На головну

Механізм зміцнення полімерів високодисперсними частинками

  1. II. Загальні механізми розладів екскреторної функції нирок.
  2. IV етап (з середини XX ст. По теперішній час) психологія як наука, що вивчає факти, закономірності та механізми психіки.
  3. IV. Механізм реалізації Програми
  4. V. Механізми реалізації (або методи забезпечення)
  5. V. Механізми функціонування Співдружності та його організаційне вдосконалення
  6. Адаптація, її види, фази і критерії. Механізми розвитку.
  7. Аналогія «сновидіння - художній твір». Механізми снообразованія, їх роль в створенні художнього твору.

У композиті частки наповнювача практично не деформуються разом з полімерної матрицею через велику різницю в модулях пружності компонентів. Отже, в процесі деформування на кордоні полімер - наповнювач виникають перенапруги, що сприяють появі тріщин в матриці. Крім того, в разі невисокої адгезії між компонентами може відбуватися відшарування полімеру від наповнювача під час деформування ПКМ. Таким чином, при деформації матеріалу частинки наповнювача є джерелом дефектів і тріщин в полімері. Наявність таких тріщин і відшарувань полімеру від наповнювача добре видно під мікроскопом в розтягнутих композитах. Розмір цих тріщин і відшарувань пропорційний розміру дисперсних частинок. Якщо розмір часток наповнювача менше критичного, то утворюються тріщини або відшарування також менше критичного і не викликають руйнування матеріалу. Разом з тим, на відшарування полімеру від наповнювача і утворення мікротріщин витрачається прикладена до зразка енергія. В результаті дисипації енергії в обсязі композиції її міцність підвищується. Тому введення високодисперсного наповнювача підвищує міцність полімеру (рис. 7.6).

Зовсім інша ситуація виникає, якщо розмір часток наповнювача більше критичного. Введення такого наповнювача в полімер забезпечує появу великих тріщин і веде до руйнування матеріалу при менших навантаженнях, ніж без наповнювача. Чим більше розмір часток наповнювача, тим більше напруги в матриці близько цих частинок, і тим при меншому навантаженні в полімері виникають великі тріщини, і відбувається руйнування матеріалу (рис. 7.6). Таким чином, зміцнення полімерів наповнювачем має місце при розмірі дисперсних частинок менше деякого критичного розміру. Збільшення розміру часток викликає зниження міцності властивостей композиту.

Як показують експериментальні дані, критичний розмір наповнювача лежить в межах декількох сотень нанометрів і, як випливає з теорії міцності, він залежить від таких характеристик полімерної матриці, як ?т и Е.

Крім того, дослідження показують, що ростуть тріщини при зустрічі з частинками наповнювача розгалужуються, Що запобігає розростання тріщини до критичних розмірів і вимагає додаткових витрат енергії на утворення нової поверхні. Це друга причина зміцнення полімерів дисперсними частинками.

Мал. 7.6 - Залежність відносної міцності (?р/ ?р1) Гуми на основі бутадиенового каучуку від розміру часток наповнювача. Наповнювач - латексні частинки сополимера стирол-дівінілбензол-акрилонитрил (75: 20: 5)

Важливий вплив на властивості міцності композиту надає і наявність на поверхні наповнювача шару полімеру зі зниженою рухливістю. Цей шар підвищує модуль пружності полімеру, що відповідно до рівняння підвищує міцність матеріалу. Тому збільшення Sуд наповнювача веде до підвищення міцності властивостей композиту. Це третя причина зміцнення полімерів високодисперсними частинками.

Наведені вище закономірності зміцнення полімерів справедливі до певної міри наповнення. При наближенні концентрації наповнювача в полімері до ?m спостерігається зниження міцності властивостей композиту незалежно від розміру диспергованих частинок. Така поведінка називають «оборотністю» зміцнюючого дії наповнювачів (рис. 7.7). Справа в тому, що деформування композиту пов'язане з переміщенням частинок наповнювача. Щільна упаковка частинок наповнювача перешкоджає їх переміщенню. В результаті при деформації високонаповнений композиту в його матриці виникають великі внутрішні перенапруги, що і викликає зниження міцності композиту. Винятком з цього правила є тільки міцність при стисненні.

Мал. 7.7 - Залежність відносної міцності (? / ?1) При розтягуванні полімерів від вмісту наповнювача. 1 - для зшитих еластомерів при Т> Тст, Наповнених високодисперсним наповнювачем; 2 - для аморфних полімерів при Т <Тст і для кристалічних полімерів при Т <Тпл, Наповнених високодисперсним наповнювачем;

3 - для полімерів, наповнених Грубодисперсні наповнювачем.

Ступінь зміцнення високодисперсними наповнювачами залежить від фізичного стану полімерної матриці (рис. 7.7). Найбільше зміцнення спостерігається для зшитих полімерів, що знаходяться в високоеластіческом стані (в 5 ? 10 разів). В значно меншій мірі посилюються стеклообразниє і кристалічні полімери (в 1,2 ? 2 рази).

Наприклад, для гуми при температурі вище температури склування величина ? / ?1 складає 4 ? 7, а при охолодженні цієї гуми нижче температури склування величина ? / ?1 стає менш 2.

Такий вплив температури (а точніше фізичного стану полімеру) пояснюють різним ступенем впливу наповнювача на рухливість адсорбованих макромолекул. Зниження рухливості макромолекул при їх адсорбції на поверхні частинок наповнювача веде до підвищення міцності полімеру. У полімерах, які знаходяться в високоеластіческом стані, адсорбція макромолекул на поверхні наповнювача викликає більш істотне зниження їх рухливості, ніж в склоподібних або кристалічних полімерах.

Таким чином, основними причинами зміцнення полімерів частинками високодисперсного наповнювача є:

- Витрати зовнішньої енергії на утворення великої кількості мікротріщин близько частинок наповнювача;

- Обмеження росту мікротріщин та їх розгалуження при зустрічі з частинками наповнювача;

- Підвищення модуля пружності матриці через обмеження рухливості частини адсорбованих на наповнювачі макромолекул.

З вищенаведених міркувань випливає і вплив адгезії між полімером і наповнювачем на міцність композитів. Це вплив істотно відрізняється для дрібних і великих наповнювачів. Зниження адгезії веде до зниження навантаження, при якій відбувається відшаровування полімеру від наповнювача і утворення дефекту. Зрозуміло, що при розмірі частинок наповнювача більше критичного це викликає різке падіння міцності композиту.

Якщо розмір часток наповнювача нижче критичного, то адгезія полімер-наповнювач по-іншому впливає на міцність композиту. Повністю вплив адгезії на яке посилює дію високодисперсних наповнювачів ще не встановлено. Мабуть, максимальне посилення досягається при оптимальному рівні адгезії між полімером і частинками наповнювача.

При занадто низькою адгезії полімеру до наповнювача, робота, що витрачається на утворення нової поверхні між полімером і наповнювачем, невелика. Це веде до утворення великої кількості відшарувань і тріщин вже при невеликому навантаженні на матеріал. Тому наповнювач з низькою адгезією до матриці знижує її міцність. Таке спостерігається, наприклад, при наповненні дієнових гум високодисперсними частинками політетрафторетилену. При занадто високій адгезії наповнювача до полімеру утворення тріщин в матриці, мабуть, відбувається раніше, ніж відшаровування матриці від поверхні частинок наповнювача. В цьому випадку витрат енергії на відшаровування полімеру від наповнювача немає. Таким чином, при дуже високій адгезії полімеру до наповнювача наповнювач в меншій мірі зміцнює полімер, ніж при оптимальній величині цієї адгезії. Наприклад, високодисперсні частинки полістиролу сильніше упрочняют гуму на основі бутадієнстирольного еластомеру, ніж такі ж за розміром частки сополимера стиролу з невеликою кількістю бутадієну, хоча частки останнього характеризуються більшою адгезією до даної матриці. Можна навести й інший приклад: заміна підсилюють частинок з полістиролу на частинки з сополимера стиролу з акрилонитрилом або з Метакрилат знижує адгезію до них бутадиенового каучуку, і сприяють підвищенню підсилює здібності.

 



Руйнування і міцність матеріалів | Робота руйнування і ударна в'язкість

Механізм диспергирования агломератів наповнювача | Характеристика якості розподілу наповнювача | Способи підвищення якості диспергування наповнювача | МЕХАНОХІМІЧНО процеси при змішуванні | Способи змішування полімерів з дисперсними наповнювачами | деформаційні властивості | реологічні властивості | Модуль пружності | гранична деформація | Вплив характеристик наповнювача на деформаційні властивості |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати