ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Зависимость модуля упругости дисперсно-наполненного композита от содержания наполнителя из "Физико-химические основы наполнения полимеров" При создании полимерных композиционных материалов с высокими физико-механическими свойствами необходимо учитывать такой важный фактор, как установление связи между свойствами и структурой материала. Вязкоупругие свойства, связанные с релаксационными процессами в композитах, как очевидно из рассмотренных выше представлений, должны изменяться, прежде всего, в результате образования межфазного слоя с измененной структурой, в том числе с измененной молекулярной подвижностью цепей, определяющей релаксационные характеристики. [c.163] Зависимость модуля упругости от содержания наполнителя в полимерной матрице может быть установлена экспериментальным путем. Однако для любой новой системы необходимо заново устанавливать эти зависимости, что не дает возможности в общем виде выделить основные параметры материала, определяющие эту зависимость. Поэтому наиболее часто прибегают к использованию различных моделей и расчету модулей упругости по свойствам составляющих фаз [410]. В настоящее время выведено множество уравнений для определения модуля упругости гетерогенных композиций. [c.163] Влияние наполнителей, слабо взаимодействующих с полимером, на его вязкоупругие свойства обусловлено частичным заполнением объема жесткими малоподвижными включениями. Частицы наполнителя обычно достаточно велики, вследствие чего среднее расстояние между ними даже при большом содержании наполнителя велико по сравнению с обычными значениями среднеквадратичных расстояний между концами полимерных молекул. Более того, частицы наполнителя настолько удалены одна от другой, что не могут быть связаны между собой одной молекулярной цепью. Для таких систем, в которых толщина прослоек между частицами намного больше толщины граничных слоев, влиянием вклада граничных слоев в общие свойства системы можно пренебречь. С учетом таких упрощающих реальную картину предпосылок было получено много различных уравнений, описывающих повышение модуля упругости при введении наполнителя. [c.163] Из уравнений следует, что механические потери уменьшаются при введении наполнителя. [c.165] В приведенных выше уравнениях учитываются реальная структура наполненной системы и существование граничного слоя, хотя его вклад в изменение свойств полимерной матрицы здесь не оценивается. Введение параметра В носит, однако, весьма формальный характер. По смыслу эта величина является относительным увеличением размера частиц наполнителя вследствие образования граничного слоя. Из этого следует сомнительный вывод, что толщина связанного слоя должна уменьшаться при уменьшении толщины прослойки между частицами. Существование зависимости В от р не дает возможности использовать модифицированное уравнение Кернера (6.13), в котором такая зависимость не учтена. Найденные значения В меняются от 6 до 1, т. е. в пределе- до случая отсутствия граничного слоя. Для стеклянных шариков, у которых диаметр частиц в среднем составляет 40 мкм, величине В-3 соответствует толщина слоя, равная 16-20 мкм. [c.165] Предложенный подход представляет интерес в связи с попыткой учета существования связанного граничного слоя, но зависимость В от Ф ставит под сомнение его обоснованность, особенно если учесть, что толщина слоя должна зависеть от частоты воздействия [416]. [c.165] Однако вследствие ряда допущений, положенных в основу расчета, теоретические значения на порядок отличаются от экспериментальных данных. При дальнейших исследованиях было установлено, что упругие свойства наполненной системы определяются объемной долей наполнителя и слобо зависят от относительных размеров частиц наполнителя. [c.166] Ван-дер-Поль [424] получил выражение для С иЕ,., основываясь на посылках, близких к представлениям Кернера (см. рис. 6.1). В его модели сфера наполнителя радиусом a=Ф / окружена сферой материала с радиусом, равным единице. Полученная сфера в сфере, в свою очередь, окружена сферой радиусом к со свойствами гетерогенной композиции (см. рис. 6.1, в). [c.167] В целом, результаты расчетов по моделям Будянски и Кернера аналогичны. Вместе с тем надо учитывать, что рассмотренные уравнения выведены для разбавленных суспензий сферических частиц и в них не учитываются распределение частиц по размерам и форма частиц. Поэтому в большинстве случаев и является необходимой эмпирическая модификация уравнения, в которой учитывается эффективная доля наполнителя [425]. [c.167] Общим недостатком всех изложенных подходов является, по нашему мнению то, что в них не учтено адгезионное взаимодействие на межфазной границе, которое, как было рассмотрено в гл. 3, играет определяющую роль в свойствах наполненных композитов. В ряде теоретических работ Теокариса [426- 428] адгезия учтена. [c.167] В основу рассмотрения механических свойств композитов (наполненных как дисперсными наполнителями, так и волокнистыми), положено представление о мезофазе, или переходной области между твердым телом и матрицей. При этом межфазный слой может в первом приближении рассматриваться как гомогенный, хотя анализ показывает, что его следует описывать как негомогенный материал с прогрессивно изменяющимися свойствами между частицей и матрицей [428]. Этому слою Теокарис приписывает свойства независимой фазы, что удобно для расчетов, но не корректно с термодинамической точки зрения. Модель, используемая Теокарисом, - уже рассмотренная выше модель наполненного полимера с переходным слоем. Рассмотрение механического поведения системы может быть проведено на основе трехслойной или ] Г-слойной модели. В последнем случае межфазная область рассматривается как состоящая из N слоев с разными свойствами. [c.167] Для того, чтобы такие расчеты могли быть экспериментально проведены, необходимо определить объемную долю межфазного слоя у . [c.168] В этом случае константа В определяется из выражения В = (1 —у )/[1 —Уу(1-Х)], что дает возможность легко определить у,- по В. [c.168] Теоретическими расчетами, проведенными для стеклонаполненной эпоксидной смолы, были получены толщины межфазных слоев г,- при 70%-м наполнении порядка 6 мкм и значение объемной доли 6%. [c.168] В этих соотношениях экспоненты П1 и Лг являются характеристиками адгезии, определяющими передачу напряжений от матрицы к частице. [c.169] При высоких значениях А адгезия выше, поскольку при этом разность г,- и становится меньше. ТакоезаключениеТеокарисделает, полагая, что в случае совершенной адгезии межфазный слой (или мезофаза) полностью отсутствует. Реальная граница характеризуется дефектами и микротрещинами, что согласуется с теорией слабых слоев Бикермана. С нашей точки зрения, такой вывод неправомочен, поскольку сама адгезия вызывает иэменения свойств межфазной области, и в тем большей степени, чем она выше. Вместе с тем параметры тц и 112 удобны для оценки адгезии и дают достаточно полное о ней представление [431 - 433]. [c.169] Развитые Теокарисом модельные представления, как уже было сказано, распространены им на случай, когда межфазный слой рассматривается как многослойный. Учитывая градиент свойств этого слоя, такой подход может дать оптимальное приближение к экспериментальным данным. Однако моделирование релаксационных свойств межфазного слоя, характеризующегося градиентом [434, 435], показывает, что при числе слоев, взятых для исследования, более 10, все вязкоупругие характеристики перестают изменяться по сравнению с меньшим числом слоев, т. е. для моделирования свойств вполне достаточно дискретного распределения слоев по свойствам. [c.169] Вернуться к основной статье