Механизм упрочнения полимеров высокодисперсными частицами

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 [9 Гл.6]. 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. 3.7).

Совсем другая ситуация возникает, если размер частиц наполнителя больше критического. Введение такого наполнителя в полимер вызывает возникновение крупных трещин и ведет к разрушению материала при меньших нагрузках, чем без наполнителя. Чем больше размер частиц наполнителя, тем больше напряжения в матрице около этих частиц, и тем при меньшей нагрузке в полимере возникают крупные трещины, и происходит разрушение материала (рис. 3.7).Таким образом, упрочнение полимеров наполнителем имеет место при размере дисперсных частиц меньше некоторого критического размера. Увеличение размера частиц вызывает снижение прочностных свойств композита [9 Гл.12, 15].

Рис. 3.7 Зависимость относительной прочности (sр/sр1) резины на основе бутадиенового каучука от размера частиц наполнителя. Наполнитель – латексные частицы сополимера стирол: дивинилбензол: акрилонитрил (75:20:5) Рис. 3.7 Зависимость относительной прочности (sр/sр1) резины на основе бутадиенового каучука от размера частиц наполнителя. Наполнитель – латексные частицы сополимера стирол: дивинилбензол: акрилонитрил (75:20:5). Рис. 3.7 Зависимость относительной прочности (sр/sр1) резины на основе бутадиенового каучука от размера частиц наполнителя. Наполнитель – латексные частицы сополимера стирол: дивинилбензол: акрилонитрил (75:20:5). Рис. 3.7 Зависимость относительной прочности (sр/sр1) резины на основе бутадиенового каучука от размера частиц наполнителя. Наполнитель – латексные частицы сополимера стирол: дивинилбензол: акрилонитрил (75:20:5).

 

 

Как показывают экспериментальные данные, критический размер наполнителя лежит в пределах нескольких сотен нанометров и, как следует из теории прочности (уравнение 3.23), он зависит от таких характеристик полимерной матрицы, как g_т и Е.

Кроме того, исследования показывают, что растущие трещины при встрече с частицами наполнителя ветвятся [9 Гл.6], что предотвращает разрастание трещины до критических размеров и требует дополнительных затрат энергии на образование новой поверхности. Это вторая причина упрочнения полимеров дисперсными частицами.

Немаловажное влияние на прочностные свойства композита оказывает и наличие на поверхности наполнителя слоя полимера с пониженной подвижностью. Этот слой повышает модуль упругости полимера, что согласно уравнению (3.23) повышает прочность материала. Поэтому увеличение S_уд наполнителя ведет к повышению прочностных свойств композита. Это третья причина упрочнения полимеров высокодисперсными частицами.

Приведенные выше закономерности упрочнения полимеров справедливы до определенной степени наполнения. При приближении концентрации наполнителя в полимере к j _m наблюдается снижение прочностных свойств композита независимо от размера диспергированных частиц. Такое поведение называют «обратимостью» упрочняющего действия наполнителей (рис. 3.8). Дело в том, что деформирование композита сопряжено с перемещением частиц наполнителя. Плотная упаковка частиц наполнителя препятствует их перемещению. В результате при деформировании высоконаполненного композита в его матрице возникают большие внутренние перенапряжения, что и вызывает снижение прочности композита. Исключением из этого правила является только прочность при сжатии.

Рис. 3.8 Зависимость относительной прочности (s/s₁) при растяжении полимеров от содержания наполнителя. 1 – для сшитых эластомеров при Т > Т_ст, наполненных высокодисперсным наполнителем; 2 – для аморфных полимеров при Т < Т_ст и для кристаллических полимеров при Т < Т_пл, наполненных высокодисперсным наполнителем; 3 – для полимеров, наполненных грубодисперсным наполнителем.

 

 

Степень упрочнения высокодисперсными наполнителями зависит от физического состояния полимерной матрицы (рис. 3.8). Наибольшее упрочнение наблюдается для сшитых полимеров, находящихся в высокоэластическом состоянии (в 5 - 10 раз). В значительно меньшей степени усиливаются стеклообразные полимеры и кристаллические полимеры (в 1,2 – 2 раза).

Например, для резины при температуре выше температуры стеклования величина s/s₁ составляет 4 – 7, а при охлаждении этой резины ниже температуры стеклования величина s/s₁ становится менее 2.

Такое влияние температуры (а точнее физического состояния полимера) объясняют различной степенью воздействия наполнителя на подвижность адсорбированных макромолекул [10]. Снижение подвижности макромолекул при их адсорбции на поверхности частиц наполнителя ведет к повышению прочности полимера. В полимерах, находящихся в высокоэластическом состоянии, адсорбция макромолекул на поверхности наполнителя вызывает более существенное снижение их подвижности, чем в стеклообразных или кристаллических полимерах [10].

Таким образом, основными причинами упрочнения полимеров частицами высокодисперсного наполнителя являются:

- затраты внешней энергии на образование большого числа микротрещин около частиц наполнителя;

- ограничение роста микротрещин и их ветвление при встрече с частицами наполнителя;

- повышение модуля упругости матрицы из-за ограничения подвижности части адсорбированных на наполнителе макромолекул.

Из вышеприведенных рассуждений вытекает и влияние адгезии между полимером и наполнителем на прочность композитов. Это влияние существенно отличается для мелких и крупных наполнителей. Понижение адгезии ведет к снижению нагрузки, при которой происходит отслаивание полимера от наполнителя и образование дефекта. Понятно, что при размере частиц наполнителя больше критического это вызывает резкое падение прочности композита.

Если размер частиц наполнителя ниже критического, то адгезия полимер-наполнитель по-другому влияет на прочность композита [9 Гл.15]. Полностью влияние адгезии на усиливающее действие высокодисперсных наполнителей еще не установлено. По-видимому, максимальное усиление достигается при оптимальном уровне адгезии между полимером и частицами наполнителя.

При слишком низкой адгезии полимера к наполнителю, работа, затрачиваемая на образование новой поверхности между полимером и наполнителем, невелика. Это ведет к образованию большого количества отслаиваний и трещин уже при небольшой нагрузке на материал. Поэтому наполнитель с низкой адгезией к матрице снижает ее прочность. Такое наблюдается, например, при наполнении диеновых резин высокодисперсными частицами политетрафторэтилена [10]. При слишком высокой адгезии наполнителя к полимеру образование трещин в матрице, по-видимому, происходит раньше, чем отслаивание матрицы от поверхности частиц наполнителя. В этом случае затрат энергии на отслаивание полимера от наполнителя нет. Таким образом, при слишком высокой адгезии полимера к наполнителю наполнитель в меньшей степени упрочняет полимер, чем при оптимальной величине этой адгезии. Например, высокодисперсные частицы полистирола сильнее упрочняют резину на основе бутадиен-стирольного эластомера, чем такие же по размеру частицы сополимера стирола с небольшим количеством бутадиена, хотя частицы последнего характеризуются большей адгезией к данной матрице [10]. Можно привести и другой пример, замена усиливающих частиц из полистирола на частицы из сополимера стирола с акрилонитрилом или с метакрилатом снижает адгезию к ним бутадиенового каучука, и способствуют повышению усиливающей способности.