Дослідження взаємодії між гнучколанцюговими полімерами та високодисперсними наповнювачами

4.2. Експериментальна частина

Мета роботи: Визначити і дослідити в’язкопружні властивості полімерних матеріалів в широкому інтервалі температур і вмісту інгредієнтів.

Основні етапи роботи

1. Підготувати зразки для дослідження, досягнути строгої плоско паралельності їх поверхонь.

2. Визначити температурну залежність швидкості ультразвуку в рідині, яка використовується в робочій кюветі.

3. Визначити за допомогою маркерних міток час проходження ультразвукового сигналу через зразок при поздовжній деформації і деформації зсуву, а також амплітуду сигналу приймача із зразком і без зразка і значення кута повороту зразка при деформації зсуву.

4. На основі отриманих залежностей зробити висновки про в’язкопружні властивості і структуру досліджуваного полімера.

4.2.1. Концентраційна і температурна залежність в’язкопружних властивостей ПВХ-композицій

В якості прикладу розглянемо дослідження в’язкопружних властивостей ПВХ-композицій з добавками високодисперсних порошків – заліза, міді, вольфраму (табл. 1, табл. 2).

Зразки для експериментальних досліджень готували методом механічного змішування ПВХ, попередньо знежиреного і очищеного в розчині тетрахлорме - тану ( ССЦ ) з металевими високодисперсними наповнювачами.

Наступне формування проводили в т-р режимі у вигляді пластини товщиною 5мм і діаметром 25мм. Зразки нагрівали до температури 403 К і під тиском 10 МПа охолоджували до 293 К, при цьому швидкість охолодження становила 4 К/хв.

Враховуючи, що структура ПКМ в значній мірі визначається термічною редісторією їхотримання нагрівання,витримкавчасіпристалій температурі і охолодження зразків проводили по заданій програмі. Температурний режим підтримувався за рахунок програматора температури, який дозволив лінійно нагрівати пресформу з наперед заданими швидкостями до Т = 403 К, а також охолоджувати до кімнатної температури [1].

Виготовлені зразки мають горизонтальну поверхню монолітну з утвореннями однорідних блоків.

Якість зразків контролювалась за допомогою металографічного мікроскопа " МИМ - 8М" та ультразвукового дефектоскопа.

Як видно з рис. 4.2 в’язкопружні властивості ПВХ–композицій залежать від типу і кількості високодисперсного наповнювача. Найбільш суттєві зміни цих величин спостерігаються в області малих масових вмістів наповнювачів. З ростом температури швидкість поздовжніх ультразвукових хвиль і хвиль зсуву для всіх систем зменшується особливо інтенсивно в області високоеластичного стану. В склоподібному стані спостерігається незначне зростання μ, (коефіцієнта Ламе) з температурою. Однак в високо еластичному стані μ, інтенсивно зростає при збільшенні температури.

Подібним чином змінюються залежності дійсної частини модуля Е^/ поздовжньої деформації і модуля деформації зсуву σ^/. На рис. 4.3показані концентраційні температури і розрахункові значення Е^/ і σ^/ ПВХ-систем, які містять порошки міді, заліза, вольфраму. Криві 1, 2 – температурні залежності Е^/ систем, які містять 10% міді і заліза, а 3, 4 - σ^/ цих композицій. Криві 5, 6 – концентраційні залежності Е^/ і σ^/ гетерогенних систем, що містять вольфрам при 40 С. Результати теоретичних розрахунків концентраційної залежності, наприклад σ^/ , виконані адитивно по модулю компонентівПВХ-композицій, що містять мідь, залізо, представлені кривими 7, 8. Дані відмінності між експериментальними і розрахунковими значеннями модуля σ^/можна пояснити структурними змінами полімерної матриці. В області найбільш інтенсивної зміни пружних модулів при об’ємному вмісті наповнювачівпорядку 0,2% густина ПВХ-систем, які містять вольфрам рівна 1,552 г/см³, мідь – 1,513 г/см³, залізо – 1,492 г/см³.В області рівних об’ємних вмістівнаповнювачів для ПВХ-композицій, які містять вольфрам ν_е , ν_t(де ν_t- швидкість хвилі зсуву, а ν_е- швидкість поздовжньої хвилі), Е^/ , σ^/ вище, а μ₁ нижче, ніж у випадку систем з міддю чи залізом, що пов’язано із зміною рухливості структурних елементів ПВХ.

Таблиця 1

Основні фізичні характеристики та експлуатаційні показники ПВХ (полівінілхлориду).

Таблиця 2

Фізичні показники наповнювачів

Таким чином, при відносно малій густині наповнювача, наприклад, високодисперсного заліза, в порівнянні з порошком вольфраму, швидкість поздовжньої деформації і деформації зсуву неперервно зростає в області розглянених вмісників інгредієнтів з підвищенням концентрації φ внаслідок зростання ефективного модуля пружності. Якщо ж густина наповнювача значна, то швидкість падає із-за переважаючого впливу росту ефективної густини композиції.

Оскільки пружні властивості полімерної матриці і високодисперсного наповнювача суттєво відрізняються один від одного, необхідно в ряді випадків враховувати втрати енергії на розсіювання. Тоді власні поглинання енергії гетерогенною системою (дисипативні втрати в самому середовищі поблизу границь) визначається як різниця між ефективним коефіцієнтом поглинання поздовжньої хвилі або хвилі звуку і поглинанням в результаті втрати енергії на розсіювання від границь частинок наповнювача. Так для систем ПВХ з порошком заліза і вольфрама коефіцієнт у випадку вольфрама виявляється більшим внаслідок переважаючого впливу розсіювання.

Теоретичний розрахунок втрати на розсіювання для гетерогенної системи виконаємо в релеєвському наближенні, вважаючи kr і qr >> 1 (де k, q – хвилеві числа поздовжньої хвилі і хвилі зсуву; r – радіус низькомолекулярної добавки) при невеликій концентрації частинок наповнювача. В такому наближенні вираз для січної розсіювання одиничноїпружної сфери в ізотропному середовищі має вигляд [ 14 ]:

Якщо вважати частинки високодисперсного металічного наповнювача окремими незалежними розсіювачами, то звукова енергія, яка розсіюється в елементарному об’ємі, буде

, де N – число розсіюючи центрів в одиниці об’єму середовища. Враховуючи, що

, де  – амплітудний коефіцієнт затухання, який розповсюджується ультразвуковою хвилею, отримаємо:

Використавши вираз для γ і зробивши наступні перетворення, розрахуємо коефіцієнт затухання для падаючої поздовжньої хвилі

(4.1)

Проведені теоретичні розрахунки q_e для системи ПВХ з високодисперсними наповнювачами в полімерній матриці складають відповідно значення 1970°, 620°, 480° для вольфрама, міді, заліза.

Розрахунок, виконаний по формулі (4.1) показав, що для узгодження теоретичних і експериментальних значень коефіцієнта затухання для падаючої хвилі необхідно, щоб еквівалентний діаметр розсіювачів

 у випадку високодисперсного наповнювача фракції 5…9 мк складав 14 мкм.

В’язкопружні властивості систем вказують на необхідність врахування зміни структури полімерної матриці під дією інгредієнтів, розміру частинок наповнювача, а також розподіл флуктуацій густини в композиції. Таким чином, слід врахувати вплив морфології на властивості полімера, однак питання впливу морфології на властивості гетерогенної полімерної системи ще не повністю висвітлені в літературі.

Характерно, що найбільш суттєві зміни в’язкодисперсних характеристик полімерних композицій спостерігаються при введенні перших долей компонентів, що пов’язано з пластифікацією і розрихленням структури полімерної матриці добавками наповнювачів. При цьому зміна в значенні модулей пружності вказує на неоднакову ступінь зміни гнучкості, а також рухливості макромолекул і надмолекулярних утворень під дією високодисперсних наповнювачів.