填充塑料界面结构、界面作用机理

界面设计

在对填充塑料界面结构、界面作用机理及填充塑料破坏形式等问题有了进一步了解后,人们对填充塑料界面进行设计的必要性有了较深刻的理解。
填充塑料界面的黏结强度曾被误认为越高越好,实际上在不同的应用及受力场合,应该分别设计为不同的界面层结构和某一恰当的界面黏结力。

大量研究表明,通常填充塑料的界面黏结越好,则其层间剪切强度越高,但这时往往其冲击韧性又有所下降。

因为通常冲击能量的吸收和耗散是通过填充塑料中填料与树脂基体之间的界面脱粘、填料被拔出来实现的。填料与基体本身韧性不很好时,则在应力作用下,破坏过程中增长着的裂缝将容易扩展到界面,呈现脆性破裂。当然,若界面黏结太弱,在应力作用下,填充塑料会在裂缝增长之前呈现界面脱粘而破坏。此外,界面缺乏黏结力易存在空隙,则水分很容易渗透进填充塑料界面层导致强度大大下降。

根据填充塑料界面作用机理的变形层理论,在提高填料(尤其是纤维填料)与树脂基体之间界面黏结力同时又引入容易变形的界面层,则有可能同时提高填充塑料的层间剪切强度、抗冲击韧性及抗湿性能。也就是说,只有当界面层具有较低的模量(如树脂含有柔软的弹性链段)利于界面应力松弛时,才能协调平衡上述各项性能。

一般认为,界面设计除了上述力学性能匹配外,还应考虑下述因素。
(1)化学性能的匹配。例如填料与树脂基体之间反应官能团的相互作用,为此可有意识地进行化学改性,可增加或改变某种官能团。
(2)酸、碱性的匹配。调节填料与树脂基体的酸、碱性,使之能相互作用而达到强化界面的作用。
(3)热性能的匹配。热膨胀系数及导热率的匹配是保证界面应力低的基本条件,虽然对给定的填料一树脂体系,热性能的匹配并不一定理想,但可通过界面层的设计加以调整。
(4)物理几何形貌的匹配。为强化界面黏结,对填料几何形貌及比表面积进行设计很重要,应用也很普遍。例如填料的超细化可显著增加其比表面积。又如填料表面的粗化可加强与树脂的机械啮合作用。
(5)物理一化学性能的匹配。按表面热力学原理,基体树脂的表面张力小于填料的表面张力有利于树脂在填料表面的包覆,并易于形成完善的界面黏结。因此表面能、表面张力的匹配与调整,在界面设计中也应给予充分的注意。

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