Все деформационные свойства полимеров можно разделить на две группы. Первая группа деформационных свойств характеризует сопротивляемость тел деформации – это вязкость расплава (?), модуль упругости (Е – при продольной деформации, G – при сдвиге, М – общий), твердость (Н), предел текучести (?_Т). Другая группа свойств характеризует предельную способность тел деформироваться – это предельная деформация при разрушении (?), например, относительное удлинение при разрыве (?_р) (рис.).

Читать далее »

Реология – наука о течении. Течение – это направленное перемещение молекул вещества относительно друг друга под действием внешних сил. Основная характеристика реологического поведения жидкости – это вязкость, которая характеризует сопротивляемость жидкости течению, и определяется энергией межмолекулярного взаимодействия. В данном случае мы будем рассматривать ПКМ как суспензию дисперсных частиц в вязкотекучей жидкости.

Поскольку твердая частичка не деформируется вместе со слоями окружающей жидкости, то частичка будет препятствовать течению жидкости и повышать ее вязкость. Повышают сопротивление течению и адсорбированные на наполнителе макромолекулы и наличие коагуляционной сетки наполнителя. Кроме того, возможны столкновения частиц при течении и затраты энергии на их взаимное трение, что также повышает вязкость системы. Понятно, что с увеличением концентрации наполнителя влияние этих факторов увеличивается, и вязкость растет. Но этот рост не пропорционален содержанию наполнителя.

Читать далее »

При течении тело испытывает сдвиговую деформацию, кроме того, вязкотекучее и высокоэластическое состояния полимера принципиально ничем не отличаются, поэтому для этих условий справедливо соотношение:

Соответственно и уравнение Муни применимо для описания G наполненных эластомеров. Однако для полимеров, находящихся в стеклообразном или кристаллическом состояниях уравнение Муни дает резко завышенные результаты. Это обусловлено отклонением коэффициента Пуассона (?) матрицы от значения 0,5, характерного для газа, жидкостей и эластомеров. Для жестких полимеров с твердыми частицами модуль упругости можно рассчитать по уравнению Кернера:

Читать далее »

Ход зависимости ?_р ПКМ от содержания наполнителя (рис.) носит более сложный характер, чем для упругих свойств.

Высокие деформации полимеров при температуре выше температуры хрупкости обусловлены изменением конформации макромолекул. Хаотично ориентированные в трехмерном объеме сегменты макромолекул при деформировании переориентируются в одном направлении. Поэтому ?_р полимера при наполнении должно уменьшаться пропорционально корню кубическому из объема наполнителя в композите. Для полимеров, находящихся в вязкотекучем или высокоэластическом состояниях, при невысоких степенях наполнения наблюдается зависимость, близкая к предполагаемой:

?_р ? ?_р1(1-?₂^1/3)

Однако влияние наполнителя на развитие вынужденно-эластической деформации полимеров (в температурном интервале Т_хр < Т < Т_ст или Т_пл), существенно отличается от зависимости (рис.).

Читать далее »

Форма частиц. Из представленных уравнений следует, что увеличение k_Е и уменьшение ?_m наполнителя вызывает рост Е, ? и Н композита. Параметры k_Е и ?_m характеризуют в основном форму частиц наполнителя: чем больше отклонение формы частиц от сферической и чем сложнее их форма, тем больше значение k_Е и меньше ?_m. Понятно, что чем сложнее форма частицы, тем больший объем полимера эта частица связывает, и тем большее сопротивление деформированию макромолекул она оказывает. Поэтому увеличение k_Е и уменьшение ?_m наполнителя вызывает также рост ?_т и снижение ?.

Читать далее »

Прочность характеризует способность тел противостоять какому-либо виду разрушения. В данном случае речь идет о механической прочности, а значит о противостоянии материалов механическому разрушению. Разрушение может происходить при различных видах механического воздействия, поэтому существует большое количество характеристик прочности материалов.

Читать далее »

Для понимания сложных процессов, происходящих при деформировании и разрушении наполненного полимера, необходимо вспомнить теорию прочности, основоположником которой является Гриффит, а ее продолжателями Журков, Эндрюс. Теория основана на сопоставлении упругой энергии, высвобождающейся при распространении трещин, с энергией, затрачиваемой на создание новой поверхности при образовании этих трещин.

Согласно этой теории разрушение твердых тел происходит постепенно через три стадии: зарождения трещин, их стабильный рост и катастрофический рост трещин, означающий разрушение материала.

Читать далее »

В композите частицы наполнителя практически не деформируются вместе с полимерной матрицей из-за большой разницы в модулях упругости компонентов. Следовательно, в процессе деформирования на границе полимер – наполнитель возникают перенапряжения, способствующие появлению трещин в матрице. Кроме того, в случае невысокой адгезии между компонентами может происходить отслаивание полимера от наполнителя при деформировании ПКМ. Таким образом, при деформировании материала частицы наполнителя являются источником дефектов и трещин в полимере. Наличие таких трещин и отслоений полимера от наполнителя хорошо видно при помощи микроскопии в растянутых композитах . Размер этих трещин и отслоений пропорционален размеру дисперсных частиц. Если размер частиц наполнителя меньше критического, то образующиеся трещины или отслоения также меньше критического и не вызывают разрушения материала. Вместе с тем, на отслоение полимера от наполнителя и образование микротрещин тратится приложенная к образцу энергия. В результате диссипации энергии в объеме композиции её прочность повышается. Поэтому введение высокодисперсного наполнителя повышает прочность полимера (рис.).

Читать далее »

Работа разрушения w – это энергия затрачиваемая на разрушение полимера. Она может быть оценена по площади под кривой зависимости нагрузки от деформации ? = f(?) при соответствующем виде деформации:

Читать далее »

Температуру, при которой полимер утрачивает возможность к вынужденно-эластической деформации и разрушается хрупко, считают температурой хрупкости Т_хр. Этой температуре соответствует равенство предела текучести пределу прочности композита (?_т = ?). Уменьшение разницы между пределом текучести и прочностью полимера означает повышение Т_хр. Введение грубодисперсных наполнителей повышает предел текучести полимеров и снижает предел прочности, в результате температура хрупкости полимера при наполнении существенно повышается. Высокодисперсные наполнители несколько повышают предел прочности полимеров, но очень сильно (из-за высокой удельной поверхности) повышают предел текучести, в результате температура хрупкости полимера и в этом случае повышается.