Введение к работе
Актуальность темы. Широкий ассортимент промышленно выпускаемых полимеров и огромный выбор наполнителей дают возможность создавать композиты с необходимым комплексом эксплуатационных характеристик. Изучение физической природы свойств гетерогенных материалов, поиск принципиальных путей управления этими свойствами и их оптимизации составляют научную сущность любой области материаловедения, в том числе и полимерной.
Резинопласты - дисперсно-наполненные композиционные материалы на основе термопластичных полимеров и наполнителя в виде частиц измельченной резины. Отличие дисперсной порошковой резины от традиционно используемых минеральных наполнителей заключается, во-первых, в том, что эластичные частицы, модуль упругости которых значительно меньше модуля упругости матрицы, деформируются совместно с матричным полимером; во-вторых, в большом размере частиц, который достигает сотен микрон. Резинопласты привлекательны не только с практической, но и с научной точки зрения. С одной стороны, использование порошка резины в составе композиционных материалов является одним из перспективных направлений применения измельченных отходов резины, а с другой – расширяет экспериментальную базу при изучении полимерных систем с наполнителем.
Ранее было установлено [1-3], что с увеличением содержания частиц резины деформационное поведение резинопластов в зависимости от свойств матричного полимера изменяется от пластичного к хрупкому и вновь к пластичному или от пластичного неоднородного растяжения к однородному пластичному; определены условия изменения деформационного поведения этих материалов. Если композиты, содержащие не более 30-40 об.% эластичного наполнителя, исследованы достаточно подробно (определена роль размера частиц и их способность деформироваться вместе с матричным полимером в процессах порообразования и разрушения, установлены основные требования к матричному полимеру для сохранения пластичных свойств композита и т.д.), то высоконаполненные системы мало изучены. К настоящему времени известно, что при однородном пластичном растяжении этих материалов возможен рост их деформируемости при увеличении содержания частиц резины [1]. Исследования, направленные на определение факторов, способствующих сохранению пластических свойств высоконаполненных композитов, являются актуальными как с точки зрения фундаментальных аспектов механики материалов, так и для решения широкого круга прикладных задач.
Цель работы – исследование характера деформирования и разрушения высоконаполненных резинопластов в зависимости от содержания эластичного наполнителя, характеристик матричного полимера и установление основных факторов, определяющих механические свойства этих композитов.
На примере резинопластов на основе полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) разных марок изучали:
- влияние содержания эластичных частиц на деформационно-прочностные свойства высоконаполненных резинопластов;
- влияние свойств матричного полимера на механические характеристики композитов;
- влияние температуры на механизм деформирования и разрушения высоконаполненных резинопластов.
Научная новизна. Экспериментально доказан и развит общий подход к прогнозированию деформационного поведения высоконаполненных композитов на основе термопластичных полимеров при увеличении содержания эластичного наполнителя.
Впервые:
- показано, что разрушение высоконаполненных резинопластов инициируется образованием и поперечным ростом опасного дефекта в зонах пластического течения композита; деформационные свойства материалов определяются трещиностойкостью матричного полимера, характеризуемой критическим раскрытием трещины полимера, деформацией при формировании опасного дефекта в композите;
- обнаружен пластично-пластичный переход нового типа – переход от растяжения материалов с образованием шейки к деформированию с формированием делокализованных шеек при увеличении концентрации эластичных частиц; критерием перехода является равенство верхнего и нижнего пределов текучести композита;
- установлено, что реализация перехода от растяжения материалов с образованием шейки к деформированию с формированием делокализованных шеек обусловлена неопасными щелевидными дефектами, появлению которых способствует высокая, более 16, степень вытяжки шейки матричного полимера;
- предложен механизм разрушения при одноосном растяжении высоконаполненных резинопластов, учитывающий образование в композите зон разгрузки в полюсах эластичных частиц и зон перенапряжения в их экваториальных областях; локализация максимальных напряжений в экваторе частицы способствует отслоению от неё матрицы и формированию дефекта, дальнейший рост которого связан с разрывом полимерных прослоек между частицами или разрушением эластичных частиц в зависимости от соотношения между деформацией при образовании опасного дефекта и деформацией разрушения эластичной частицы;
- экспериментально доказана правомерность использования модели случайного распределения частиц в матрице для описания концентрационной зависимости прочности при разрыве высоконаполненных резинопластов.
Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при прогнозировании деформационно-прочностных свойств композиционных материалов, содержащих частиц измельченной резины, жесткость которых меньше жесткости матричного полимера.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием набора современного экспериментально-измерительного оборудования, откалиброванного по эталонам, применением методов статистического анализа при обработке экспериментальных данных.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и доложены на II Всероссийской научно-техническая конференции «Каучук и резина -2010» (Москва, 2010); XIX Менделеевской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2009); X Международной конференции молодых ученых «Биохимическая физика и современные проблемы биохимической физики» (Москва, 2010); XIII Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии» (Москва, 2012); XI Международной конференции молодых ученых «Биохимическая физика и современные проблемы биохимической физики» (Москва, 2011), XIV международной конференции «Наукоёмкие химические технологии – 2012» (Тула, 2012)
Публикации. Материалы диссертации изложены в 5 статьях в журналах, включенных в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Российской Федерации для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, а также в 6 тезисах докладов на конференциях различного уровня.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 134 страницах, содержит 5 таблиц, 43 рисунка. По своей структуре диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по каждой главе, общих выводов по работе, списка литературы.
