Pro-adhesive sol-gel coatings for fibers in epoxy resin composite materials

• Autorzy: Szczurek A. , Barcikowski M. , Krzak J.

Warianty tytułu

PL

Proadhezyjne pokrycia zol-żelowe na włókna w epoksydowych materiałach kompozytowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Inadequate adhesive strength of the reinforcing fibers to the matrix in composite materials causes their delamination, which reduces the bearing capacity and durability of the defected product, and in the case of pressure vessels or pipelines, may cause their depressurization. One of possible methods to improve the adhesive strength is to coat the reinforcing fibers by the sol-gel method with organosilica coatings. Silane coatings serve two purposes: 1) the film binds chemically to the surface of the glass fiber, 2) wetting is improved by an increased chemical affinity of the resin to the fiber. Carbon and aramid fibers are usually not coated in this manner, resulting in inferior adhesive properties. In this study, organosilica materials were obtained by the sol-gel method using various silica precursors: methyltrimethoxysilane (MtMOS), ethyltriethoxysilane (EtEOS) and tetramethoxysilane (TMOS). The materials were deposited on glass fiber and hybrid carbon/aramid fiber textiles, resulting in a change in the surface properties. The chemical structures were characterized by Raman spectroscopy, indicating the presence of groups characteristic for silica, as well as the presence of functional organic groups connected by silicon-carbon bonds. The surfaces of the coated fibers were observed by scanning electron microscopy (SEM), indicating undesirable fiber bonding by the coatings obtained using the MtMOS and TMOS precursors, while no such bonding was observed for the coating obtained using the EtEOS precursor. The wettability of the glass fibers by epoxy resin was measured using the electro-optical method, revealing that the coatings made of the MtMOS and TMOS mixture improved the wettability of the fibers with epoxy resin, facilitating adhesion.

PL

Niedostateczna wytrzymałość adhezyjna połączenia włókien wzmacniających z matrycą (osnową) materiału kompozytowego prowadzi do delaminacji, powodujących redukcję zdolności do przenoszenia obciążeń oraz trwałości wyrobu, a w przypadku zbiorników ciśnieniowych i rurociągów może spowodować ich rozszczelnienie. Jedną z możliwych metod poprawy wytrzymałości adhezyjnej jest pokrywanie włókien wzmacniających metodą zol-żel powłokami organokrzemionkowymi. Warstwa silanowa wiąże się chemicznie (wiązaniami kowalencyjnymi Si-O) z powierzchnią włókien szklanych. Zwilżanie ulega poprawie dzięki większemu powinowactwu chemicznemu żywicy do włókien pokrytych niż niepokrytych. Lepsze zwilżanie poprawia powiązanie adhezyjne pomiędzy włóknami a matrycą (żywicą) ze względu na większą powierzchnię kontaktu pomiędzy żywicą a włóknami. Włókna węglowe i aramidowe zwykle nie są w ten sposób pokrywane, co skutkuje gorszymi właściwościami adhezyjnymi. W pracy materiały organokrzemionkowe zostały uzyskane metodą zol-żel z użyciem różnych prekursorów krzemionkowych: metylotrimetoksysilanu (MtMOS), etylotrietoksysilanu (EtEOS) oraz tetrametoksysilanu (TMOS). Materiały te zostały naniesione na tkaninę z włókien szklanych oraz hybrydową tkaninę węglowo/aramidową, powodując zmianę ich właściwości powierzchniowych. Struktury chemiczne zbadano z użyciem spektroskopii Ramana, wykazując obecność ugrupowań chemicznych charakterystycznych dla krzemionki, jak również obecność organicznych grup funkcyjnych połączonych wiązaniami krzem-węgiel. Powierzchnie pokrytych włókien obserwowano pod skaningowym mikroskopem elektronowym (SEM), wskazując niepożądane zlepienie włókien przez pokrycia z prekursorów MtMOS i TMOS, przy braku takiego zlepienia przez pokrycia z prekursora EtEOS. Zwilżalność włókien szklanych przez żywicę epoksydową zbadano metodą elektrooptyczną, wykazując, że pokrycia z MtMOS i TMOS poprawiają zwilżalność, promując tym samym adhezję.

Słowa kluczowe

EN

sol-gel; organosilica coatings; glass fibers; carbon fibers; aramid fibers

PL

zol-żel; pokrycia organokrzemionkowe; włókna szklane; włókna węglowe; włókna aramidowe

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2017
• Tom: R. 17, nr 4
• Strony: 211--215
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19, rys., tab.

Twórcy

autor

Szczurek A.

• Wroclaw University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Mechanics Materials Science and Engineering, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław, Poland

autor

Barcikowski M.

• Wroclaw University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Mechanics Materials Science and Engineering, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław, Poland

autor

Krzak J.

• Wroclaw University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Mechanics Materials Science and Engineering, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław, Poland

Bibliografia

• [1] Boczkowska A., Kapuściński J., Puciłowski K., Wojciechowski S., Kompozyty, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000.
• [2] Błażejewski W., Gasperowicz A., Gąsior P., Kaleta J., Composite vessels for compressed hydrogen fuel. Homologation requirements and testing methods, [in:] G. Wróbel (Ed.), Engineering polymers and composites, Politechnika Śląska, Gliwice 2006, 23-30.
• [3] Hufenbach W., Błażejewski W., Kroll L., Böhm R., Gude M., Czulak A., Manufacture and multiaxial test of composite tube specimens with braided glass fiber reinforcement, J. Mater. Process. Technol. 2005, 162-163, 65-70, DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2005.02.212.
• [4] Królikowski W., Polimerowe kompozyty konstrukcyjne, WN PWN, Warszawa 2012.
• [5] Oczoś K.E., Kompozyty włókniste - właściwości, zastosowanie, obróbka ubytkowa, Mechanik 2008, 81, 579-592.
• [6] Wang Y.Q., Zhou G.L., Wang Z.M., Oxidation protection of carbon fibers by coatings, Carbon 1995, 33, 427-433, DOI: 10.1016/0008-6223(94)00167-X.
• [7] Tang Y., Deng Y., Zhang K., Liu L., Wu Y., Hu W., Improvement of interface between Al and short carbon fibers by α-Al2O3 coatings deposited by sol-gel technology, Ceram. Int. 2008, 34, 1787-1790, DOI: 10.1016/j.ceramint.2007.05.008.
• [8] Li S., Zhang Y.M., Zhou Y.F., Preparation and characterization of sol-gel derived zirconia coated carbon fiber, Surf. Coat. Technol. 2012, 206, 4720-4724, DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.01.037.
• [9] Olszówka-Myalska A., Botor-Probierz A., Krzak-Roś J., Łukowiak A., Rzychoń T., Zastosowanie procesu zol-żel do pokrywania powierzchni włókien węglowych warstwą SiO2, Kompozyty 2009, 9, 332-336.
• [10] Olszówka-Myalska A., Botor-Probierz A., Swadźba L., Krzak-Roś J., Możliwości wytwarzania powłok technologicznych na włóknach węglowych, Inżynieria Materiałowa 2009, 3, 163-168.
• [11] Barcikowski M., Królikowski W., Effect of resin modification on the impact strength of glass-polyester composites, Polimery 2013, 58, 450-460. DOI: 10.14314/polimery.2013.450.
• [12] Królikowski W., Izbicka J., Mikłaszewicz J., Einige Methoden der Einschätzung der Oberfächeneigenschaften des Glasseidenrovings für die Anwendung bei der Harzverstärkung, in Vystužene Plasty - 72, 1972, Karlovy Vary, Czechoslovakia 1972, 24-49.
• [13] Willax H.O., Ehrenstein G.W., Der Einfluß von Tränkungsund Benetzungseigenschaften auf mechanische Kenngrößen glasfaserverstärkter Kunststoffe, Kunststoffe 1972, 62, 887.
• [14] Hess M., Kosfeld R., Epoxy Resin-Glass Interfaces (Optical Properties), [in:] J.C. Salamone (Ed.), Polymeric materials encyclopedia, D-E, Vol. 3. CRC Press, Inc., 1996, 2218-2232.
• [15] Brinker C.J., Scherer G.W., Sol-Gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing (1st ed.), Academic Press, London 1990.
• [16] Socrates G., Infrared and Raman Characteristic Group Frequencies, John Wiley & Sons Ltd, Hoboken 2001.
• [17] Houmard M., Vasconcelos D.C.L., Vasconcelos W.L., Berthomé G., Joud J.C., Langlet M., Water and oil wettability of hybrid organic–inorganic titanate-silicate thin films deposited via a sol-gel route, Surf. Sci. 2009, 603, 2698-2707, DOI: 10.1016/j.susc.2009.07.005.
• [18] Wang M., Wang Y., Chen Y., Gu H., Improving endothelialization on 316L stainless steel through wettability controllable coating by sol-gel technology, Appl. Surf. Sci. 2013, 268, 73-78. DOI: 10.1016/j.apsusc.2012.11.159.
• [19] Atanaci A.J., Latella B.A., Barbé C.J., Swain M.V., Mechanical properties and adhesion characteristics of hybrid sol-gel thin films, Surf. Coatings Technol. 2005, 192, 354-364, DOI: 10.1016/j.surfcoat.2004.06.004.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).