научная статья по теме АДГЕЗИОННЫЕ СВОЙСТВА ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРНЫХ СИСТЕМ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С СУБСТРАТАМИ C РАЗЛИЧНОЙ ШЕРОХОВАТОСТЬЮ Физика

Текст научной статьи на тему «АДГЕЗИОННЫЕ СВОЙСТВА ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРНЫХ СИСТЕМ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С СУБСТРАТАМИ C РАЗЛИЧНОЙ ШЕРОХОВАТОСТЬЮ»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. Серия А, 2014, том 56, № 6, с. 660-669

УДК 541.64:544.722.5:532.135:547.458.8

АДГЕЗИОННЫЕ СВОЙСТВА ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРНЫХ СИСТЕМ

ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С СУБСТРАТАМИ C РАЗЛИЧНОЙ ШЕРОХОВАТОСТЬЮ1

© 2014 г. Т. В. Бранцева, В. Я. Игнатенко, А. В. Костюк, A. В. Харенко, Н. М. Смирнова, С. В. Антонов

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук 119991 Москва, Ленинский пр., 29

Исследованы адгезионные свойства чувствительного к давлению адгезива на основе ЖК-системы при изменении условий формирования соединения. При этом впервые изучено влияние шероховатости поверхности субстрата на адгезионную прочность соединений с ЖК-адгезивом — смесью гид-роксипропилцеллюлозы с пропиленгликолем. Показано, что для такой системы влияние шероховатости на прочность адгезионных соединений проявляется в большей степени, чем для традиционных чувствительных к давлению адгезивов. Получены высокие значения работы разрушения адгезионных соединений (до 280—330 Дж/м2), оказывающиеся на уровне или даже превышающие аналогичные параметры для типичных чувствительных к давлению адгезивов.

DOI: 10.7868/S2308112014060017

ВВЕДЕНИЕ

Адгезивы, чувствительные к давлению (АЧД), широко применяются в различных отраслях промышленности и в повседневной жизни, чем и обусловлен большой интерес к этому классу материалов [1—3]. Работы по созданию новых АЧД, в первую очередь медицинского назначения (пластыри, повязки на раны, трансдермальные терапевтические системы), были инициированы академиком Николаем Альфредовичем Платэ в Институте нефтехимического синтеза в 1990-х годах [4]. Настоящая работа продолжает эти исследования.

Основное свойство АЧД — их способность к проявлению адгезионных свойств (липкости) при кратковременном приложении небольших нагрузок. Для этого материал должен обладать не слишком высокой вязкостью и достаточной текучестью, необходимой для образования хорошего адгезионного соединения, но одновременно должен иметь и довольно высокую когезионную прочность, чтобы противостоять приложенным напряжениям при разрушении адгезионного соединения. Наилучшим образом данный комплекс

1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 12-08-00783-а).

E-mail: brantseva@ips.ac.ru (Бранцева Татьяна Владимировна).

вязкоупругих свойств проявляется у полиизобу-тилена, акриловых полимеров, стирольных блок-сополимеров, которые используются для производства промышленных АЧД [1, 3].

Свойства таких АЧД были подробно исследованы и описаны в литературе [1, 3, 5—7]. Кроме того, появилось большое количество работ, посвященных механизмам деформации этих систем при разрушении адгезионных соединений [5, 6, 8-12].

В ряде работ [5, 12-14] было изучено влияние состояния поверхности, и прежде всего ее шероховатости, на липкость типичных АЧД и механизмы разрушения адгезионных соединений. Было показано, что максимальное напряжение, достигаемое при разрушении адгезионного соединения, снижается с ростом шероховатости субстрата, но на энергию разрушения адгезионного соединения шероховатость поверхности субстрата почти не влияет. Исследования были проведены для типичных АЧД, находящихся в высокоэластичном состоянии.

Ранее нами были изучены адгезионные свойства смесей гидроксипропилцеллюлоза (ГПЦ)— пропиленгликоль (ПГ) [15], находящихся в ЖК-состоянии в широком диапазоне температур и концентраций [16]. Были получены высокие значения максимального напряжения и работы разрушения адгезионного соединения, хотя для этого и потребовались нестандартные для традиционных АЧД времена выдержки под давлением —

до 1000 с [15]. В продолжение данных исследований было начато изучение влияния шероховатости на адгезионные свойства смесей ГПЦ—ПГ. В настоящей работе рассматриваются первые полученные результаты.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для приготовления ЖК-адгезива использовали гидроксипропилцеллюлозу Klucel® EF ("Ashland", США) с Mw = 8 х 104 и пропиленгликоль-1,2 ("Dow", Германия).

Компоненты смешивали при комнатной температуре в течение 15 мин, а затем термостатиро-вали при 40°C в течение 3 недель, периодически перемешивая. В работе использовали смесь с содержанием ГПЦ 85 мас. %.

Пленки требуемой толщины приготавливали на ламинаторе HLCL-1000 ("Cheminstruments", США) между двумя слоями силиконизированной антиадгезионной пленки на основе ПЭТФ при температуре 80°С. Толщина наносимого слоя ад-гезива составляла 500 ± 15 мкм. Затем адгезив переносили на стеклянную пластинку и, во избежание испарения пропиленгликоля, закрывали сверху покровной пленкой до начала тестирования.

Для оценки липкости использовали методику зондирования липкости, разработанную, изученную и получившую широкое распространение в течение последних 15 лет (рис. 1): шток с плоской или сферической поверхностью приводится в соприкосновение с пленкой адгезива и выдерживается определенное время при заданных глубине погружения или давлении. Затем измеряется усилие отрыва штока от пленки адгезива с расчетом прочности и работы разрушения адгезионного соединения [7, 8].

Зондирование липкости выполняли при 50°C на приборе "Texture Analyzer TA.XT plus" ("Sta-bleMicro Systems", Великобритания), доукомплектованном изготовленными в ИНХС РАН сменными штоками из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т с различной шероховатостью плоского торца. Микрорельеф создавали путем обработки торцевой поверхности штоков различными абразивными пастами. Торцевую поверхность штоков перед проведением измерений очищали, протирая их этиловым спиртом не менее 2—3 раз. Диаметр штоков составлял 10 мм. Образцы выдерживали при заданной нагрузке определенное время, после чего производили отрыв штока со скоростью 0.1 мм/с. Использовали нагрузку 1 и 10 Н (12.9 и 129 кПа), время выдержки

Шток

Образец Стеклянная пластина

Рис. 1. Схема исследования адгезионных свойств методом зондирования липкости.

при заданной нагрузке составляло 10 или 1000 с. Погрешность прибора при измерении перемещения — 1 мкм.

Полученные диаграммы (зависимости усилия от перемещения штока) использовали для расчета номинальных напряжений (формула (1)) и работы разрушения адгезионного соединения Ж (формула (2)) [7]:

F

nR2

W =

a F(l)dl,

(1)

(2)

где R — радиус штока, F — текущее усилие, l0, l и lmax — соответственно начальное (при переходе к стадии отрыва штока), текущее и конечное расстояния между штоком и стеклянной пластиной.

Следует отметить, что номинальные напряжения, рассчитанные по формуле (1), нельзя рассматривать как истинные напряжения в процессе разрушения адгезионного соединения. Тем не менее, максимальное номинальное напряжение, достигаемое во время тестирования <5max — достаточно полезный параметр, который позволяет охарактеризовать механические свойства и адгезию тестируемых материалов.

Для оценки адгезионных свойств смесей были, таким образом, выбраны два параметра: максимальное напряжение при разрушении адгезионного соединения <5max и работа разрушения адгезионного соединения W

Приводимые далее величины <5max и W представляют собой среднее арифметическое из трех— шести независимых измерений.

Для характеристики торцевых поверхностей штоков использовали атомно-силовой микроскоп "SOLVER PRO-M" (NT-MDT) в режиме

h, мкм 1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

(a)

0 10

30

3 -

2 -

1 -

0 -

50 (б)

70

90

0 10

30

50

70

90

r, мкм

Рис. 2. Типичные профилограммы поверхности штоков 1 (а) и 8 (б), полученные с помощью АСМ.

прерывистого контакта, с помощью кремниевых кантилеверов NSG10 (NT-MDT). Для рассмотрения в данной статье были выбраны два штока, с наименьшей (шток 1) и наибольшей шероховатостью (шток 8). На рис. 2 показаны типичные профилограммы обоих штоков. По результатам оценки шероховатости поверхности штоков было рассчитано среднее арифметическое отклонение профиля по поверхности Sa в соответствии со стандартом ISO 25178. Для штока 1 величина Sa = 20.5 нм, для штока 8 — 809.0 нм.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Как упоминалось ранее, липкость полимерной системы определяется комплексом свойств. Широко распространенным критерием, использующимся для оценки липкости системы, является критерий Дальквиста [17], в соответствии с кото-

рым модули накопления и потерь материала должны быть ~105 Па при частоте ~1 Гц. Ранее [15] нами были изучены реологические свойства систем с содержанием ГПЦ от 55 до 85 мас. %, и на основании критерия Дальквиста [17] была выбрана система, содержащая 85 мас. % ГПЦ, модули накопления и потерь для которой были ~105 Па при частоте ~1 Гц , температуре 20 и 50°С. Для этой системы были получены достаточно высокие значения адгезионных характеристик -максимальное напряжение при разрушении адгезионного соединения <5тах = 0.72 МПа и работа разрушения адгезионного соединения Ж = = 270 Дж/м2 (время выдержки под нагрузкой в 10 Н составляло 1000 с, температура 50°С). Именно система, содержащая 85 мас. % ГПЦ, и была выбрана нами для настоящей работы.

Исходя из свойств ЖК-систем, следовало бы ожидать проявления следующих особенностей при образовании и разрушении адгезионных соединений.

— Наличие в системе значительного по величине критического напряжения тс, которое необходимо превысить для проявления заметной текучести в системе, должно приводить к тому, что образование качественных адгезионных соединений и получение высоких адгезионных характеристик возможно только при нагрузках, позволяющих преодолеть указанное критическое напряжение. Именно такие результаты и были получены нами в работе [15] при оценке липкости системы ГПЦ:ПГ = 85:15 при 20 и 50°С. Высокие значения <5тах и Ж наблюдались только при применении определенных нагрузок, позволяющих достичь напряжений, превышающих тс. Эти нагрузки составляли ~400—600 г при 20°С и ~100 г при 50°С.

— Время приложения нагрузки для ЖК-систем также должно значительно превышать время, характерное для традиционных АЧД (1 с), поскольку до преодоления критического напряжения течение в системе очень ограничено. Действительно, при тестировании системы ГПЦ : ПГ = 85 : 15 для получения качественных адге

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»