhandahåller stödjande termomekanisk karakterisering snarare än brottseghetsdata.
Formuleringsavvägningar
Utvärdering bör beakta effekter på styvhet, styrka, termiskt beteende, härdningsbeteende, viskositet, bearbetbarhet, tillverkningskompatibilitet och kostnad.
Flera tillvägagångssätt kan kombineras, men deras interaktioner bör utvärderas experimentellt för det specifika materialsystemet.
Slutsats
Toughening-relaterad prestanda ifenolhartskompositerkan modifieras på både matris- och kompositnivå. Tillvägagångssätt för gummi, kemiska, flerfasiga polymerer och nanopartiklar påverkar i första hand den matrishaltiga fasen, medan förstärkningsarkitektur och gränsytbeteende primärt påverkar sprickresponsen hos den kompletta kompositen.
Den lämpliga strategin beror på målegenskaperna, materialsystemet, bearbetningsvägen och applikationskraven. Slag-, brott-, mekanisk- och viskoelastisk karakterisering bör därför väljas i enlighet med den prestandafråga som utvärderas.
Referenser
- Chang, S., Wang, X., Zhang, G., Zhao, F.-G., Pei, K., & Yang, X. (2024). Möjliggör härdning av fenolharts och värmebeständig: taktik och senaste framsteg.Polymer,315, 127782. DOI: 10.1016/j.polymer.2024.127782
- Kaynak, C., & Cagatay, O. (2006). Gummihärdning av fenolharts genom användning av nitrilgummi och aminosilan.Polymertestning,25(3), 296-305. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2006.01.004
- Ma, HY, Wei, GS, Liu, YQ, Zhang, XH, Gao, JM, Huang, F., Tan, BH, Song, ZH, & Qiao, JL (2005). Effekt av elastomera nanopartiklar på egenskaperna hos fenolharts.Polymer,46(23), 10568-10573. DOI: 10.1016/j.polymer.2005.07.103
- Huong, NL, Nieu, NH, Tan, TTM och Griesser, UJ (1996). Kardanol-fenol-formaldehydhartser. Termisk analys och karakterisering.Tillämpad makromolekylär kemi,243, 77-85. DOI: 10.1002/apmc.1996.052430107
- Alemán, J., Chadwick, AV, He, J., Hess, M., Horie, K., Jones, RG, Kratochvíl, P., Meisel, I., Mita, I., Moad, G., Penczek, S., & Stepto, RFT (2007). Definitioner av termer relaterade till struktur och bearbetning av soler, geler, nätverk och oorganiskt-organiska hybridmaterial (IUPAC Recommendations 2007).Ren och tillämpad kemi,79(10), 1801–1829. DOI: 10.1351/pac200779101801
- Clyne, TW, & Hull, D. (2019).En introduktion till kompositmaterial(3:e upplagan). Cambridge University Press. DOI: 10.1017/9781139050586
- Internationella standardiseringsorganisationen. (2018).ISO 13586:2018, Plast - Bestämning av brottseghet (GIC och KIC) - Linjär elastisk frakturmekanik (LEFM).
- ASTM International. (2021).ASTM D5528/D5528M-21, standardtestmetod för läge I interlaminär brottseghet för enkelriktad fiberförstärkt polymermatriskomposit. DOI: 10.1520/D5528_D5528M-21
- ASTM International. (2019).ASTM D7905/D7905M-19, standardtestmetod för bestämning av Mode II interlaminär brottseghet hos enkelriktad fiberförstärkt polymermatriskomposit. DOI: 10.1520/D7905_D7905M-19