Для оценки изменения длины стекловолокна при деформировании подходит метод выжигания полимерной матрицы, поскольку температура плавления стекловолокна значительно выше, чем температура выжигания полимера.
Нами была исследована степень измельчения рубленого стекловолокна с исходной длиной волокон 4500 мкм и диаметром 11 мкм в зависимости от содержания волокна в композициях. Результаты статистической обработки результатов экспериментов с помощью программы «Fibershape» представлены на рис. 4 в виде данных о фракционном составе стекловолокна в полиамиде после экструзии. В связи с электропроводностью углеродной волокна, данный метод нельзя было использовать для оценки его длины.
Известно что, когда длина волокна в композите ниже критической матрица не может передать волокну нагрузку достаточную для его разрушения [13]. Критическую длину волокна определяли по формуле:
,
где Lcr ? критическая длина волокна; Df ? диаметр волокна; уf ? предел прочности волокна; фmat? предел текучести полимерной матрицы.
Рис. 4 - Длина волокон после экструзии композиций на основе полиамида 1010 наполненных рубленым стекловолокном
Очевидно, что при средней начальной длине рубленых стеклянных волокон 4500 мкм при приготовлении композиций происходит практически десятикратное уменьшение их длины при всех дозировках стекловолокна. На рисунке 4 показано, что наиболее интенсивное разрушение волокна происходит при наибольшем содержании стекловолокна. Процент волокон с длиной ниже критической увеличивается от 60% до 86,6%, также значительно снижается содержание волокон длиннее 750 мкм, с содержанием стекловолокна от 10 до 40 % мас. Скорее всего, этим явлением и объясняется снижением темпов роста предела текучести для композиций содержащих стекловолокно.
Выводы и рекомендации
Таким образом, проведенные исследования показывают, что композиции на основе биобазированного полиамида 1010, наполненного рублеными стеклянными, углеродными и целлюлозными волокнами, показывают конкурентоспособные физико-механические характеристики. Композиции, наполненные стекловолокном, имеют более низкий уровень модуля упругости при растяжении и изгибе по сравнению с композициями, содержащими углеволокно, но превышают их по показателям предела текучести, особенно при высоких степенях наполнения. Для композиций с углеволокном характерен достаточно высокий уровень прочностных свойств и более высокая устойчивость к тепловой деформации. Композиции с комбинацией целлюлозных и углеволокон имеют промежуточные свойства и привлекательны с точки зрения снижения веса и стоимости конструкций.
Показаны зависимости вязкости от содержания углеродного и стеклянного волокна в композиции. А также что большее содержание волокна способствует увеличению количества волокон с длиной ниже критической для стеклонаполненных композиций.
Литература
1. Faruk O. et al. Biocomposites reinforced with natural fibers: 2000-2010 //Progress in Polymer Science. - 2012. - Т. 37. - №. 11. - С. 1552-1596.
2. Gesner B. D. Encyclopedia of Polymer Science and Technology, Vol. 10 //Interscience, New York. - 1969. - с. 694.
3. Michael Niaounakis, Biopolymers: applications and trends, (Elsevier Inc., 2015) - с. 604
4. Yang J. et al. Crystallization and crosslinking of polyamide?1010 under elevated pressure //Journal of applied polymer science. - 2002. - Т. 83. - №. 12. С. 2522-2527.
5. Kuciel S., Koџniar P., Liber-Kneж A. Polyamides from renewable sources as matrices of short fiber reinforced biocomposites //Polimery. - 2012. - Т. 57. - №. 9. - С. 627-634.
6. Feldmann M., Bledzki A. K. Bio-based polyamides reinforced with cellulosic fibres-processing and properties //Composites Science and Technology. - 2014. - Т. 100. - С. 113-120.
7. Zhang S. L. et al. Impact properties, phase structure, compatibility, and fracture morphology of polyamide?1010/thermoplastic poly (ester urethane) elastomer blends //Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. - 2005. - Т. 43. - №. 10. - С. 1177-1185.
8. Feldmann M., Heim H. P., Zarges J. C. Influence of the process parameters on the mechanical properties of engineering bio composites using a twin-screw extruder //Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. - 2015 - Т. 83. - С. 113-119.
9. Feldmann, M., Ph. D. Thesis, Universitдt Kassel/Germany; 2013
10. Inceoglu F. et al. Correlation between processing conditions and fiber breakage during compounding of glass fiber?reinforced polyamide //Polymer Composites. - 2011. - Т. 32. - №. 11. - С. 1842-1850.
11. Bumm S. H., White J. L., Isayev A. I. Glass fiber breakup in corotating twin screw extruder: Simulation and experiment //Polymer Composites. - 2012. - Т. 33. - №. 12. - С. 2147-2158
12. Thomason J. L. Structure-property relationships in glass?reinforced polyamide, part 1: The effects of fiber content //Polymer composites. - 2006. - Т. 27. - №. 5. - С. 552-562.
13. Кербер М. Л. и др. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие //СПб.: Профессия. - 2008. - Т. 560.