Общие представления о композиционных полимерных материалах

А.Е. Заикин, М.Ф. Галиханов

 

 

ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ

ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

 

Учебное пособие

 

 

УДК 678.5/6: 678.046

 

Основы создания полимерных композиционных материалов:

Учеб. пособие /А.Е. Заикин, М.Ф.Галиханов; Казан. гос. технол. ун-т. Казань, 2001. 140 с. ISBN 5-7882-0185-3

Рассмотрены основы создания полимерных композиционных материалов конструкционного назначения путем введения в полимер жидких, газообразных и различных твердых наполнителей, а также путем смешения нескольких полимеров. Описаны основные закономерности изменения важнейших физико-механических свойств полимеров при наполнении.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 655100 – «Химическая технология высокомолекулярных соединений и полимерных материалов», а также аспирантов и научных работников, занимающихся созданием полимерных композиционных материалов.

Ил. 42. Табл. 9. Библиогр.: 28 назв.

 

 

Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского государственного технологического университета

 

Рецензенты: проф. В.Г. Хозин

 

проф. Э. Р. Галимов

 

 

ISBN 5-7882-0185-3 © Казанский государственный

технологический университет,

2001 г.

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Общие представления о композиционных полимерных материалах.......................................................................................... 6

1.1 История и причины создания композиционных материалов........ 6

1.2 Определение ПКМ............................................................................ 9

1.3 Классификация ПКМ..................................................................... 11

Литература............................................................................................. 13

2. композиции и Адгезия полимеров................................ 14

2.1 Работа адгезии.............................................................................. 14

2.2 Адгезионная прочность................................................................. 16

2.3 Теории адгезии............................................................................... 17

2.3.1 Адсорбционная (молекулярная) теория адгезии........................ 18

2.3.2 Теория адгезии, основанная на рассмотрении разрушения...... 20

2.3.3 Теория слабого граничного слоя................................................. 21

2.3.4 Диффузионная теория адгезии.................................................. 22

Литература............................................................................................. 22

3. КОМПОЗИЦИИ С дисперсныМИ наполнителЯМИ...... 23

3.1 Основные цели введения дисперсных наполнителей в полимеры 23

3.2 Дисперсные наполнители............................................................... 25

3.2.1 Основные характеристики дисперсных наполнителей............. 25

3.2.2 Классификация дисперсных наполнителей................................ 31

3.3 Смешение, как способ получения ПКМ....................................... 32

3.3.1 Общая характеристика процесса смешения............................. 32

3.3.2 Характеристика качества распределения наполнителя.......... 32

3.3.3 Механизм диспергирования агломератов наполнителя............ 34

3.3.4 Способы повышения качества диспергирования наполнителя 37

3.3.5 Механохимические процессы при смешении............................... 39

3.3.6 Способы смешения полимеров с дисперсными наполнителями 40

3.4 Деформационные и реологические свойства полимеров с дисперсными наполнителями...................................................................................... 41

3.4.1 Деформационные свойства........................................................ 42

3.4.2 Реологические свойства.............................................................. 44

3.4.3 Модуль упругости и твердость................................................. 45

3.4.4 Предельная деформация............................................................. 46

3.4.5 Влияние характеристик наполнителя на деформационные свойства 48

3.5 Прочность наполненных полимеров............................................ 48

3.5.1 Разрушение и прочность материалов....................................... 49

3.5.2 Механизм упрочнения полимеров высокодисперсными частицами 50

3.5.3 Работа разрушения и ударная вязкость................................... 54

3.5.4 Температура хрупкости............................................................. 55

3.5.5 Влияние различных факторов на прочностные свойства ПКМ 55

Литература............................................................................................. 56

4. Полимеры с волокнистыми наполнителями........ 57

4.1 Теоретические основы наполнения полимеров волокнами...... 57

4.1.1 Механизм усиления полимеров волокнами.................................. 57

4.1.2 Влияние различных факторов на свойства полимеров с волокнистым наполнителем....................................................................................... 59

4.1.3 Компоненты для ПКМ с волокнистыми наполнителями.......... 64

4.2 Методы получения полимерных изделий с волокнистыми наполнителями 67

4.2.1 Получение ПКМ с короткими волокнами и изделий из них....... 67

4.2.2 Методы получения изделий с длинными волокнами.................. 68

4.2.3 Протяжка................................................................................... 69

4.2.4 Намотка...................................................................................... 71

4.2.5 Получение изделий формованием............................................... 75

Литература............................................................................................. 77

5. Смеси полимеров...................................................................... 79

5.1 Термодинамика смешения полимеров......................................... 79

5.1.1 Адгезия между полимерами и способы ее повышения.............. 83

5.3 Структура гетерогенных смесей полимеров................................ 84

5.4 Механизм смешения полимеров и размер полимерных частиц 86

5.5 Механические свойства смесей полимеров................................ 88

5.5.1 Влияние состава и структуры смесей полимеров на их механические свойства 88

5.5.2 «Усиление» хрупких полимеров каучуками................................. 91

5.5.3 Термоэластопласты на основе смесей полимеров..................... 93

Литература............................................................................................. 94

6. Композиции на основе полимеров и жидкостей 96

6.1 Пластификация полимеров............................................................ 96

6.1.1 Механизм пластификации.......................................................... 97

6.1.2 Влияние пластификатора на различные свойства полимера.. 97

6.1.3 Влияние характеристик пластификатора на его пластифицирующую эффективность................................................................................. 100

6.1.4 Теории пластификации............................................................ 101

6.1.5 Требования к пластификаторам............................................. 102

6.2. Гетерогенные системы полимер - жидкость.............................. 104

Литература........................................................................................... 105

7. Газонаполненные полимеры (пенопласты)......... 106

7.1 Классификация пенополимеров.................................................. 106

7.2 Структура и свойства газонаполненных полимеров................. 106

7.3 Общие принципы получения газонаполненных полимеров.......... 108

7.4 Основные методы получения пенопластов............................... 110

7.4.1 Механическое вспенивание........................................................ 110

7.4.2 Методы вспенивания полимеров газом, образующимся непосредственно в объеме композиции......................................................................................... 111

7.5 Теоретические основы вспенивания полимеров.......................... 114

7.6 Характеристика твердых газообразователей.......................... 117

7.7 Методы получения изделий из вспененных полимеров................ 119

7.8 Применение газонаполненных полимеров.................................... 122

Литература........................................................................................... 122

8. ПРИДАНИЕ ПОЛИМЕРАМ СПЕЦИАЛЬНЫХ СВОЙСТВ...... 123

8.1 Полимерные композиции с антифрикционными свойствами. 123

8.1.1 Требования к материалам узлов трения.................................. 123

8.1.2 Придание полимерам антифрикционных свойств.................. 125

8.1.3 Повышение стойкости полимеров к истиранию.................... 126

8.1.4 Промышленные антифрикционные полимерные материалы. 128

8.2 ПКМ с пониженной горючестью................................................. 130

8.2.1 Характеристики горючести полимерных материалов.......... 131

8.2.2 Методы снижения горючести полимеров............................... 133

8.2.2.1 Основные классы антипиренов.............................................. 134

Литература........................................................................................... 137

 

Определение ПКМ

Для того, чтобы рассуждать о ПКМ, прежде всего, необходимо определить, что понимается под полимерными композиционными материалами. Однако точного и однозначного определения композиционного материала пока не дано. Дело в том, что среди ученых нет единого мнения, что считать композиционным материалом, а что – нет. Кроме того, из-за огромного разнообразия и множества КМ трудно в одной фразе выделить все признаки, объединяющие композиционный материал и отделяющие его от всех других материалов. Наиболее приемлемым является следующее определение.

Композиционными называются материалы, образованные объемным сочетанием двух или большего числа химически разнородных компонентов с четкой границей между ними.

По своей структуре композиционный материал можно представить состоящим из нескольких фаз: одной непрерывной фазы (матрицы) и одной или более дисперсных фаз, или состоящим из двух или более непрерывных фаз с возможными дисперсными фазами в каждой непрерывной фазе.

Композиционный материал, непрерывная фаза которого образована полимером, называют полимерным композиционным материалом.

Следует уточнить некоторые термины. В композиционных материалах дисперсионную среду (непрерывную фазу) называют матрицей или связующим, а дисперсную фазу – наполнителем или диспергированным веществом.

Помимо полимера ПКМ обычно содержит пигменты, пластификаторы, стабилизаторы, смазывающие вещества, газообразователи и другие полимеры и наполнители.

Но как уже отмечалось, это определение нельзя назвать полным и однозначным. Имеются материалы, которые не попадают под это определение, но которые традиционно относят к композиционным. Например, пластифицированные полимеры все считают композиционным материалом, в то же время между его компонентами (полимером и пластификатором) нет четкой границы раздела.

Поэтому необходимо перечислить основные виды ПКМ:

- полимеры, содержащие любые твердые частицы или волокна;

- смеси полимеров;

- полимеры, содержащие жидкости в виде включений или пластификаторов;

- полимеры, содержащие газообразные наполнители;

Кроме того, необходимо отделять композиционный материал от композиционной конструкции. Композиционный материал предназначен для изготовления деталей, а композиционная конструкция состоит из готовых деталей, сделанных из разнородных материалов.

Давайте посмотрим, какие ПКМ окружают нас? Это все резины, поскольку это каучук, содержащий усиливающий высокодисперсный наполнитель (технический углерод или оксид кремния). К ПКМ относятся все красочные эмалевые покрытия, поскольку представляют собой полимер, содержащий твердые порошкообразные пигменты и наполнители. Это древесностружечные и древесноволокнистые плиты, в которых стружки или древесные волокна связаны термореактивным полимером. Это линолеум и искусственная кожа, поскольку состоят из полимерного связующего, пластификатора и дисперсных наполнителей. Это стеклопластики, состоящие из стеклянных волокон, связанных полимером. Это ударопрочный полистирол, состоящий из полистирола с включениями частиц каучука. Подавляющее число окружающих нас изделий сделано не из "чистых" полимеров, а из ПКМ. Этот перечень можно еще долго продолжать, поскольку ПКМ буквально окружают нас всюду.

Классификация ПКМ

Для лучшего понимания и усвоения материала по полимерным композиционным материалам необходимо их классифицировать.

Существует несколько видов классификации ПКМ, в основу которых положены различные признаки. Однако из-за многообразия ПКМ и способов получения единой их классификации не существует. Так как все ПКМ состоят из полимерной матрицы и содержат наполнитель, то можно провести классификацию по агрегатному состоянию и геометрической форме наполнителя. Такая классификация (рис. 1.1) наиболее предпочтительна и с позиции изучения полимерных композиционных материалов.

Согласно этой классификации (рис. 1.1), наполнители в полимерной матрице могут находиться в твердом, жидком, и газообразном состояниях, и как особый вид состояния наполнителя можно выделить полимерное состояние. Геометрическая форма наполнителя оказывает огромное влияние на свойства ПКМ. Поэтому, используя наполнитель различной формы, или изменяя форму наполнителя путем модифицирования условий получения, можно в широких пределах регулировать многие свойства ПКМ.

Твердые наполнители вводят в полимер для самых различных целей. В большом числе случаев эти наполнители вводят для повышения прочности полимеров. Такое действие наполнителей на полимеры обычно называют усилением. Дисперсными наполнителями усиливают в основном эластомеры, и получают при этом резины.

Одной из важнейших целей введения твердых дисперсных наполнителей является удешевление полимеров. Для этого в полимер вводят большое количество дешевого наполнителя.

Кроме того, большое количество композиций содержит дисперсный наполнитель для придания полимерам самых разнообразных специальных (специфических) свойств. Сюда можно отнести придание полимерам нужного цвета, повышение липкости к металлам и другим веществам, придание электропроводности, улучшение теплопроводности, защита от ультрафиолетового излучения, снижение или повышение коэффициента трения, снижение горючести и регулирование многих других свойств полимеров.

 

 

Рис. 1.1 Классификация ПКМ по агрегатному состоянию и геометрической форме наполнителя и применение ПКМ

 

 

Теплоизоляция, звукоизоляция, упаковка, мягкая мебель

Усиление

Усиление

Удешевление (высоконаполненные полимеры)

Придание специфических свойств

Жесткие

Изолированные поры (пены)

Мягкие

Непрерывные поры (губки)

Растворимые жидкости

Капсулированные жидкости

Ориентированные волокна

Беспорядочно расположенные

Непрерывные волокна

Короткие волокна

Газообразные наполнители

Волокнистые

Пластинчатые

Дисперсные

Жидкие наполнители

Смеси полимеров

Гетерогенные

Гомогенные

Твердые наполнители

 

 

	Одноосно ориентированные		Многоосно ориентированные

 

 

Применение волокнистых и пластинчатых наполнителей позволяет во много раз повысить прочность полимеров. Волокнистые и пластинчатые наполнители используют чаще для усиления жестких реактопластов (стеклопластики, углепластики, прессовочные композиции), и значительно реже - для усиления термопластов и эластомеров.

Смешение полимеров используют, прежде всего, для расширения ассортимента полимерных материалов и для придания им нужных свойств. Например, для придания хрупким полумерам повышенной ударной вязкости и морозостойкости, для получения смесевых термоэластопластов, для удешевления дорогостоящих полимеров, для снижения усадки и для многих других целей.

Введение низкомолекулярных жидкостей в полимеры применяется в основном для пластификации полимеров (снижения температуры стеклования и текучести полимеров).

Пенопласты нашли в настоящее время очень широкое применение. Это звуко- и теплоизоляция, упаковка изделий, чувствительных к ударам и вибрации, изготовление всевозможных мягких изделий (игрушки, мебель, сиденья) и т.д.

Литература

1. Промышленные полимерные композиционные материалы: Пер. с англ. / Под ред. М. Ричардсона. - М.: Химия, 1980. - 472 с.

2. Менсон Дж., Сперлинг Л. Полимерные смеси и композиты. М.: Химия, 1979. – 440 с.

3. Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн. Кн. 1. / Под ред. Дж. Любина: Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1988. - 448 с.

4. Принципы создания композиционных полимерных материалов / А.А. Берлин и др. - М.: Химия, 1990.- 240 с.

5. Наполнители для полимерных композиционных материалов /Под ред. Г.С.Каца и Д.В.Милевски. – М.: Химия, 1081. – 736 с.

6. Т. Фудзии, М. Дзако. Механика разрушения композиционных материалов: Пер. с японского. - М.: Мир, 1982. - 232 с.

Работа адгезии

Что такое адгезия? Существует несколько взаимодополняющих определений.

Адгезия - молекулярная связь, возникающая между поверхностями разнородных тел, приведенных в контакт [1].

Адгезия - термодинамическая работа, которую необходимо совершить для разделения в равновесных условиях двух приведенных в контакт разнородных тел [1].

Имеется родственное адгезии понятие когезия. Когезия - это адгезия тела самого к себе.

Для образования молекулярной связи разнородные тела должны быть сближены до расстояния действия молекулярных сил (несколько ангстрем). Для такого сближения по всей поверхности необходимо, чтобы хотя бы одно из тел было жидкостью. При образовании адгезионной связи между жидкостью и твердым телом жидкость называют адгезивом, а твердое тело – субстратом. После образования адгезионной связи жидкость может быть переведена в твердое состояние за счет охлаждения или "сшивки". При этом молекулярная связь между телами полностью или частично сохраняется.

Понятие адгезии самым непосредственным образом связано с поверхностной энергией тел. Поверхностное натяжение (или свободная поверхностная энергия) - это энергия, которую необходимо затратить для образования единицы новой поверхности.

При образовании адгезионной связи вместо двух поверхностей раздела, принадлежащих приводимым в контакт телам, возникает одна новая – между этими телами. Следовательно, поверхностная энергия поверхностей двух тел исчезает и появляется энергия вновь образовавшейся поверхности. На основании этого и закона сохранения энергии равновесную работу адгезии рассчитывают исходя из поверхностного натяжения тел:

 

W_a = g₁ + g₂ - g₁₂ (2.1)

где: W_a – работа адгезии, g₁ и g₂ – поверхностные натяжения фаз 1 и 2, g₁₂ – поверхностное натяжение между фазами 1 и 2.

Померить величину поверхностного натяжения твердого тела и межфазное натяжение между жидкостью и твердым телом сложно. В этом случае адгезию можно определить исходя из такого явления как смачивание (рис. 2.1).

Для капли, находящейся в равновесии на твердой поверхности, равенство сил поверхностного натяжения запишется как:

 

g_т-ж + g_ж-гСоsq = g_т-г (2.2)

 

где g_т-г - равновесное поверхностное натяжение твердого тела; g_ж-г - равновесное поверхностное натяжение жидкости; g_т-ж - межфазное поверхностное натяжение на границе раздела твердое тело - жидкость; q - угол смачивания.

 

 

газ жидкость q

твердое тело g_т-ж g_т-г

 

Рис. 2.1 Силы поверхностного натяжения, действующие на каплю жидкости на твердой поверхности.

Из уравнений (2.1) и (2.2) следует равенство Дюпре – Юнга:

 

W_а = g_ж-г (1 + cos q) (2.3)

 

Таким образом, если известно поверхностное натяжение жидкости, то для определения работы адгезии этой жидкости к поверхности достаточно померить угол смачивания твердой поверхности этой жидкостью. Однако померить этот угол можно только для капельных жидкостей, обладающих небольшой вязкостью. Для высоковязких расплавов полимеров этот угол померить невозможно, а в результате невозможно определить и термодинамическую работу адгезии полимера к твердой поверхности.

Адгезионная прочность

Померить равновесную работу адгезии между полимером и твердым телом в подавляющем большинстве случаев не представляется возможным из-за очень высокой вязкости полимеров. Поэтому применительно к полимерам определяют не адгезию, а адгезионную прочность. Она измеряется как удельная работа или удельная сила разрушения связи между адгезивом и субстратом [1]. С практической точки зрения при использовании полимеров в качестве клеёв или матрицы для ПКМ важна не работа адгезии, а механическая прочность связи полимера с другой поверхностью.

Однако при механическом разрушении адгезионного соединения работа, затрачиваемая на отслаивание двух тел, идет не только на преодоление адгезии, но и на другие побочные процессы (деформация тела, преодоление сил механических зацеплений, т.д.). Поэтому не только величины, но и понятия адгезии и адгезионной прочности не тождественны, и их нужно четко разграничивать.

Методов определения адгезионной прочности очень много. Их выбор зависит от того, какой нагрузке будет подвергаться адгезионное соединение при эксплуатации. Но из этих способов можно выделить три наиболее часто используемых – это адгезионная прочность при нормальном отрыве (рис. 2.2 а), при отслаивании (рис. 2.2 б) и при сдвиге (рис. 2.2 в).

 

 

а б в

Рис. 2.2 Методы измерения адгезии твердых полимеров к твердому телу. – адгезив (полимер), - - субстрат, - направление приложения нагрузки при разрушении адгезионного соединения.

 

Для измерения адгезии методами нормального отрыва пользуются образцами грибкового типа, между торцевыми поверхностями которых находится адгезив (рис.2.2 а).

Любая система адгезив - субстрат характеризуется не только величиной адгезии, но и типом нарушения связи между компонентами, т.е. характером разрушения. Общепринятой считается следующая классификация видов разрушений: адгезионное, когезионное и смешанное (рисунок 2.3). Адгезионное разрушение проходит непосредственно по границе раздела фаз. Когезионное разрушение может происходить вблизи поверхности раздела фаз (граничный слой) или в массе, где влияние поверхности раздела не ощущается.

Возможность разрушения адгезионного соединения не по границе раздела фаз является еще одной причиной, не позволяющей отождествлять адгезию и адгезионную прочность.

 

 

 

 

а б в

Рис. 2.3 Виды разрушений: а - адгезионное; б - когезионное; в - смешанное

Теории адгезии

Понятно, что адгезия между фазами в ПКМ – это очень важный фактор, определяющий свойства композиционного материала. Следовательно, предсказание прочности адгезионного соединения очень важно при научном подходе к вопросу создания полимерных композитов.

Существует несколько теорий адгезии. Основная задача всех этих теорий - предсказать величину адгезионной прочности между субстанциями исходя из их химического строения, структуры и условий образования контакта между ними. В настоящее время известно много теорий адгезии: механическая теория адгезии, адсорбционная, электрическая, диффузионная, электрорелаксационная, а также некоторые другие теории, по-разному трактующие механизм образования и разрушения адгезионного соединения.

Литература

1. А.А. Берлин, В.Е. Басин. Основы адгезии полимеров. - М.: Химия, 1969. - 320 с.

2. С. Ву. Межфазная энергия, структура поверхности и адгезия между полимерами./ В кн.: Смеси полимеров Под ред. Д. Пола и С. Ньюмена: Пер. с англ. - М.: Мир, 1981. - Т. 1. - С. 282 - 336.

3. Зимон А.Д. Адгезия пленок и покрытий. - М.: Химия, 1977. - 352 с.

Дисперсные наполнители

Деформационные свойства

Все деформационные свойства полимеров можно разделить на две группы. Первая группа деформационных свойств характеризует сопротивляемость тел деформации - это вязкость расплава (h), модуль упругости (Е – при продольной деформации, G – при сдвиге, М – общий), твердость (Н), предел текучести (s _Т). Другая группа свойств характеризует предельную способность тел деформироваться – это предельная деформация при разрушении (e), например, относительное удлинение при разрыве (e_р) (рис. 3.4).

	Рис. 3.4. Деформационно-прочностная кривая полимера при Тхр < Т < Т ст(пл).
		Деформация тела под действием внешних механических сил обусловлена тремя составляющими: изменениям межатомных расстояний, изменением конформаций макромолекул и перемещением макромолекул относительно друг друга (течением).

 

 

Введение твердых частиц в полимеры снижает способность полимеров к изменению конформации макромолекул и к перемещению относительно друг друга. В результате этого повышается их сопротивляемость деформированию и снижается величина предельной деформации.

Такое влияние обусловлено рядом причин. Рассмотрим их.

Первая причина – это наличие на поверхности частиц наполнителя адсорбированных макромолекул полимера. Часть макромолекулы адсорбируется на твердой поверхности и оказывается неподвижной. Эта неподвижность передается на некоторое расстояние по длине макромолекулы, уменьшая ее подвижность. Чем ближе сегмент адсорбированной макромолекулы к твердой поверхности, тем меньшим количеством степеней свобод он обладает. В результате этого у твердой поверхности наполнителя образуется слой полимера с пониженной подвижностью. С удалением от поверхности наполнителя подвижность участков адсорбированных макромолекул повышается. Поскольку удельная поверхность некоторых наполнителей очень высока (несколько сотен квадратных метров на 1 грамм), то доля полимера с пониженной подвижностью может быть довольно значительной. Наличие части «заторможенных» макромолекул затрудняет деформацию композиции и ведет к повышению упругости, твердости и вязкости полимера. Вследствие этого с повышением удельной поверхности (S_уд) наполнителя сопротивляемость ПКМ деформированию возрастает. Кроме того, вследствие адсорбции на твердой поверхности макромолекулы оказываются физически связанными через частицы наполнителя, что снижает их способность к деформации течения.

	Рис. 3.5 Общий характер зависимости сопротивляемости деформированию полимеров от объемного содержания наполнителя   Вторая причина – это образование дисперсными частицами пространственной коагуляционной сетки, напоминающей собой каркас, который оказывает дополнительное сопротивление деформированию. Образование такой непрерывной сетки возможно лишь при достижении определенной концентрации наполнителя в полимере, называемой перколяционной.

 

 

Степень влияния последнего фактора увеличивается с ростом концентрации наполнителя.

Еще одна причина повышения сопротивляемости полимеров деформированию и снижения величины предельной деформации полимеров связана с тем, что модуль упругости твердых частицы наполнителя гораздо выше модуля упругости полимеров и наполнители не способны к столь большим деформациям как полимеры. Естественно, что замещение части объема полимера твердыми частицами снижает способность композиции к деформации и повышает ее сопротивление деформированию.

Все эти факторы вызывают повышение любого модуля упругости (Е, G, М), а также h, Н, s_Т, и ведут к снижению e. Эти параметры с увеличением содержания наполнителя изменяются нелинейно, и с приближением концентрации к j_м резко возрастают (рис. 3.5).

Пониженная подвижность некоторой части адсорбированных на наполнителе макромолекул вызывает небольшое повышение температуры стеклования Т_ст полимера.

Причины повышения сопротивляемости полимеров деформированию при наполнении достаточно очевидны. Однако их математическая интерпретация оказалась довольно сложной.

Наиболее полно на количественном уровне описаны реологические свойства полимеров.

Реологические свойства

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.

Первым уравнением, теоретически описывающим поведение суспензий, было уравнение Эйнштейна:

 

, (3.13)

 

где h, h₁ – вязкости суспензии и жидкой фазы; k_Е – коэффициент Эйнштейна, j ₂ – объемная доля твердых частиц.

 

Из уравнения Эйнштейна следует, что зависимость вязкости суспензии от количества наполнителя имеет линейный характер, а крутизна увеличения вязкости определяется коэффициентом k _E. Однако, как уже отмечалось, рассматриваемая зависимость нелинейная, с увеличением концентрации наполнителя степень его влияния на вязкость возрастает, и при приближении j ₂ к j_m вязкость суспензии резко возрастает (рис. 3.5). Уравнение Эйнштейна удовлетворительно описывает только дисперсии с очень низкой концентрацией твердых частиц.