Деформационные свойства

Все деформационные свойства полимеров можно разделить на две группы.

Первая группа деформационных свойств характеризует сопротивляемость тел деформации – это вязкость расплава (η), модуль упругости (Е – при продольной деформации, G – при сдвиге, М – общий), твердость (Н), предел текучести (σ_т).

Другая группа свойств характеризует предельную способность тел деформироваться – это предельная деформация при разрушении (ε), например, относительное удлинение при разрыве (ε_р) (рис. 7.3).

Рис. 7.3 - Деформационно-прочностная кривая полимера при Т_хр < 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. 7.4 - 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 η, Н, σ_т, и ведут к снижению ε. Эти параметры с увеличением содержания наполнителя изменяются нелинейно, и с приближением концентрации к φ _m резко возрастают (рис. 7.4).

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.