Силанови свързващи агенти в композитни материали
Въведение
Композитните материали стават все по-важни в съвременното инженерство поради високото си съотношение-към-тегло, отлична издръжливост и гъвкавост на дизайна. Тези материали се използват широко в индустрии като космическото, автомобилното производство, строителството и възобновяемата енергия.
Повечето композитни материали се състоят от два основни компонента: армиращи влакна и полимерна матрица. Подсилващите влакна осигуряват механична якост, докато полимерната матрица държи влакната заедно и разпределя напрежението в материала.
Постигането на силна връзка между тези два компонента обаче може да бъде предизвикателство. Усилващите влакна като стъклени влакна или въглеродни влакна обикновено са неорганични материали, докато полимерните матрици са органични вещества. Поради различните им химични свойства може да възникне лошо междуфазово свързване.
Силановите свързващи агенти се използват широко за подобряване на интерфейса между усилващи влакна и полимерни матрици, като значително подобряват работата на композитните материали.
Структура на композитни материали
Типичният композитен-композитен материал, подсилен с влакна, се състои от три основни елемента.
Усилващи влакна
Общите подсилващи влакна включват:
● Стъклени влакна
● Карбонови нишки
● Базалтови влакна
Тези влакна осигуряват механична якост и твърдост на композитния материал.
Полимерна матрица
Полимерната матрица свързва влакната заедно и прехвърля натоварванията между тях. Общите полимерни матрици включват:
● Епоксидни смоли
● Полиестерни смоли
● Винилестерни смоли
● Полиуретанови смоли
Интерфейс Fiber-Matrix
Интерфейсът между повърхността на влакната и полимерната матрица играе критична роля при определяне на цялостните механични характеристики на композита.
Ако междуфазовото свързване е слабо, преносът на напрежението между влакното и матрицата става неефективен, което води до намалени механични свойства
Роля на силанови свързващи агенти
Силанови свързващи агенти се използват за подобряване на химическата съвместимост между усилващите влакна и полимерните матрици.
Тези молекули съдържат два вида функционални групи:
■ Едната страна на молекулата съдържа хидролизируеми силанови групи, които могат да реагират с хидроксилни групи върху повърхности от неорганични влакна като стъкло или силициев диоксид.
■ Другата страна съдържа органични функционални групи, които могат да реагират с полимерната матрица.
Чрез тази двойна функционалност силановите молекули образуват химически мостове, които свързват повърхността на влакното с полимерната матрица.
Повърхностна обработка на армиращи влакна
При производството на фибростъкло силановите свързващи агенти обикновено се прилагат по време на процеса на оразмеряване на влакната.
Силановите молекули първо претърпяват хидролиза, за да образуват силанолни групи. Тези групи реагират с хидроксилни групи на повърхността на стъклените влакна, образувайки силни силоксанови връзки.
След като силановият слой е прикрепен към повърхността на влакното, органичните функционални групи взаимодействат с полимерната смола по време на втвърдяването на композита.
Този процес значително подобрява свързването между влакното и матрицата.
Подобрения в производителността на композитите
Използването на силанови свързващи агенти осигурява няколко важни ползи за ефективността.
Подобрена механична якост
По-доброто междинно свързване позволява ефективно прехвърляне на напрежението между влакната и полимерната матрица.
Подобрена устойчивост на влага
Влакната, обработени- със силан, помагат за намаляване на проникването на влага и предотвратяват разграждането на композитния интерфейс.
Подобрена устойчивост на умора
По-здравите интерфейси подобряват устойчивостта на многократно механично натоварване.
По-добра издръжливост
Силанови свързващи агенти подобряват дългосрочната -стабилност при излагане на околната среда.
Тези подобрения са от съществено значение за много структурни композитни приложения.
Индустриални приложения
Третираните със силан- композитни материали се използват в много отрасли.
Автомобилна индустрия
Подсилените-влакна композити се използват в компоненти на леки превозни средства за намаляване на разхода на гориво и подобряване на енергийната ефективност.
Вятърна енергия
Перките на вятърните турбини разчитат до голяма степен на композитни материали от фибростъкло със силно междуфазово свързване за издръжливост и структурна цялост.
Строителни материали
Композитни материали, подсилени със стъклени влакна, се използват в тръби, панели и структурни компоненти.
Аерокосмически приложения
Композитите от въглеродни влакна с оптимизирани интерфейси се използват широко в конструкциите на самолетите.
Използват се различни силанови свързващи агенти в зависимост от вида на полимерната матрица.
Амино силани
Тези силани обикновено се използват в системи от епоксидни смоли и композити от фибростъкло.
Епоксидни силани
Епокси{0}}функционалните силани се използват в епоксидни смоли и покривни системи.
Винилови силани
Винил-функционалните силани обикновено се използват в ненаситени полиестерни и полиетиленови системи.
Правилният избор на силанов химичен състав е важен за постигане на оптимално свързване.
Препоръчани продукти
За приложения на композитни материали обикновено се използват следните силанови свързващи агенти.
Този амино-функционален силан се използва широко в състави за оразмеряване на фибростъкло и епоксидни композитни системи.
Този епоксиден -функционален силан осигурява отлична съвместимост с матрици от епоксидна смола и подобрява междуфазовото свързване.
Заключение
Силановите свързващи агенти играят критична роля за подобряване на ефективността на композитни-композитни материали, подсилени с влакна. Като образуват химически мостове между подсилващите влакна и полимерните матрици, те подобряват механичната якост, издръжливостта и дългосрочната -надеждност.
Поради способността си да подобряват междуфазовото свързване, силановите свързващи агенти са се превърнали в основни добавки в съвременните технологии за композитни материали.
Тъй като търсенето на леки и високо{0}}ефективни материали продължава да нараства, силановата химия ще остане ключов компонент в разработването на усъвършенствани композитни системи.
