авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

Совершенствование технологии производства композиционных материалов на основе древесных наполнителей и костры льна

-- [ Страница 3 ] --

В уравнениях (11,12) одним из аргументов является краевой угол смачивания (cos), с помощью которого характеризуется физико-химическое взаимодействие контактирующих фаз. При этом предполагается, что поверхность твердого тела представляет идеально гладкую, однородную по химическому составу, недеформируемую плоскость. Однако поверхность древесных материалов, а также костры льна, ни одному из перечисленных факторов не соответствует. Природные однолетние и многолетние растения (например, древесина, костра) в силу своего анатомического строения являются высокопористыми субстратами. Так содержание полостей в древесине ели составляет 72, сосны – 67, березы – 61, дуба – 57, бука – 55, лиственницы – 64%. То есть на долю самого древесного вещества приходится от 28 до 45% от общего объема древесины. Зависимость краевого угла смачивания от пористости может быть описана соотношениями вида:

в случае, когда клей не смачивает стенки пор (>90)

cos п = т · cos р – п; (16)

в случае, когда клей смачивает стенки пор (<90)

cos п = т · cos р + п, (17)

где п – краевой угол на пористой поверхности; р – равновесный краевой угол на гладкой однородной поверхности; т – доля твердой фазы (древесного вещества); п – доля пор.

Поверхность древесных материалов никогда не бывает идеально гладкой, а покрыта многочисленными неровностями различной формы, размеры которых варьируются в широких пределах от нескольких межатомных расстояний до десятков микрон, а в отдельных случаях до нескольких миллиметров. Шероховатость твердой поверхности характеризуется ее микрорельефом, который представляет сложное хаотическое чередование разнообразных выступов и впадин. Для характеристики микрорельефа используют коэффициент шероховатости К, который представляет отношение фактической площади поверхности (с учетом площади впадин и выступов) к проекции на горизонтальную плоскость. Из определения коэффициента очевидно, что К > 1.

Зависимость краевого угла смачивания от коэффициента шероховатости определяют по уравнению Венцеля-Дерягина

cos ш = К · cos р, (18)

где ш – угол смачивания на шероховатой поверхности.

Из этого уравнения следует, что в отсутствии смачивания (>90) увеличение шероховатости приводит к увеличению краевого угла ш. Если клей смачивает данный материал (90 > > 0), то увеличение коэффициента шероховатости вызывает уменьшение краевого угла ш. При достаточно большом коэффициенте шероховатости К > (1/cos ) и < 90 выполняется термодинамическое условие полного смачивания.

При использовании клеев в виде растворов происходит набухание поверхностного слоя древесины, приводящее к изменению формы поверхности (изгиб, микровыступы). При смачивании поверхности древесины водой выполняется следующее условие деформирования

>> 1, (19)

где ж – поверхностное натяжение воды; Е – модуль упругости древесины в радиальном направлении; d – толщина деформированного слоя ( 10-5см).

Анализ этого уравнения показывает, что с увеличением степени деформирования краевой угол уменьшается. Отсюда следует вывод, что использование водных растворов олигомеров в качестве клеев для склеивания древесных материалов будет иметь при прочих равных условиях преимущество перед клеями, не вызывающими деформации поверхностного слоя.

Таким образом, изучение влияния указанных факторов на термодинамические свойства позволит дать количественную оценку зависимости прочностных свойств клеевого соединения от вида наполнителя, качества обработки поверхности и влажности.

При производстве композиционных материалов на основе костры с использованием традиционных технологий не удается получить высоких физико-механических характеристик, что связано с большей (по сравнению с древесными наполнителями) удельной поверхностью частиц, а также особенностями формирования адгезионного контакта. Согласно условию (14) для оценки возможности эффективного совмещения костры льна с синтетическими олигомерами необходимо оценить величины их поверхностных натяжений.

В экспериментальной части работы для определения поверхностного натяжения исследуемых адгезивов применялся метод отрыва кольца с помощью чувствительных четырехдиапазонных торсионных весов WТW. При этом исследовались традиционно применяемые для склеивания карбамидоформальдегидная и фенолформальдегидная смолы.

Графические зависимости влияния количества добавляемого модификатора (бутанола-1) на поверхностное натяжение исследуемых адгезивов представлены на рис. 2. Введение бутанола и других спиртов в синтетические смолы способствует снижению их поверхностного натяжения, при этом несколько уменьшается и вязкость, что положительно сказывается на процессе смачивания ими костры льна.

Графические зависимости влияния количества добавляемого в смолу модификатора (бутанола-1) на краевой угол смачивания субстратов представлены на рис. 3-4.

В работе оценка величины поверхностного натяжения субстратов (т) осуществлялась по результатам изучения равновесия трех фаз – твердой, жидкой и газообразной, на основе смачивания твердого тела жидкостями в воздушной среде.

 Влияние количества модификатора-5

Рис. 2. Влияние количества модификатора (бутанола-1) на поверхностное

натяжение адгезивов

Рис. 3. Влияние количества модификатора (бутанола-1), добавляемого в смолу КФН-66,

на краевой угол смачивания

Рис. 4. Влияние количества модификатора (бутанола-1), добавляемого в смолу СФЖ-3014, на краевой угол смачивания

Этот метод может быть реализован на основе установления взаимосвязи поверхностного натяжения и краевых углов смачивания.

т = ж (1+ соs ), (20)

где ж – поверхностное натяжение жидкости (адгезива), МДж/м2; т – поверхностное натяжение твердого тела (субстрата), МДж/м2; – краевой угол смачивания, град.

Установленная зависимость (20) была использована для предварительной оценки величины поверхностного натяжения костры льна. В расчетах использовались известные величины поверхностного натяжения и косинусы краевых углов смачивания, определенные для основных древесных пород при смачивании рассмотренными адгезивами, а также величины поверхностного натяжения адгезивов, модифицированных бутанолом.

Исследование краевого угла смачивания костры льна синтетическими олигомерами проводились с использованием микроскопа МБС-10, позволяющего определить размеры капли адгезива, нанесенной на поверхность субстрата.

Таким образом, расчетное поверхностное натяжение костры, определенное теоретическим методом оказалось на уровне 44-45 МДж/м2. Определение поверхностного натяжения костры льна было произведено также с позиций термодинамической трактовки теории адгезии путем графической оценки взаимосвязи косинуса краевого угла смачивания и поверхностного натяжения адгезивов, представленных на рис. 6,8.

К=0% К= 1% К=2%
а
б
в

Рис. 5. Вид капель смолы КФН-66

на субстратах:

а – береза; б – сосна; в – костра льна

(К – количество модификатора)

Рис. 6. Зависимость косинуса краевого угла смачивания от поверхностного натяжения смолы КФН-66, модифицированной бутанолом:

1 – береза; 2 – сосна; 3 –костра льна

К=0% К= 1% К=2%

png" alt=" а б в Вид капель смолы-13">
а
б
в

Рис. 7. Вид капель смолы СФЖ-3014

на субстратах:

а – береза; б – сосна; в – костра льна

(К – количество модификатора)

Рис. 8. Зависимость косинуса краевого угла смачивания от поверхностного натяжения смолы СФЖ-3014, модифицированной бутанолом:

1 – береза; 2 – сосна; 3 – костра льна


В отличие от работ других исследователей, получены уточненные математические зависимости косинуса краевого угла смачивания от поверхностного натяжения адгезивов в виде полиномов второй степени с величиной достоверности аппроксимации не менее 0,9:

- для карбамидоформальдегидного олигомера КФН-66:

а) субстрат – береза соs = 5,92465911 – 0,16633503 ж + 0,00132169 ж2;

б) субстрат – сосна соs = 3,58877944 – 0,08886598 ж + 0,00069532 ж2;

в) субстрат – костра соs = 5,60552926 – 0,16182875 ж + 0,00128637 ж2;

- для фенолформальдегидного олигомера СФЖ-3014:

а) субстрат – береза соs = 4,44744325 – 0,10672727 ж + 0,00071985 ж2;

б) субстрат – сосна соs = 3,49966865 – 0,07954155 ж + 0,00053666 ж2;

в) субстрат – костра соs = 4,06621758 – 0,10326984 ж + 0,00070770 ж2.

Фактическое поверхностное натяжение костры льна определено экстраполированием кривой линии, выражающей зависимость cos = f () до значения cos = 1, при котором происходит полное смачивание. Таким образом, поверхностное натяжение костры составило 45 МДж/м2. Для достижения полного смачивания и высокой адгезии необходимо, чтобы полимерные составы, применяемые для ее осмоления, имели поверхностное натяжение до 45 МДж/м2. Поверхностное натяжение исследуемых клеевых составов приближается к поверхностному натяжению костры при условии модифицирования карбамидоформальдегидной смолы бутанолом в количестве 1,5%; при модифицировании фенолформальдегидной смолы бутанолом в количестве 2%, что позволяет обеспечить полное смачивание костры при осмолении и высокую адгезию.

Для оценки адгезионного взаимодействия, а также для определения рационального количества вводимого бутанола при модификации клеевых составов рассчитана величина работы адгезии на основе (11).

В данном уравнении не учитывается величина межфазного взаимодействия субстрата с адгезивом, поэтому расчет работы адгезии не является точным. Для повышения точности расчета необходимо учесть межфазное взаимодействие с помощью введения коэффициента пропорциональности b, имеющего величину tg угла наклона прямой, выражающей зависимость cos = f(ж), к оси абсцисс.

При этом зависимость косинуса краевого угла смачивания от поверхностного натяжения адгезива имеет вид

cos = 1 – b·(ж – кр), (21)

где кр – критическое значение поверхностного натяжения адгезива, при котором обеспечивается полное смачивание, МДж/м2.

Подставив данную зависимость в уравнение Дюпре-Юнга, получим

Wа = ж (2 + b·кр) – b·ж2. (22)

Зависимость (25) представляет уравнение параболы, вершина которой находится при следующем значении поверхностного натяжения адгезива

ж = + 0,5·кр. (23)

При этом максимальная работа адгезии определяется зависимостью вида

Wа max = + кр + 0,25·b·кр2. (24)

Коэффициент пропорциональности b определим как тангенс угла наклона графических зависимостей cos=f(ж), построенных по значениям для модифицированных составов на участках, описание которых возможно в виде прямых зависимостей (рис. 9).

В итоге получены уравнения для расчета работы адгезии

– для карбамидоформальдегидного олигомера:

Wа береза = ж (2 + 0,06·49) – 0,06·ж2 = 4,94· ж – 0,06·ж2 ;

Wа сосна = ж (2 + 0,045·47) – 0,045·ж2 = 4,115· ж – 0,045·ж2 ;

Wа костра = ж (2 + 0,065·45) – 0,065·ж2 = 4,925· ж – 0,065·ж2.

– для фенолформальдегидного олигомера:

Wа береза = ж (2 + 0,039·49) – 0,039·ж2 = 3,911· ж – 0,039·ж2 ;

Wа сосна = ж (2 + 0,03·47) – 0,030·ж2 = 3,41· ж – 0,03·ж2 ;

Wа костра = ж (2 + 0,058·45) – 0,058·ж2 = 4,61· ж – 0,065·ж2.

На рис. 10 представлена графическая интерпретация зависимости работы адгезии от поверхностного натяжения адгезивов.

а б

Рис. 9. Зависимость косинуса краевого угла смачивания от поверхностного натяжения: а – карбамидоформальдегидной смолы; б –фенолформальдегидной смолы: – субстрат береза; 2 – субстрат сосна; 3 – субстрат костра льна

 а б Зависимость работы-23  а б Зависимость работы-24
а б

Рис. 10. Зависимость работы адгезии от поверхностного натяжения

а – карбамидоформальдегидной смолы; б – фенолформальдегидной смолы

1 – субстрат береза; 2 – субстрат сосна; 3 – субстрат костра льна

Проведенные расчеты и построенные графические зависимости свидетельствуют о повышении работы адгезии при использовании модифицированных клеевых составов.

Экспериментально подтверждено, что физико-механические характеристики готовых материалов при модификации спиртами существенно увеличиваются (табл.1).

Таблица 1

Сравнительные свойства костроплит

Количество модификатора (бутанола), % Плотность плиты, кг/м3 Предел прочности при изгибе, МПа Предел прочности при перпендикулярном отрыве, МПа Разбухание по толщине, % Водопогло-щение, %
на основе смолы КФН-66
0 740 12,15 0,23 37,6 95
1 732 18,21 0,57 29 79
1,5 738 19,98 0,59 26,1 74,1
2 729 21,07 0,57 25,8 72,2
на основе смолы СФЖ-3014
0 740 11,0 0,26 32,1 81,2
1 738 16,3 0,46 25,2 68,1
1,5 745 18,4 0,52 7,5 39,0
2 748 18,8 0,55 6,4 35,6
3 754 16,8 0,48 8,8 40,3

В работе рассмотрены также способы повышения смачивающей способности синтетических олигомеров путем совмещения их с поливинилацетатной дисперсией, в состав которой входят эмульгатор – поливиниловый спирт и пластификатор – дибутилфталат. Эти вещества действуют как поверхностно-активные и способствуют снижению поверхностного натяжения модифицированного клеевого состава, приближая его к поверхностному натяжению костры.

Закономерности отверждения и поведения модифицированных клеев в твердом состоянии изучались с позиций реологии полимеров.

Характерной особенностью процесса структурирования клеев является развитие внутренних напряжений, которые являются результатом давления, возникающего при росте глобул, связанных друг с другом в жесткую пространственную сетку. Внутренние напряжения, возникающие в клеевой прослойке – явление достаточно общее в адгезионных системах. В самом общем виде внутренние напряжения являются мерой незавершенности релаксационных процессов и зависят от числа, природы и характера распределения локальных связей в системе.

Реологические свойства модифицированных клеевых композиций на основе синтетических олигомеров исследовались после их полного отверждения с применением консистометра Хепплера.

В качестве примера на рис. 11 представлены временные зависимости относительных деформаций для исследованных клеевых составов на основе

1 – КФН-66; 2 – КФН-66+1% бутанола; 3 – КФН-66+2% бутанола; 4 – КФН-66+3% бутанола 1 – КФН-66; 2 – КФН-66+10% ПВА, 3 – КФН-66+20% ПВА; 4 – КФН-66+30% ПВА  – береза; 2 – сосна; 3 – костра льна -27
  1. – береза; 2 – сосна; 3 – костра льна
Рис. 11. Деформационные кривые
смолы КФН-66 и наполнителей композиционных материалов. На основе полученных данных рассчитаны основные реологические характеристики – модуль упругости, модуль относительной медленной эластической деформации, равновесный модуль эластичности и др. Для достижения высокого качества склеивания необходимо, чтобы реологические свойства субстрата превышали соответству-ющие реологические свойства адгезива. Анализ полученных данных показал, что модули упругости и эластичности костры льна меньше, чем модули упругости и эластичности древесных пород и отвержденных синтетических олигомеров. При введении бутанола модули упругости и эластичности отвержденных клеевых композиций приближаются к соответствую-щим значениям для костры льна.


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.