ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИФЕНИЛЕНСУЛЬФИДА

ВЕСТНИК АКАДЕМИИ ВОЕННЫХ НАУК

№ 3(24)/2008 (спецвыпуск)

УДК 539.2:678.743.

М.А. ЗВЕРЕВ,

Омский государственный технический

университет

ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИФЕНИЛЕНСУЛЬФИДА

Эксплуатационные свойства полифенилен-сульфида (ПФС) и полимерных композиционных материалов (ПКМ) на его основе обусловливают их применение в промышленности, в том числе и в двигателестроении [1].

В значительной мере комплекс физических свойств полимера определяется особенностями молекулярной подвижности и соответствующих релаксационных процессов. Наибольший интерес представляет область релаксационного а-перехода, соответствующего стеклованию аморфных областей полимера [2]. Для изучения влияния углеродного наполнителя на молекулярную подвижность в полимерных композиционных материалах на основе ПФС использовали ультрадисперсный скрытокристаллический графит (СКГ) марки ГЛС-3 (ГОСТ 5420-74), материалы марки «Fortran» (изготовитель - фирма «Ticona»): SKX-382 (ненаполненная марка) и 1140L4 (содержит 40 % стекловолокна). Дисперсность скрытокристаллического графита составляла 0,36... 153 мкм. Гранулы полимера измельчались на высокоскоростном измельчителе (7700 мин-1), смешивались с графитом в лопастном смесителе (1800 мин-1), после нагревания до температуры плавления, смесь охлаждалась в пресс-форме под нагрузкой. Температурные зависимости tgδ(T) получали на обратном вертикальном крутильном маятнике при частоте колебаний около 1 Гц в температурном диапазоне 125-455 К.

Одним из способов изучения молекулярной подвижности в полимере является анализ температурных зависимостей тангенса угла механических потерь tgδ(T). На рис. 1 приведены в качестве примера зависимости tgδ(T) для ненаполненного и наполненного графитом ПФС. Максимальное значение tgδ(T) в области а-перехода у материала, наполненного стекловолокном, заметно ниже, чем у материала SKX-382. Интенсивность пика, соответствующего а-переходу, уменьшается как при наполнении ПФС стекловолокном, так и при наполнении графитом. Это свидетельствует об уменьшении молекулярной подвижности в аморфной фазе полимера. Уменьшение молекулярной подвижности может быть предположительно объяснено «связыванием» полимера на границе «полимер - наполнитель».

Известно, что межфазный слой на границе раздела «полимер - наполнитель» может существенным образом влиять на свойства ПКМ. Из вышеизложенного следует, что особое значение приобретает проблема прогнозирование свойств материала с учетом межфазного слоя.

Проведено исследование возможностей применения вариационного метода, рассмотренного в работе Жикова [3], для расчета эффективных упругих характеристик ПКМ с учетом адгезионного взаимодействия модифицирующего наполнителя с матрицей и последующего прогнозирования механических свойств ПКМ. В качестве объекта исследования выбрали полифениленсульфид марки SKX-382 с наполнителем СКГ.

Один из способов моделирования не идеальности адгезионной связи в ПКМ заключается во введении в рассмотрение межфазного слоя (МФС) с разными значениями модулей упругости. Задание значений модулей МФС, близких к одной из фаз, соответствует хорошему адгезионному взаимодействию, а приближение модулей к нулю - плохому. Путем подбора параметра адгезионной связи σА (σА = GMФC/G0 , где GMФC и G0 - модуль сдвига межфазного слоя и матрицы соответственно) можно получить хорошее согласие расчетных и экспериментальных значений приведенного модуля сдвига и в зависимости от величины σА сделать вывод относительно степени адгезионной связи. Эффективный модуль сдвига G' рассчитывали исходя из трехфазной модели композита «матрица-наполнитель-МФС». Расчет G' делали по формуле:

На рис. 2 приведены результаты расчета приведенных эффективных модулей сдвига G'/G'0 для ПКМ изученной системы ПФС+СКГ без учета и с учетом МФС. Как следует из приведенных рисунков, экспериментальные концентрационные зависимости модуля сдвига имеют аномальный характер. Материалы на основе ПФС с объемным содержанием СКГ более 5 % имеют значения G меньше нижней границы Хашина-Штрикмана (рис. 2).

Проведенные в работе расчеты эффективного модуля сдвига композитов позволяют оценить степень адгезионного взаимодействия наполнителя с матрицей. В области малых концентраций (до 5 %) σА > 4, а в области больших концентраций (более 5%) σА ≤ 0,1. Скрытокристаллический графит при небольшом содержании обнаруживает заметную адгезию к полимерной матрице.

Практически полное отсутствие адгезионной связи в материалах с матрицей ПФС, содержащих СКГ более 5 %, можно объяснить гранулярным составом ПФС. При спекании композита графит, по всей видимости, располагается по границам крупных частиц - гранул, что приводит к повышению хрупкости материала. Уже при содержании СКГ в количестве 15 % композит легко ломается.

Таким образом, вариация физико-механических свойств одной из фаз полимерного материала -межфазного слоя, образующегося на границе раздела «матрица-наполнитель», позволяет, с одной стороны, получить хорошее согласие расчетных и экспериментальных значений приведенных модулей упругости, с другой стороны, в зависимости от величины параметра адгезионной связи σА сделать вывод относительно степени адгезии наполнителя к полимерной матрице. Все это приводит к возможности прогнозирования физико-механических свойств полимерных композиционных материалов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бюллер К.У. Тепло- и термостойкие полимеры; Пер. с нем./ Под. ред. Я.С. Выгодского. - М.: Химия, 1984. - 1056 с.

2. Бартенев Г.М., Бартенева А.Г. Релаксационные свойства полимеров. - М.: Химия, 1992.- 384 с.

3. Жиков В.В. Об оценках усредненной матрицы и усредненного тензора // Успехи математических наук. - 1991. - Т. 46. - № 3. - С. 49-109.

4. Суриков Вал.И. Повышение эксплуатационных свойств композитов на основе политетрафторэтилена путем структурной многоуровневой модификации // Дис. ... докт. техн. наук. - Омск, 2001. -363 с.