Дослідження впливу наповнювача на структурну організацію і міжфазну взаємодію в композиційних полімерних матеріалах (стр. 4 из 5)
Таким чином, питання взаємодії полімерів з наповнювачами є предметом багатьох досліджень, поскільки характер взаємодії між компонентами в таких системах набуває вирішального значення і визначає властивості матеріалів, які отримуються.
Роль граничних шарів у формуванні властивостей систем.
У полімерних композиційних матеріалах значна частина в’яжучого полімера знаходиться під безпосереднім впливом наповнювача. При взаємодії полімерної матриці з наповнювачем на границі їх розділу утворюється граничний шар. Граничний або поверхневий шар речовини поблизу поверхні твердого тіла можна означити як шар, властивості якого змінюються під впливом поля поверхневих сил порівняно з властивостями в об’ємі. Цей шар характеризується ефективною товщиною за межами якої відхилення величин локальних властивостей від їх об’ємних значень стає несуттєвим.[3]
Релаксаційні процеси в полімерах, які знаходяться на межі розділу компонентів полімер-наповнювач, викликають теоретичний і практичний інтерес у зв’язку з проблемою створення конструкційних наповнених полімерних матеріалів і знаходження оптимальних умов переробки і експлуатації. Наявність граничного шару приводить до зміни температури силування, механічних характеристик і цілого ряду інших властивостей гетерогенної полімерної системи. Це зв’язано із зміною густини молекулярної упаковки, зменшенням рухливості сегментів полімерних ланцюгів і більш масштабних кінетичних елементів внаслідок їх взаємодії з твердою поверхнею. Зміна молекулярної рухливості приводить до суттєвих змін ефективних характеристик граничних шарів полімерів. На границі розділу полімер-наповнювач відбуваються зміни густин розміщення кінетичних елементів полімерної матриці, в той же час сама поверхня може служити центром формування певних структур. Властивості гетерогенних систем визначаються часткою полімера, зосередженою в граничному шарі.[3]
РОЗДІЛ 2
Дослідження густини полімерних композицій в залежності від об’ємного вмісту наповнювача.
Експериментальні дані.
Проведемо дослідження густини полімерної системи залежно від вмісту наповнювача. Виготовлення зразків проведемо методом механічного змішування полімера з наповнювачем.[1] Для цього в якості наповнювача використаємо огарку. Перед введенням наповнювача в полімер (використаємо полівінілхлорид ПВХ) його (наповнювач) обезжирюють CCl4 , а потім висушують у вакуумі при температурі 393 К. Потім ПВХ та наповнювач змішуємо і методом гарячого пресування отримуємо зразки для дослідження.
При дослідженні фізико-хімічних властивостей полімерних систем для аналізу залежностей властивість-концентрація зручно розглядати вміст наповнювача в об’ємних частках jоб. Технологія формування зразків пов’язана з масовим вмістом наповнювача jм . Між jоб і jм існує взаємозв’язок:
r1 – густина полімерної матриці, r2 – густина наповнювача. Розрахунок залежності між jоб і jм наведено у табл. кольорового додатку 1.
Визначення густини полімерної композиції виконаємо методом гідростатичного (точного) зважування. [1]. В основу цього методу покладено закон Архімеда. При цьому зважування зразка відбувається у повітрі, а потім повторюється у воді (гідростатичне зважування).
Позначимо FA1 – сила Архімеда, яка діє на тіло в повітрі, FТ1 – сила тяжіння, FA2 – сила Архімеда, яка діє на різноважки, FТ2 – сила тяжіння, яка діє на різноважки в повітрі. При рівновазі терезів буде справедливою рівність:
FТ1 –FA1=FТ2 –FA2 (1)
Виразивши сили через густину тіл і повітря та їх об’єми та провівши математичні перетворення[1], отримаємо формулу для обчислення густини досліджуваного тіла:
(2)
m – маса різноважків, m1– маса різноважків, які зрівноважують тіло при зважуванні у воді, r0 , rв , rп – відповідно густини досліджуваного зразка, води і повітря.
Врахуємо, що під час зважування тіло утримується на нитці, тоді обчислення густини досліджуваного тіла буде проводитись за формулою:
(3)
mн – маса нитки, m – маса різноважків, m1– маса різноважків, які зрівноважують тіло при зважуванні у воді.
В результаті виконання досліду була отримана експериментальна залежність значень густини від вмісту наповнювача для системи ПВХ+огарка:
Табл. 2.2‑1
Залежність r0 від jоб для системи ПВХ+огарка.
| jоб, % | r0×10-3(кг/м3) |
| ПВХ чистий | 1,34 |
| 0,1 | 1,35 |
| 0,3 | 1,37 |
| 0,5 | 1,39 |
| 1,0 | 1,41 |
| 2,0 | 1,43 |
| 3,0 | 1,44 |
| 5,0 | 1,45 |
| 10,0 | 1,46 |
| 20,0 | 1,52 |
| 50,0 | 1,77 |
Для підтвердження результатів експерименту проведемо теоретичні розрахунки і побудуємо графіки залежності для отриманих значень.
Теоретичні розрахунки.
Для інтерпретації експериментальних даних густини полімерних композицій їх співставляють з теоретичними розрахунками густини. Теоретичні розрахунки проводять за формулами адитивності.
Скористаємося формулою для обрахунку густини композиції, яка наведена у [1]:
, де (4)
r0 , rп , rн – відповідно густини досліджуваного зразка, полімера і наповнювача,
jп і jн – відповідно об’ємний вміст полімера і наповнювача в композиції.
Для обрахунків використаємо табличний процесор Microsoft Excel., який дозволяє на основі введених і розрахованих значень побудувати графіки залежностей.
Проведені розрахунки і побудований графік дивися у кольоровому додатку 1.
Порівняння теоретичних розрахунків з результатами експериментального дослідження.
Аналізуючи отримані результати необхідно відмітити існування деякої розбіжності між теоретичними розрахунками і експериментальними даними. Ми бачимо, що густина полімерної композиції ПВХ+огарка зростає з вмістом наповнювача. Найбільш інтенсивно, за дослідними даними, густина композиції зростає в області концентрації вмісту наповнювача від 0,5% до 3 % об’ємного вмісту наповнювача. В області 3% - 7% спостерігається “плато”. Від 10% до 30% відбувається плавне зростання густини композиції.
Відмінності, які виникли можна пояснити тим, що при теоретичних розрахунках було використано двокомпонентну модель ПВХ+наповнювач. Для точнішого розв’язку даної задачі необхідно врахувати, що при взаємодії полімерної матриці з частинками наповнювача утворюється міжфазний шар, який суттєво впливає на теплофізичні і властивості гетерогенних систем. В зв’язку з існуванням граничного шару полімерну композицію потрібно розглядати, як трикомпонентну. В результаті густини системи потрібно розраховувати:
(5)
r0 , rп , rн, rгш – відповідно густини досліджуваного зразка, полімера, наповнювача і густини граничного шару полімер-наповнювач ,
jп – об’ємний вміст полімера,
jн – об’ємний вміст наповнювача в композиції,
і jгш – відповідно граничного шару.
Дослідження об’ємного вмісту граничного шару в композиції.
Теплофізичні властивості полімерів залежать від їх будови і особливостей протікання молекулярно-кінетичних процесів на молекулярному і надмолекулярному рівнях.
При розгляді процесу теплопровідності в полімерах використовують уявлення про теплоперенос в діелектриках. В полімерах розглядають два механізми теплопереносу:
1. Дифузійний перенос, згідно якого отримуються низькі значення l.
2. Зумовлений вібрацією енергетичних структур, при яких термозбудження виникає в у вигляді фононів, що призводить до більш ефективної передачі тепла.
Для чистого ПВХ температурна залежність l добре лписується емпіричним рівнянням:
l=l0=1,36×104Т –0,2×10-6Т2, де
l0 – коефіцієнт теплопровідності ПВХ, рівний 0,148 Вт/м×К при Т = 290К.
Для розрахунку l композицій використовують принцип узагальненої теплопровідності, враховуючи, що характерною особливістю структури таких систем являється неперервність полімерної матриці в довільному напрямку і дискретне розміщення частинок наповнювача, а також існування граничного шару на межі поділу фаз.