плівки з несумісних полімерів поліметилметакрилат полістирол мають низьку адгезію і межслоевой міцність. Використання сополімерів покращує адгезію між шарами і міцність при розшаруванні багатошарових плівок. Переплетення шарів внаслідок порушення регулярності морфології також підвищує межслоевой міцність. Для випробування плівок з низькою межслоевой міцністю доцільно використовувати метод кручення. Фрикційне мікроскопія поверхні розшарування плівок дозволяє виявити механізм зчеплення між шарами.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Котоміна Сергій Володимирович, Соллогуб Кирило Петрович


Adhesion strength in multilayer polymer films

Multilayer films from uncompatible polymers polymethylmetacrilate -polystyrene have poor adhesion and interlayer strength. Application of copolymers enhances adhesion between layers and delaminating strength. Intersection of layers as a result of irregular morphology also improves delamination strength. For test of multilayer films with poor interlayer strength the torsion technique is recommended. Frictional microscopy of delaminated surfaces reveals mechanism of interlayer bond in films.


Область наук:
  • нанотехнології
  • Рік видавництва діє до: 2014
    Журнал
    Інженерний журнал: наука та інновації
    Наукова стаття на тему 'адгезійної міцності В БАГАТОШАРОВИХ ПОЛІМЕРНИХ ПЛІВКАХ'

    Текст наукової роботи на тему «адгезійної міцності В БАГАТОШАРОВИХ ПОЛІМЕРНИХ ПЛІВКАХ»

    ?УДК 678.01: 539.6

    Адгезійна міцність в багатошарових полімерних

    плівках

    © С.В. Котомін1, К.П. Соллогуб2

    1 МГТУ ім. Н.е. Баумана, Москва, 105005, Росія

    2 ПІММ-кнам ПаріТех 75013 Париж, Франція

    Плівки з несумісних полімерів поліметилметакрилат - полістирол мають низьку адгезію і межслоевой міцність. Використання сополімерів покращує адгезію між шарами і міцність при розшаруванні багатошарових плівок. Переплетення шарів внаслідок порушення регулярності морфології також підвищує межслоевой міцність. Для випробування плівок з низькою межслоевой міцністю доцільно використовувати метод кручення. Фрикційне мікроскопія поверхні розшарування плівок дозволяє виявити механізм зчеплення між шарами.

    Ключові слова: полімери, плівки, адгезія, фрикційна мікроскопія.

    Вступ. Багатошарові полімерні плівки становлять інтерес, оскільки на їх основі можна створювати матеріали із заданими бар'єрними і оптичними властивостями. Сучасні технології багатошарової мультиплікації дозволяють виготовляти плівки з числом шарів до декількох тисяч і товщиною окремих складових шарів менш десятка нанометрів. Приклад технологічної схеми формування багатошарових плівок можна знайти в роботі [1].

    Для багатошарових плівок, отриманих з несумісних полімерів, характерний низький адгезионное взаємодія між шарами, і тому межслоевой міцність таких матеріалів також виявляється низькою, що призводить до легкого розшарування і руйнування матеріалу в цілому і викликає труднощі при випробуванні та використанні плівки.

    Метою цієї роботи було визначення можливості підвищення межслоевой міцності багатошарових плівок за допомогою різних методів оцінки межслоевой міцності.

    Експериментальна частина. Як об'єкти дослідження були використані плівки на основі поліметилметакрилату (ПММА марки Altuglas V920T виробництва Arkema), полістиролу (ПС марки 1370 виробництва Total), полікарбонату (ПК марки Lexan 123R виробництва Sabic) і сополімеру СБМ (триблок стирол-бутадієн-метилметакрилат виробництва Arkema) . Склад плівок наведено в таблиці.

    Склад і структура багатошарових плівок

    Склад плівки, Число елементів Число полімерних

    % (Мас.) Мультиплікатора шарів

    90 ПMMA / 10 ПС 0 3

    90 ПMMA / 10 ПС 10 2049

    90 ПК / 10 СБМ 9 1025

    Температура екструзії плівки 240 ° C, товщина плівки ~ 0,7 мм.

    Найбільш широко для дослідження міцності при розшаруванні плівок використовується метод ТПіл-тест (T Peel-Test), що полягає у відриві шарів при розтягуванні решт в нормальному до осі плівки напрямку на розривної машині [2].

    Випробування плівок на ТПіл-тест проводили на розривної машині INSTRON 4301 зі швидкістю розтягування 0,5 мм / хв (мінімально можлива швидкість переміщення траверси для даного типу обладнання).

    Обговорення результатів. На рис. 1 приведена фотографія зразка при випробуванні, а на рис. 2 представлені результати випробування трьох типів плівок. Слід зазначити, що розшарування плівок з низькою міцністю між шарами відбувається вже на стадії закріплення плівки в захопленнях машини.

    Мал. 1. Зразок плівки в затискачах випробувальної машини

    100 ^

    10,

    1,

    0,1 -J

    15

    Переміщення, мм Рис. 2. Залежність зусилля розшарування плівки від переміщення для плівок ПММА-ПС з трьома шарами (7) і 2049 шарами (2) і для плівки ПК-СБМ (3)

    Як видно з рис. 2, міцність при розшаруванні багатошарової плівки ПММА-ПС в 2 рази перевищує аналогічний показник для тришарової плівки. Для плівок ПК-СБМ міцність перевищує аналогічний показник для ПММА-ПС в 10 разів, що, ймовірно, пов'язано з високою адгезією сополимера СБМ до полікарбонату.

    Низька міцність плівок ПММА-ПС істотно ускладнює

    їх випробування, оскільки вже при фіксації в затискачах решт плівки під кутом 90 ° до її площині відбувається часткове розшарування.

    У зв'язку зі складністю випробування методом ТПіл-тест плівок з низькою межслоевой міцністю нами було запропоновано використовувати метод кручення в торсіонному вузлі реометра ANTON PAAR Phisica MCR 301. Раніше, судячи з наявної літературі, таким чином багатошарові плівки не відчували. Результати випробування плівок ПММА-ПС представлені на рис. 3.

    Як видно з рис. 3, для багатошарової плівки граничний кут закручування перевищує в 1,5 рази, а момент крутіння при руйнуванні - в 2,5 рази аналогічні показники тришарової плівки. Руйнування відбувається з початковим розшаруванням плівки в середині зразка. Точний розрахунок дотичних напружень в момент руйнування не проводили, але по моменту крутіння і

    щ * 200-

    s X CD 1 150 А2

    H х

    CD I 100-

    50-

    n L

    v | 400 800 1200 1600

    Кут закручування, мрад

    Мал. 3. Залежність крутного моменту

    від кута закручування для плівки з трьома шарами (7) і з 2049 шарами (2)

    граничної деформації до руйнування можна судити про істотно більш високої міцності при руйнуванні для багатошарових плівок. Зазначений метод можна рекомендувати для випробування плівок зі слабкою адгезією між шарами, оскільки, на відміну від ТПіл-тесту, при закріпленні в затискачах випробувальної машини не відбувається відшарування решт плівки, а момент початку руйнування чітко фіксується на деформационной кривої. Візуально можна було спостерігати, як розшарування починається в місці найбільших дотичних напружень в середині зразка, а потім відбувається руйнування всього зразка. Потрібно відзначити, що плівки ПК-СБМ при крученні в цих умовах не розшаровується і не руйнувалися.

    Для плівок інтерес представляли також втомні випробування при циклічному багаторазовому вигині. Випробування зразків проводили на установці ТА Instruments DMA Q800 в режимі динамічних (циклічних) механічних випробувань при трьохточкову вигині. Цей метод раніше використовувався нами для вивчення розшарування при багаторазовому циклічному вигині ламинатов мідна фольга - полімерна плівка [3]. Результати випробувань наведені на рис. 4.

    -. | 1

    ЮООО, tg i

    1000. J

    |0.1

    100, -

    40 So 120 16 »

    Т, хв

    Мал. 4. Залежність динамічного модуля пружності Е (1) і тангенса кута механічних втрат ^ 5 (2) для тришарової плівки ПММА-ПС від часу випробування (штриховий лінією позначено час руйнування плівки з 2049 шарами)

    Як видно з рис. 4, в момент початку розшарування різко зростає тангенс кута механічних втрат при одночасному зниженні модуля пружності при вигині плівки. На відміну від адгезійної міцності при ТПіл-тесті, втомна міцність тришарових плівок (час до руйнування плівки) істотно перевершує цей показник для багатошарових (з 2049 шарами) плівок, що, по-видимому,

    пов'язане з накопиченням мікротріщин в великому обсязі межфазной області в багатошарових плівках.

    В роботі [4] обговорювалося, як зі зміни мікротвердості в залежності від глибини індентування в багатошарових плівках можна судити про властивості міжфазних шарів. Згідно з отриманими нами результатами, показаним на рис. 5, дослідження плівок на мікроіденторе СБМ не виявило суттєвої різниці в мікротвердості, що ймовірно свідчить про незначній зміні фізико-механічних властивостей міжфазних шарів в цих плівках.

    20 40 ео ат 100

    І, мкм

    Мал. 5. Залежність мікротвердості Н для тришарових (1) і багатошарових (2) ламинатов ПММА-ПС в залежності від глибини індентаціі Н

    Для з'ясування природи адгезійного взаємодії між шарами використовували атомно-силову мікроскопію (АСМ) в контактному режимі фрикційної мікроскопії, як виконано в роботі [5]. За допомогою АСМ моделі Уееео КапоБсоре 5 досліджували області розшарування плівки, отримані після випробування на ТПіл-тест, а також торцеву поверхню плівки, оброблену на мікротому. Передбачалося, що розшарування при випробуванні відбувається на кордоні розділу шарів ПММА-ПС, і, таким чином, на одній стороні розділеної плівки буде шар ПММА, а на іншій - ПС. Ці шари оптично ідентифікувати складно з огляду на їх прозорості та низької шорсткості, але метод АСМ, зокрема режим контактної (фрикційної) мікроскопії, дозволяє розрізнити поверхню цих полімерів за коефіцієнтом тертя, різному для ПММА і ПС. За наявності на поверхні одного полімеру слідів іншого компонента плівки також можна судити про когезійний характер руйнування на даному локальному ділянці.

    Якщо при аналізі результатів фрикційної мікроскопії віднімати латеральную силу при проходженні зонда АСМ в прямому і зворотному напрямку, вплив топографії поверхні (як постійного фактора, що діє на сигнал при русі зонда в будь-якому напрямку на поверхні) мінімізується. При переміщенні зонда на поверхні ділянки однієї висоти, але різного складу з різним коефіцієнтом тертя характеризуються протилежним за напрямком зміною сигналу, як показано на схемі, представленої на рис. 6.

    пряме напрямок

    зворотній напрямок

    Мал. 6. Схема формування сигналу при терті зонда АСМ по поверхні з ділянками з різним коефіцієнтом тертя (ділянки з високим значенням коефіцієнта тертя затінені)

    Таким чином, при відніманні сигналів, отриманих при русі зонда в протилежних напрямках, формується подвоєний сигнал, що характеризує силу тертя при мінімальному впливі топографії.

    На рис. 7 представлено отримане на АСМ топографічне зображення поперечного зрізу багатошарової плівки (2049 шарів) ПММА-ПС. На зображенні видно розташування шарів, складових плівку. Якщо при аналізі латеральних сил використовувати програму Гвіддіон [6], то зображення шарів у вигляді трібокарти поверхні (розподіл ділянок з різним тертям) буде більш чітким завдяки фільтрації «топографічного» шуму. Різні за інтенсивністю забарвлення і висоті ділянки зображення відповідають розподілу коефіцієнта тертя на торцевій поверхні плівки.

    4,7 ПН

    -1,6 ПН

    а б

    Мал. 7. Топографія торцевої поверхні плівки ПММА-ПС (2049 шарів) (а) та трібокарта цій галузі (б)

    Найбільший інтерес представляє аналіз поверхні розділу плівок після руйнування. На рис. 8 представлені топографічні зображення поверхонь розділу плівки ПК-СБМ і відповідні трібокарти цих поверхонь. Зважаючи на високу адгезії ПК до СБМ і явно когезійний типу руйнування плівок топографічне зображення і трібокарти поверхонь розділу прилеглих різних верств дуже схожі, і співвіднести поверхню з одним або іншим полімером складно.

    д.

    ? <

    г * Л Г

    А '|г - |

    р

    | V

    -7нН

    а

    б

    'V, * Я

    К »ЕБ Ж

    18 нм -28 нм

    / "? Г-- 1

    г

    Мал. 8. Топографія (а, в) і трібокарта (б, г) протилежних шарів плівки ПК-СБМ після розшарування

    в

    Інша картина спостерігається для плівок ПММА-ПС, представлених на рис. 9. Внаслідок низької адгезії чітко видно відмінність в поверхні ПММА і ПС. При цьому для багатошарової плівки (з 2049 шарами) помітний істотно вищий рівень неод-нородного (на два порядки) на поверхні ПС (у вигляді гострого клину), що при низькій адгезії полімерів між собою може характеризувати наявність ділянки з когезійним розривом шару внаслідок відхилення від паралельного розташування.

    Порушення паралельності розташування шарів забезпечує додаткову зв'язок між ними, що сприяє підвищенню міцності між шарами.

    | • | | |

    Ш • I до

    -3'71

    а

    б

    Мал. 9. Трібокарти поверхні розділу шарів ПММА (а, б) і ПС (в, г) для тришарової (а, в) і багатошарової (б, г) плівки

    в

    г

    Висновки. Отримані результати дозволяють рекомендувати фрикционную мікроскопію для аналізу характеру адгезійного взаємодії шарів в багатошарових плівках. Метод крутіння можна рекомендувати для оцінки міцності при розшаруванні багатошарових плівок з низькою адгезією шарів. Міцність багатошарових плівок при розшаруванні обумовлюється як кращу адгезію між шарами, так і переплетенням шарів між собою внаслідок порушення паралельності їх розташування.

    Висловлюємо подяку Національній консерваторії наук і ремесел (Франція) за фінансову підтримку візиту в лабораторію кнам в Парижі, де була виконана ця робота.

    ЛІТЕРАТУРА

    [1] Miquelard-Garnier G., Guinault A., Fromonteil D., Delalande S., Sollogoub C. Dispersion of carbon nanotubes in polypropylene via multilayer coextrusion. Polymer, 2013, vol. 54, pp. 4290-4297.

    [2] Технічний стандарт. ASTM D1876-01 T-peel Test.

    [3] Kotomin S.V., Friedrich J., Muenstedt H., Weiss C. Fatigue durability and adhesion in glued laminates copper foil-PEEK film. Polymer Mater. Sci. Eng., 2001., vol. 84, p. 99.

    [4] Bernal-Lara T., Ranade A., Hiltner A., ​​Baer E. Nano-and microlayered polymers: structure and properties. Mechanical Properties of Polymers Based on Nanostructure and Morphology. CRC Press, 2005, pp. 629-681.

    [5] Котоміна С.В., Іта-Чанг, Санкактар ​​Е, Яриков Д. Трибология і мікромеханіки нанокомпозитів полістирол-монтморилоніт. Механіка композитних матеріалів, 2013, Т. 49, № 6, с. 973-984.

    [6] Програма для обробки даних атомно-силової мікроскопії GWYDDION. URL: http://gwyddion.net (дата звернення 15.10.2014).

    Стаття надійшла до редакції 03.10.2014

    Посилання на цю статтю просимо оформляти наступним чином: Котоміна С.В., Соллогуб К.П. Адгезійна міцність в багатошарових полімерних плівках. Інженерний журнал: наука та інновації, 2014 року, вип. 5. URL: http://engjournal.org.ua/catalog/fundamentals/hidden/1314.html

    Котоміна Сергій Володимирович закінчив МХТИ ім. Д.І. Менделєєва в 1974 р Д-р хім. наук, професор кафедри «Хімія» МГТУ ім. Н.е. Баумана, провідний науковий співробітник Інституту нафто-органічного синтезу РАН. Автор 120 наукових робіт в галузі фізичної хімії та переробці полімерів і композитів. e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Соллогуб Кирило Петрович закінчив в 1999 р Паризький університет, Еколь Політехнік і Еколь Сентраль в Парижі, Франція. Має докторський ступінь з переробки полімерів. Працює доцентом в Національній консерваторії наук і ремесел в Парижі і дослідником в Лабораторії процесів і матеріалів. Співавтор 24 робіт в області переробки полімерів. e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Adhesion strength in multilayer polymer films

    © S.V. Kotomin1, K.P. Sollogoub2

    1 Bauman Moscow State Technical University, Moscow, 105005, Russia 2 PIMM-CNAM, Paris, 75013

    Multilayer films from uncompatible polymers polymethylmetacrilate -polystyrene have poor adhesion and interlayer strength. Application of copolymers enhances adhesion between layers and delaminating strength. Intersection of layers as a result of irregular morphology also improves delamination strength. For test of multilayer films with poor interlayer strength the torsion technique is recommended. Frictional microscopy of de-laminated surfaces reveals mechanism of interlayer bond in films.

    Keywords: polymers, films, adhesion, frictional microscopy.

    REFERENCES

    [1] Miquelard-Garnier G., Guinault A., Fromonteil D., Delalande S., Sollogoub C. Dispersion of carbon nanotubes in polypropylene via multilayer coextrusion. Polymer, 2013, vol. 54, pp. 4290-4297.

    [2] ASTM D1876-01 T-peel Test.

    [3] Kotomin S.V., Friedrich J., Muenstedt H., Weiss C. Fatigue durability and adhesion in glued laminates copper foil-PEEK film. Polymer Mater. Sci. Eng., 2001., vol. 84, p. 99.

    [4] Bernal-Lara T., Ranade A., Hiltner A., ​​Baer E. Nano-and microlayered polymers: structure and properties. Mechanical Properties of Polymers Based on Nanostructure and Morphology. CRC Press, 2005, pp. 629-681.

    [5] Kotomin S.V., Chang I-Ta, Sancaktar E., and Yarikov D. Mekhanika kompozitnykh materialov - Mechanics of composite materials, 2013, vol. 49, no. 6, pp. 973-984.

    [6] The program GWYDDION for data processing of atomic force microscopy. Available at: http://gwyddion.net (accessed on 15.10.2014).

    Kotomin S.V. graduated from Moscow Institute (now University) of Chemical Technology in 1974. Dr. Sci. (Chemistry), Professor of the Chemistry Department at Bauman State Technical University, principal researcher in the Institute of Petrochemical Synthesis, Russian Academy of Sciences. Author of 120 publications on physical chemistry and processing of polymers and composites. e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Sollogoub C.P. graduated from Universites Paris VI, Paris VII, Paris XI, Ecole Polytechnique, Ecole Centrale de Paris, ESPCI in 1999. Has PhD in polymer processing science. Assistant Professor in Polymer Science at Conservatoire National des Arts et Metiers and researcher at the PIMM laboratory, mainly on processing, engineering and mechanics of materials. e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.


    Ключові слова: ПОЛІМЕРИ / ПЛІВКИ / АДГЕЗІЯ / фрикційні МІКРОСКОПІЯ

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити