Exploration of Titanium-Based Fine-Particle Additive Influence on Cohesive and Adhesive Strength Enhancement in Epoxy-Polymer Composites

Оксана Барановська; Геннадій Баглюк; Андрій Букетов; Олександр Сапронов; Дмитро Барановський

doi:10.15330/pcss.25.3.453-460

Автор(и)

Оксана Барановська Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, м. Київ, Україна
Геннадій Баглюк Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, м. Київ, Україна
Андрій Букетов Херсонська державна морська академія, м. Херсон, Україна
Олександр Сапронов Херсонська державна морська академія, м. Херсон, Україна
Дмитро Барановський Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, м. Київ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.25.3.453-460

Ключові слова:

композит, полымер, порошок, наповнювач, структура, міцність, адгезія, епоксидна смола

Анотація

Досліджено вплив дисперсного порошкового наповнювача на фізико-механічні властивості модифікованої ультразвуковою обробкою вихідної епоксидної матриці. Змінюючи вміст наповнювача від 5% до 60% (мас.), виявлено оптимальну концентрацію для формування епоксидних композитів з поліпшеними механічними властивостями. Введення наповнювача у кількості 5 % (мас.) приводить до максимуму значення ударної в’язкості (W = 18,47 кДж/м²), в той час, коли значення руйнівних напружень при згинанні мають найнижчий рівень σ_зг = 51,75 МПа. Доведено, що наповнення композитів дисперсними частками у кількості q = 10 % (мас.) забезпечує підвищення руйнівних напружень при згинанні до σ_зг = 74,85 МПа та ударної в’язкості до W = 17,42…18,47 кДж/м². Подальше збільшення вмісту наповнювача в складі композиту до 20 – 60 % призводить до деякого зменшення величини руйнівних напружень, рівень яких, однак, все ще помітно перевищує рівень міцності вихідної матричної фази. Найбільше значення адгезійної міцності σ_a = 33,4 МПа досягається при введенні 20 % (мас.) дисперсного наповнювача, але при даному наповненні залишкові напруження становлять 0,34 МПа. При введенні модифікатора у кількості q = 10 % (мас.) адгезійна міцність при відриві – σ_a = 28,6 МПа, що вище у 1,15 рази за значення вихідної епоксидної смоли. Водночас слід зазначити, що введення модифікатора у кількості q = 10 мас.ч. зумовлює зниження залишкових напружень від σ_res = 1,4 МПа (для вихідної епоксидної матриці) до σ_res= 1,0 МПа. Збільшення вмісту дисперсної складової до q = 40-60 % (мас.) призводить до помітного зменшення рівня адгезійної міцності, а також до зростання залишкових напружень, які становлять σ_res = 0,62…0,69 МПа відповідно.

Посилання

composites, Materials Research Express, 6(5), 687 (2019); https://doi.org/10.1088/2053-1591/aaff12/.

S.V. Ulegin, Yu.A. Kadykova, S.E. Artemenko, and S.A. Demidova, Basalt-filled epoxy composite materials, International Polymer Science and Technology 41(5), 57 (2014); https://doi.org/10.1177/0307174X1404100513.

A. Kasgoz, D. Akin and A. Durmus, Rheological and mechanical properties of cycloolefin copolymer/organoclay nanocomposites, Journal of Reinforced Plastics and Composites, 31, 1329 (2012); https://doi.org/10.1177/0731684412461190.

V. Beloshenko, Y. Voznyak, A. Voznyak and B. Savchenko, New approach to production of fiber reinforced polymer hybrid composites, Composites Part B: Engineering, 112(1), 22 (2017); https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2016.12.030.

P. Mohan, A critical review. The modification, properties, and applications of epoxy resins, Polymer-Plastics Technology and Engineering 52, 107 (2012); https://doi.org/10.1080/03602559.2012.727057.

Jean-Pierre Pascault, R.J.J. Williams, Epoxy Polymers, New Materials & Innovations (Wiley-VCH: Weinheim 2010).

N.R. Paluvai, S. Mohanty, S.K. Nayak, Synthesis and Modifications of Epoxy Resins and Their Composites: A Review, Polymer-Plastics Technology and Engineering, 53, 1723 (2014); https://doi.org/10.1080/03602559.2014.919658/.

A.A. Berlin (Ed.). M.L. Kerber, V.M. Vinogradov, G.S. Golovkin et al. Polymer Composite Materials. Properties. Structure. Technologies (Profession, St. Petersburg, 2009).

K.M. Sanjay, Composites Manufacturing, Materials, Products, & Process Engineering (Taylor & Francis, Washington, DC 2002).

A.K. Srivastava and P. Mohan, Synthesis reaction and properties of modified epoxy resins, Journal of Macromolecular Science, Part C, 4, 687 (1997); https://doi.org/10.1080/15321799708009653.

H. Farzana and H. Mehdi, Review article, polymer matrix nanocomposites, processing, manufacturing, and application: An overview, Journal of Composite Materials, 40, 1511 (2006); https://doi.org/10.1177/0021998306067321.

N. Saba, M. Jawaid, Hybrid Polymer Composite Materials: Properties and Characterisation (Woodhead Publishing 2017).

Ch. Wu, Fan Xu, Hu.Wang, Hong Liu, Feng Yan and Chao Ma, Manufacturing Technologies of Polymer Composites—A Review, Polymers, 15(3), 712 (2023); https://doi.org/10.3390/polym15030712.

R. Hsissou, R. Seghiri, Z. Benzekri, et al, Polymer composite materials. A comprehensive review, Composite Structures, 262, 113640 (2021); https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113640.

Farzana Hussain, Mehdi Hojjati, Masami Okamoto, and Russell E. Gorga, Review article, polymer matrix nanocomposites, processing, manufacturing, and application: An overview, Journal of Composite Materials, 40, 1511 (2006); https://doi.org/10.1177/0021998306067321.

D. Dixon, P. Lemonine, J. Hamilton, et al., Graphene oxide–polyamide 6 nanocomposites produced via in situ polymerization, Journal of Thermoplastic Composite Materials, 28(3), 372 (2015); https://doi.org/10.1177/0892705713484749.

A.V. Buketov, G.A. Bagliuk, O.M. Sizonenko, O.O. Sapronov, S.O. Smetankin & A.S. Torpakov, Effect of Particulate Ti–Al–TiC Reinforcements on the Mechanical Properties of Epoxy Polymer Composites, Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 61, 586 (2023); https://doi.org/10.1007/s11106-023-00347-8.

G.A. Baglyuk, O.V. Baranovska, A.V. Buketov, O.O. Sapronov, S.O. Smetankin, O.M Bykov, D.I. Baranovskyi, Physicomechanical Properties and Structure of Multicomponent Titanium-Matrix-Base Alloy Dispersion Epoxy Composites, Strength of Materials, 55, 534 (2023); https://doi.org/10.1007/s11223-023-00546-z.

A. Allaoui, S. Bai, H. M. Cheng and J.B. Bai, Mechanical and electrical properties of a MWNT/epoxy composite, Composites Science and Technology, 62(15), 1993 (2003); https://doi.org/10.1016/S0266-3538(02)00129-X.

R. Potluri, P. Nallagatla, and R. Korati, Effect of Boron Carbide Particles on the properties of Kevlar49 Fiber Reinforced Polymer Composites, Materials Today: Proceedings, 18(1), 230 (2019); https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.06.296.

A. Kasgoz, D. Akin and A. Durmus, Rheological and mechanical properties of cycloolefin copolymer/organoclay nanocomposites, Journal of Reinforced Plastics and Composites, 31, 1329 (2012); https://doi.org/10.1177/0731684412461.

Y. Songlan, Zheng-Ming Sun, Hitoshi Hashimoto, Formation of Ti3SiC2 from Ti-Si-TiC powders by pulse discharge sintering (PDS) technique, Materials Research Innovations, 7, 225 (2003); https://doi.org/10.1007/s10019-003-0255-1.

G.A. Bagliuk, O.V. Suprun, A.A. Mamonova, The Influence of Synthesis Temperature on the Phase Composition and Structure of Ternary Compounds Produced from TiH2–Si–C Powder Mixtures, Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 58(1-2), 1 (2019); https://doi.org/10.1007/s11106-019-00040-9.

A. Patnaik, A. Satapathy, S.S. Mahapatra, and R.R. Dash, A Comparative Study on Different Ceramic Fillers Affecting Mechanical Properties of Glass—Polyester Composites, Journal of Reinforced Plastics and Composites, 28(11), 1305 (2008); https://doi.org/10.1177/0731684407086589.

B. Turcsanyi, B. Pukanszky, F. Tudos, Composition dependence of tensile yield stress in filled polymers, Journal of Materials Science Letters, 7, 160 (1988); https://doi.org/10.1007/BF01730605.

H.-L. Dai, C. Mei, Y.-N. Rao, A novel method for prediction of tensile strength of spherical particle-filled polymer composites with strong adhesion, Polymer Engineering and Science, 57(2), 137 (2017); https://doi.org/10.1002/pen.24393.