ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Поведение полимеров в гетерогенных системах из "Прочность и долговечность клеевых соединений Издание 2" К числу гетерогенных полимерных систем относятся различные наполненные полимеры, среди которых особое место занимают стеклопластики и слоистые пластики, клееные соединения, лакокрасочные покрытия. Во всех системах должна обеспечиваться прочная и долговечная связь материалов между собой, нарушение которой приводит к возникновению различных дефектов, по-разному влияющих на прочность материала и его эксплуатационные свойства. Так, отслаивание стеклянного волокна от связующего в стеклопластике приводит к локальному снижению прочности материала, которое не всегда отражается на его эксплуатационных свойствах. В то же время наличие непроклеенного или разрушенного участка в клеевом соединении может привести к разрушению конструкции. [c.66] Гетерогенные системы отличаются от гомогенных наличием, в частности, напряжений на границе раздела фаз, возникающих при формировании и эксплуатации системы. Эти напряжения увеличиваются из-за различия деформационных характеристик компонентов при действии температуры, влажности, в результате структурирования и деструкции при старении, при действии внешних нагрузок. [c.66] В соответствии с некоторыми молекулярными теориями прочности полимеров [1, 2, 58, 59], даже при чистом растяжении по мере увеличения плотности межмолекулярных связей прочность полимера должна проходить через максимум, соответствующий такому состоянию полимера, при котором обеспечивается возможность ориентации и включения в работу наибольшего числа макромолекул. [c.66] При действии нагрузки одновременно развиваются процессы разрушения и релаксации напряжений. Прочность материала зависит от соотношения скоростей этих процессов и при действии того или иного фактора может меняться немонотонно. Так, имеет место экстремальная зависимость прочности от степени полимеризации [60], плотности межмолекулярных химических и физических связей [1, 58—64], степени пластификации [65—68] вследствие увлажнения и действия растворителей [68—70] от скорости приложения нагрузок [1, 71] и температуры [4, 72]. Это было показано для вулканизатов различных каучуков [1, 59, 73], полиэфирурета-нов [74], фенольных, полиэфирных и других сетчатых полимеров [64, 75—77]. Наиболее прочны сетчатые полимеры с относительно большим расстоянием между узлами и высокой степенью ориентации [78]. Однако разрыв даже одной химической связи в полимерах значительно влияет на перераспределение напряжений [79]. [c.66] Указанные закономерности в равной степени относятся не только к кратковременной, но и к длительной прочности [80, 81]. Кроме того, отмечено немонотонное изменение предельных деформаций полимеров различного строения (бутадиен-стирольного каучука, поливинилхлорида, эпоксидных смол и др.) в зависимости от температуры и продолжительности действия нагрузки [1, 75]. В частности, у полиэпоксидов максимальные разрушающие деформации наблюдаются в области температуры стеклования. Экстремальный характер изменения разрушающих деформаций особенно проявляется для тех полимеров, прочность которых сильно зависит от продолжительности действия нагрузки. [c.67] Концентрация напряжений возникает в любых материалах, имеющих различные дефекты, участки с неоднородной структурой, надмолекулярные образования, содержащих наполнители [I, 82, 84—87], в том числе в полиэпоксидах [83]. [c.67] Структурная неоднородность, существующая в олигомерах, может меняться (но не исчезать ) во время отверждения. При этом образуется монолитный микрогетерогенный продукт, включающий сетчатые агрегаты, соединенные взаимопроникающими сетками, проходными цепями и т. п. [88]. В зависимости от режима отверждения фиксируются различные структуры, определяемые степенью совместимости полимера с олигомером, отвердителем и другими компонентами клея. Это отражается на физико-механических свойствах клея. Например, когезионная прочность пленок из эпоксид-но-тиокольного клея К-153 при отверждении при 20 °С составляет 32,5 МПа, после прогрева в течение 3 ч при 100 °С и последующего длительного (12 лет) хранения при 20 °С — 47 МПа, а после отверждения в течение 0,5 ч при 100 °С и такого же хранения — 50 МПа. Следовательно, оптимальная степень структурной неоднородности (или степени отверждения [54]) обеспечивается при сравнительно кратковременном прогреве. Изменение энергии разрушения полиэпоксидов и клеевых соединений на их основе зависит от изменения свойств матрицы, в которой распределены глобулярные включения [56]. [c.67] По мере роста коэффициента концентрации напряжений увеличивается скорость зарождения и прорастания трещин в клеевом соединении, что было показано на примере пары алюминий — эпоксидный клей при испытаниях на усталость [99]. Примерно 20% времени пребывания под нагрузкой тратится на зарождение и 80% — на рост трещины. [c.68] Роль напряжений на границе раздела фаз в разных гетерогенных системах различна. Усилие для повторного (после разрушения адгезионных связей) сдвига стеклянного волокна, окруженного полимером, зависит от остаточных напряжений и доходит до 70— 90% от первоначального [97]. В клеевых соединениях это может происходить только в редких случаях (соединения типа труба в трубе ). [c.68] Поскольку кроме радиальных усилий, способствующих повышению прочности адгезионного соединения, действуют осевые, а также касательные напряжения, работающие против адгезионных сил, результирующая прочность стеклопластиков и других гетерогенных систем, содержащих полимеры, которым свойственно наличие остаточных напряжений, обычно снижается. [c.68] Остаточные напряжения зависят от скорости релаксационных процессов [98], которая, в свою очередь, обусловлена молекулярной массой и строением полимера, наличием растворителя и пластификатора, условиями формирования полимера и т. д. Так как остаточные напряжения работают против сил молекулярного сцепления в клеевых швах и покрытиях, их действие, по существу, аналогично действию длительной нагрузки [100]. Соотношение между разрушающей нагрузкой и остаточными напряжениями обусловливает запас прочности покрытия или клеевого шва. Поскольку длительная прочность в несколько раз меньше кратковременной, остаточные напряжения могут привести к преждевременному разрушению клеевого шва или покрытия. Следовательно, нужно стремиться к увеличению соотношения между прочностью соединения и остаточными напряжениями. [c.68] Вернуться к основной статье