Расчет структурных характеристик нанокомпозитов на основе динамических термоэластопластов

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Механика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

А. И. Нигматуллина, C. И. Вольфсон, Н. А. Охотина
РАСЧЕТ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ТЕРМОЭЛАСТОПЛАСТОВ
Ключевые слова: нанокомпозиты, динамические термоэластопласты, структурные характеристики.
Изучены структурные характеристики (фрактальная размерность структуры, коэффициент Пуассона, показатель статической гибкости, степень натяжения аморфных цепей) нанокомпозитов на основе динамических термоэластопластов.
Keywords: nanocomposites, dynamically vulcanized thermoelastoplastics, structure characteristics.
The structure characteristics (fractal dimension of structure, Poisson'-s constant, index of statical flexibility, tightness of amorphous chains) of nanocomposites based on dynamically vulcanized thermoelastoplastics were analyzes.
В результате исследований, проведенных на кафедре ХТПЭ КНИТУ, были изучены закономерности влияния способа введения и дозировки органомодифицированного нанонаполнителя Сіоібііє 15А в нанокомпозитах на основе бутадиен-нитрильного каучука и полипропилена [1−4]. Экспериментальные закономерности были подтверждены теоретическими расчетами их структурных характеристик. Для расчетов были применены методы фрактального анализа, поскольку формирование структуры полиолефин-эластомерной матрицы композитов происходит в трехмерном евклидовом пространстве.
В качестве структурной характеристики использована фрактальная размерность df, как наиболее общий информатор состояния структуры [5]. Фрактальная размерность структуры композита определяется по уравнению [6]:
^ - 1)(1 + м), (1)
где d = 3 — размерность евклидова пространства, в котором рассматривается фрактал- м — коэффициент Пуассона, определяемый из результатов механических испытаний с помощью соотношения [7]
а /Е = (1 — 2 м) / 6(1 + м), (2)
где с — условная прочность при разрыве, МПа-
Е — модуль упругости, МПа.
Результаты расчета величины фрактальной размерности представлены в табл. 1. Полученные данные (табл. 1) показывают, что величина статической гибкости полимерной цепи ДТЭП, содержащих ММТ, превышает показатель статической гибкости полимерной цепи ненаполненного ДТЭП, а величина статической гибкости полимерной цепи в меж-фазной области С"мф выше у композитов, полученных при введении нанонаполнителя в каучук.
Более высокие значения величины статической гибкости полимерной цепи в наполненных системах позволяют предположить изменение степени натяжения цепей на поверхности пластины наполнителя.
Результаты расчета показали, что величина df для ненаполненных композитов несколько ниже по сравнению с наполненными и что для композитов, полученных при соотношении каучука и ПП БНКС-18: ПП = 70: 30 она меньше, чем при соотношении БНКС-18:1 III = 50: 50. Но во всех случаях значения df & lt- 3, что свидетельствует о формирова-
нии структуры нанокомпозитов в трехмерном фрактальном пространстве.
Таблица 1 — Структурные характеристики и свойства композитов на основе бутадиен-нитрильного каучука, полипропилена и монтмориллонита
Структурные характеристики Дозировка Cloisite 15A
0 1 3 5
1 2 3 4 5
Соотношение БНКС-18: 1111= 70: 30
Введение Cloisite 15A в полипропилен
df 2,608 2,666 2,656 2,656
V 0,304 0,333 0,328 0,328
Фн — 0,006 0,018 0,030
фмф — 0,130 0,119 0,108
1мгЪ ^ впл — 11,4 3,3 1,8
С 3,55 4,00 3,91 3,91
/-ч мф Сда — 7,0 6,6 6,9
С 8 Ц — 14,70 14,60 14,49
Дц — 1,94 1,97 1,96
Введение Cloisite 15A в каучук
df 2,608 2,642 2,634 2,666
V 0,304 0,321 0,317 0,333
Фн — 0,006 0,018 0,030
фмф — 0,125 0,115 0,129
1мгЪ ^ впл — 10,4 3,2 2,2
С 3,55 3,79 3,73 4,0
/-Ч мф Сда — 5,5 5,1 7,0
С 8 ц — 15,30 15,04 12,58
Дц — 2,0 2,0 1,83
Соотношение БНКС-18: 1111= 50: 50
Введение Cloisite 15A в полипропилен
df 2,620 2,746 2,746 2,760
V 0,310 0,373 0,373 0,38
Фн 0 0,006 0,018 0,030
фмф 0 0,189 0,183 0,184
1мгЪ ^ впл — 15,1 5,1 3,1
С 4,94 4,94 5,17
/-Ч мф Сда 3,63 10,6 10,7 12,0
С 8 ц — 10,28 9,95 9,36
Дц — 1,46 1,44 1,36
Введение Cloisite 15A в каучук
df 2,620 2,772 2,774 2,792
Окончание табл. 1
1 2 3 4 5
и 0,310 0,386 0,387 0,396
фн 0 0,006 0,018 0,030
фмф 0 0,229 0,222 0,230
1мф ^ впл — 19,1 6,2 3,8
С 5,39 5,42 5,81
ф м 8 С 3,63 11,3 11,7 13,1
ц 8 С — 8,50 8,34 7,69
Дц — 1,27 1,25 1,16
* (1? — фрактальная размерность структуры-
и — коэффициент Пуассона-
фн и фмф — объемные доли наполнителя и межфазных областей-
1мф — толщина межфазного слоя-
впл — толщина пластины ММТ-
С" - показатель статической гибкости полимерной цепи-
С"мф — показатель статической гибкости полимерной цепи в межфазной области-
Дц — степень натяжения аморфных цепей, 1& lt-Дц<-2
Важную роль в упрочнении композитов играет процесс формирования межфазных слоев, поэтому была рассчитана относительная доля межфазных областей фмф [8] по уравнению:
Ек / Ем = 1 + 11(фн + Фмф)1,7, (3)
где Ек и Ем — модули упругости наполненного и енаполненного ДТЭП соответственно- фн — объемная доля наполнителя.
Зная фмф, можно рассчитать отношение толщины межфазного слоя 1мф к толщине пластины слоистого наполнителя [8−10]:
1мф / впл фмф / 2фн (4)
По величинам фрактальной размерности ненаполненных и наполненных слоистым силикатом С1о18Йе 15А композитов были найдены значения характеристического отношения С" [11], которое является показателем статической гибкости полимерной цепи и определяется согласно уравнению:
см = [2 df / а (а — 1)(а — df)] + 4/3 (5)
где, а =3 — размерность евклидова пространства- df -фрактальная размерность полимера.
По показателям статистической гибкости цепей для ненаполненного (С"°) и наполненного композитов (См,) можно рассчитать также величину статической гибкости полимерной цепи в межфаз-ной области Сммф по уравнению:
Сммф -фмф = ем — С0 (1 — фмф) (6)
Это подтверждено расчетом степени натяжения аморфных цепей, поскольку, согласно [10], модуль упругости аморфно-кристаллических полимеров контролируется структурой некристаллических областей и величина Е растет по мере усиления натяжения цепей в аморфных областях (аморфных цепей) указанных полимеров.
Величина степени натяжения аморфных цепей Бц варьируется в пределах 1& lt- Бц & lt-2, когда при Бц = 1 цепь полностью вытянута между точками ее фиксации (подвижность такого участка цепи полностью заморожена), а при Бц =2 цепь имеет максимально возможную подвижность, типичную для каучукоподобного состояния полимеров. Это позво-
ляет достаточно просто и адекватно описать степень натяжения аморфных цепей полимера с помощью размерности Бц.
Величину Бц можно рассчитать по уравнению (7) [9−10]:
2 / (фн + фмф) = СмСц (7)
Рассчитанные значения Бц, приведенные в табл. 1, показывают, что степень натяжения аморфных цепей зависит от содержания каучуковой фазы и максимальна для композитов, полученных при соотношении БНКС-18:1 III = 70: 30 и при введе-
нии 1 и 3 мас. ч. С1о1Б11е 15А в каучуковую фазу.
Закономерности изменения свойств композитов, полученные по результатам расчетов структурных характеристик, подтвердились при экспериментальных исследованиях нанокомпозитов
(табл. 2).
Таблица 2 — Деформационно-прочностные свойства динамических термоэластопластов
Каучук Дозировка СЫ8Йе 15А, мас. ч. Условная прочность, МПа Модуль упруго- сти, МПа Относит. удлинение при разрыве, %
— 4,0 80,1 158
Введение СЫ8Йе 15А в полипропилен
1 4,6 109,6 196
3 4,7 110,0 204
БНКС- 5 4,8 110,5 208
18 Введение СЫ8Йе 15А в каучук
1 4,8 107,0 185
3 5,0 108,4 219
5 4,9 118,8 191
— 3,7 80,0 115
Введение СЫ8Йе 15А в полипропилен
1 4,2 88,0 145
3 4,5 95,0 154
БНКС- 5 4,7 110,0 167
26 Введение СЫ8Йе 15А в каучук
1 4,6 87,7 154
3 4,7 93,4 176
5 4,9 103,6 173
— 3,0 75,0 80,0
Введение СЫ8Йе 15А в полипропилен
БНКС- 1 3,2 82,6 96
40 3 3,5 90,5 110
5 3,7 101,3 118
Введение СЫ8Йе 15А в каучук
1 3,7 85,5 109
3 3,9 90,7 115
5 3,8 109,4 121
Из данных таблицы 2 следует, что лучшие результаты получаются для ДТЭП на основе каучука БНКС-18 при введении 1−3 мас. ч. наполнителя С1о18ке 15А в каучук, а не в полипропилен. По сравнению с ненаполненным ДТЭП введение С1о18ке 15А наиболее существенно повышает модуль упругости — в 1,5−1,7 раза при сохранении или небольшом росте прочности и относительного удлинения при разрыве.
При содержании в ДТЭП органоглины Cloisite 15A в количестве более 3 мас. ч. наблюдается дальнейшее повышение модуля упругости при одновременном снижении величины относительного удлинения и незначительного уменьшения прочности при растяжении. Следует отметить также, что во всех случаях повышение степени полярности каучука снижает показатели свойств композитов, что может быть следствием различной степени совместимости компонентов ДТЭП друг с другом и орга-нофильным монтмориллонитом.
Литература
1. Вольфсон С. И. Динамические термоэластопласты, модифицированные монтмориллонитом/ С. И. Вольфсон, Н. А. Охотина, А. И. Нигматуллина, Р. К. Сабиров, В. В. Власов, Л.В. Трофимов// Каучук и резина. — 2010. — № 3.
— С. 11−14.
2. Нигматуллина А. И. Свойства динамических термоэла-стопластов, содержащих модифицированный полипропилен и слоистый наполнитель/ А. И. Нигматуллина, С. И. Вольфсон, Н. А. Охотина, М.С. Шалдыбина// Вестник Казанского технологического университета. — 2010.
— № 9 — С. 329−333.
3. Нигматуллина А. И. Оценка совместимости наночастиц органоглины с компонентами динамических термоэла-стопластов на основе полипропилена и бутадиен-нитрильных каучуков/ А. И. Нигматуллина, С.И. Вольф-сон, Н. А. Охотина, С.В. Крылова// Вестник Казанского
технологического университета. — 2009. — № 6. — С. 204 207.
4. Вольфсон С. И. Исследование упруго-гистерезисных характеристик динамических термоэластопластов/ Вольфсон С. И., Охотина Н. А., Нигматуллина, А.И., Сабиров Р. К. // Вестник Казанского технологического университета. — 2012. Т. 15, № 11, С. 100−101.
5. Козлов Г. В. Структура и механические свойства полимерных нанокомпозитов в рамках фрактальной концепции/ Г. В. Козлов, А. Х. Маламатов, Е. М. Антипов, Ю. Н. Карнет, Ю.Г. Яновский// Механика композиционных материалов и конструкций, 2006, т. 12, № 1, с. 99−140.
6. Баланкин А. С. Синергетика деформируемого тела/ А.С. Баланкин// М.: Изд-во Министерство обороны СССР, 1991. — 404с.
7. Козлов Г. В. Ангармонические эффекты и физикомеханические свойства полимеров/ Г. В. Козлов, Д.С. Сандитов// Новосибирск, Наука, 1994. — 261с.
8. Маламатов А. Х. Механизмы упрочнения полимерных нанокомпозитов/А.Х. Маламатов, Г. В. Козлов, М.А. Микитаев//- М.: Изд-во РХТУ им. Менделеева, 2006. -240с.
9. Козлов Г. В. Структура и свойства дисперсно-наполненных полимерных композитов: фрактальный анализ/Г.В. Козлов, Ю. Г. Яновский, Ю.Н. Карнет// М.: Альянстрансатом, 2008. -363с.
10. Козлов Г. В. Прогнозирование предельных характеристик нанокомпозитов полимер /органоглина/ Г. В. Козлов, М. А. Микитаев // Наноиндустрия, 2009, № 5, с. 26−28.
11. Будтов В. П. Физическая химия растворов полимеров / В. П. Будтов // СПБ: Химия, 1992. — 384с.
© А. И. Нигматуллина — доцент кафедры ХТПЭ КНИТУ, nigmatu11ina-a1@mai1. ru- С. И. Вольфсон — д-р техн. наук, проф., зав. каф. ХТПЭ КНИТУ- Н. А. Охотина — канд. техн. наук, проф. той же кафедры, okhna@mai1. ru.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой