Влияние эффективной степени объемного наполнения на энергию механического разрушения эластомера, наполненного диоксидом кремния

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Химия

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Часть III
ХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
УДК 678. 074 (075. 8)
А. С. Ермилов, Э. М. Нуруллаев
ВЛИЯНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ СТЕПЕНИ ОБЪЕМНОГО НАПОЛНЕНИЯ НА ЭНЕРГИЮ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ЭЛАСТОМЕРА, НАПОЛНЕННОГО ДИОКСИДОМ КРЕМНИЯ
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
E-mail: rector@pstu. ac. ru
В статье изучено влияние эффективной степени объемного наполнения на энергию механического разрушения эластомера, наполненного оксидом кремния различного фракционного состава. Установлено, что увеличение параметра ф / фт с 0,752 до 0,816 приводит к росту энергии механического разрушения материала в 1,5−1,6 раза. Указанный материал предлагается использовать в качестве защитного покрытия асфальта автомобильных дорог.
Ключевые слова: эластомер, энергия механического разрушения, плотность упаковки частиц, полимерный композиционный материал, эффективная концентрация поперечных химических связей, гидроизоляционное, морозостойкое, покрытие.
В настоящее время среди полимерных композиционных материалов широкое применение находят трехмерно сшитые эластомеры (резины) [1−3], наполненные дисперсными компонентами (например, техническим углеродом, оксидом металла, диоксидом кремния). Способность обратимо деформироваться и отсутствие ползучести в широком температурном диапазоне эксплуатации обеспечили мировой успех при использовании их в автомобильной промышленности. Кровельные материалы на основе наполненных эластомеров находят применение в спортивных сооружения, включая покрытия футбольных полей, теннисных кортов, то есть там, где в материале возникает под нагрузкой спортсменов напряженно-деформированное состояние. В связи с этим к указанным композициям предъявляются повышенные требования по уровню энергии механического разрушения, которая определяет эксплуатационный ресурс соответствующего материала. Так, например, для морозостойкого гидроизоляционного покрытия асфальта автомобильных дорог требуется материал с повышенным деформационно-прочностным ресурсом в широком температурном интервале эксплуатации, чтобы обеспечивался принцип работы «резино-
вая покрышка колеса автомобиля катит по резиновому покрытию асфальта».
Повышение энергии механического разрушения в условиях растяжения наполненных эластомеров можно обеспечить различными способами, например, варьируя рецептурой наполнителя и эффективной степенью объемного наполнения.
Авторами исследовано влияние эффективной степени объемного наполнения (ф/ фт, где ф -объемная доля наполнителя, фт — предельная степень объемного наполнения) на разрывные удлинения (о,) и условную прочность (оь) трехмерно сшитого эластомера на основе низкомолекулярных каучуков (олигомеров) с концевыми функциональными группами, наполненного по-лифракционнным диоксидом кремния.
Указанные предельные характеристики определяют энергию механического разрушения в форме площади диаграммы растяжения в соответствующих координатах:
a) d a,
(1)
где зависимость условного напряжения (о) (напряжения, отнесенного к начальному сечению
образца) от одноосной степени удлинения (а), = 1 + е/ 100%), выражается формулой, разрабо-
связанной с относительной деформацией (а= танной авторами ранее [4]:
с = с (a) = vchф1/3RTM {1 + 29 exp Г-0,225 • 10−3 (т — Tg)
a-1 a-1} x
1 +1,25
ф / фт
1 -ф/ фт
(a-a 2),
(2)
ch p
где v — концентрация поперечных хи-
Mc
мических связей в полимерной основе связующего (р — плотность полимера, Mc — среднестатистическая межузловая молекулярная масса) — фг — объемная доля полимера в связующем, содержащем пластификатор- R — универсальная газовая постоянная- Тт — равновесная температура (концентрация поперечных физических связей при этом пренебрежимо мала) — Texp -температура испытания материала- Tg — температура структурного стеклования полимерного связующего- ad — коэффициент скоростного смещения- ф — объемная доля твердых частиц наполнителя- фт — предельная объемная доля наполнителя в эластомере.
Величина фт, зависящая от формы и фракционного состава частиц наполнителя, а также от физико-химического взаимодействия на границе «связующее — наполнитель», может быть определена вискозиметрическим способом [5] или рассчитана комбинаторно-мультипликативным методом [6].
Исследование влияния эффективной степени объемного наполнения (ф/фт) на энергию механического разрушения проводилось на различных партиях исходного диоксида кремния с последующим изготовлением из них необходимых фракций различными способами измельчения.
Использование в качестве полимерной основы олигомеров (каучуки СКД-КТР и ПДИ-3Б с концевыми карбоксильными и эпоксидными группами соответственно), сополимеризующи-хся трехмерно с помощью трехфункциональной эпоксидной смолы ЭЭТ-1, является наиболее привлекательным с учетом технологических (реологических) свойств неотвержденной массы как наполненной полимерной суспензии. Удлинение межузловых молекулярных цепей за счет использования двух олигомеров с антиподными функциональными группами позволяет создавать полимерное связующее, равно-
ценное в механическом отношении высокомолекулярной композиции, но с более низким исходным коэффициентом динамической вязкости.
Для рассматриваемой системы трехмерной полимеризации величина Мс, равная р /vch
(vch — концентрация химических поперечных связей), соответствует молекулярному графу образования химических связей за счет концевых функциональных групп молекул двух видов олигомеров и трехфункционального сшивающего агента:
'-(-/32)2 — *3 — /32 — *2 — /21 — '-
(-*1 — /21 — *2 -) — /23 — *3 -(/32 -)_
(3)
Комбинацией подстрочных индексов при / здесь обозначен текущий молекулярный фрагмент как продукт реакции /-й и ]-й антиподных концевых функциональных групп двухфункциональных олигомеров сортов и *2 и сшивающего трехфункционального агента вида *3. При эквимолярном соотношении (*!: *2-*3 = = 1: 2:1) индекс п = 1.
Эксперименты с различными, включая пластифицированные, свободными (ненаполненны-ми) полимерными связующими (рис. 1) показали, что их разрывная деформация достигает величины в 1000% при V/ = 1−10−5 моль-см& quot-3. Здесь обозначено: V/ - эффективная концентрация поперечных химических и физических (межмолекулярных) связей в полимерном связующем в соответствии с (1):
V Л- = V
& lt-еп
+ V =
= Vch{1 + 29exp|^-0,225 • 10−3 (Т -Tg)2 J}. (4)
Соответствующую разрывную деформацию наполненных эластомеров (sf), при условии
сохранения сплошности материала до его разрыва, можно оценить с помощью аналитиче-
ской зависимости:
a/ =a0 (1 —
(1 — 3 ф/фт)+
или
(! -у/ф/фт) =
(5)
где индексы / и ноль относятся к наполненному и свободному полимерному связующему соот-
ветственно. Зависимость учитывает величину одноосного деформирования среднестатистической прослойки полимерного связующего между твердыми частицами [7].
Рис. 1. Экспериментальная зависимость 80 (%) = /(у ^ моль • см 3) для различных полимерных связующих на основе: ^ - полисульфида, ¦ - поли-эфируретана, X — полиизопрендивинила, ® — полибутадиена, Э — полибути-лизопрена, О -полидиенэпоксидуретана при Т=293 К и, а = 1,4−10& quot-4 с-1
МПа
Рис. 2. Огибающие разрушения [а4 (ППа) = /[еь (%)] образцов эластомера, наполненного двухфракционным (черные символы) диоксидом кремния и трехфракционным (светлые символы) диоксидом кремния:
О — образец Т=323К • - эталон Т=323К Д — образец Т=223К ¦ - эталон Т=293К? — образец Т=293К ^ - эталон Т=223К
Комбинация зависимостей (2) и (4), а также экспериментальные данные (рис. 1), позволяют прогнозировать энергию механического разрушения в условиях одноосного растяжения эластомера, наполненного твердыми частицами. Для наглядного представления деформационно-прочностных характеристик авторами использовано построение огибающих разрушения в координатах «log ob — log sb» при различных температурах испытания. При этом обобщенные огибающие разрушения (рис. 2) построены путем сдвига соответствующих зависимостей по оси єь или ab с помощью коэффициента температурно-скоростного смещения aa.
В таблице представлены рекомендуемый состав композиции на основе трехмерно сшитого эластомера, наполненной трехфракционным диоксидом кремния.
Таким образом, применение полифракци-онного дисперсного наполнителя при постоянном химическом составе композиции позволяет обеспечить существенное увеличение эксплуатационного ресурса исследованного композиционного материала, предлагаемого в качестве морозостойкого гидроизоляционного покрытия асфальта автомобильных дорог. Подобный рулонный материал, накатанный на промежуточный клеевой слой жидкого битума (мазута), защитит асфальтовое полотно дороги от разрушительного действия пары «вода — лед».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Новаков, И. А. Комплексы полиэлектролитов с электростатически комплементарными поверхностноактивными веществами / И. А. Новаков [и др.] // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 1 / ВолгГТУ. — Волгоград, 2005. — Вып. 2. — С. 5−16.
Исследование влияния параметра ф / фm исходного дисперсного наполнителя на деформационно-прочностные характеристики эласто-мерного композита проведено с использовании-ем диоксида кремния следующих фракционных составов: исходный контрольный образец -(240: 5) мкм = (20: 80) %- опытный образец -(240: 5: 1) мкм = (40: 40: 20) %.
Соответствующие огибающие разрушения (рис. 2) показывают, что при неизменной величине ф = 0,712 изменение фш от 0,752 до 0,816 приводит к увеличению энергии механического разрушения в 1,5−1,6 раза.
2. Минкин, В. С. Синтез, структура и свойства поли-сульфидных олигомеров / В. С. Минкин [и др.] // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 1 / ВолгГТУ. — Волгоград, 2006. — Вып. 3. — С. 9−20.
3. Хакимуллин, Ю. Н. Отверждение и модификации полисульфидных олигомеров: структура, свойства и области применения вулканизатов / Ю. Н. Хакимуллин [и др.] // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 5 / ВолгГТУ. — Волгоград, 2007. — Вып. 4. — С. 5−21.
4. Ермилов, А. С. Структурно-механические свойства эластомера, наполненного твердыми частицами / А. С. Ермилов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. -2010. — Т. 76. — № 5. — С. 53−55.
5. Ермилов, А. С. Концентрационная зависимость усиления каучуков и резин /А. С Ермилов, К. А Зырянов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. — 2001. -Т. 67. — № 9. — С. 62−64.
6. Ермилов, А. С. Комбинаторно-мультипликационный метод расчета предельного наполнения композиционных материалов твердыми дисперсными компонентами / А. С. Ермилов, А. М. Федосеев // Журнал прикладной химии. — 2004. — Т. 77. — Вып. 7. — С. 1218−1220.
7. Нильсен, Л. Е. Механические свойства полимеров и полимерных композиций / Л. Е. Нильсен. — М.: Химия, 1978. — 310 с.
Рекомендуемый состав композиции и ее механические характеристики
Состав композиции Объем- ные доли Рекомендуемый состав композиции и ее механические характеристики
323 К 293 К 223 К
Полимерные связующие: Каучук СКД-КТР- Каучук ПДИ-3Б- Эпоксидная смола ЭЭТ-1 0,288 0,712 ob, МПа єь, % оь, МПа Єь, % оь, МПа Єь, %
0,25 55 1,20 32 6,00 22
Наполнители: Кварцевый песок ^Ю2) (240: 5:1) мкм = (40: 40:20) %
A. S. Ermilov, E. M. Nurullaev
EFFECT OF DEGREE OF EFFECTIVE VOLUME FILLING IN THE MECHANICAL ENERGY DESTRUCTION OF ELASTOMERS FILLED SILICA
Perm National Research Technical University, Perm, Russia
Abstract. The paper studied the effect of the effective degree of volume filling of the energy of mechanical destruction of the elastomer-filled silica of different fractional composition.
Found that the increase of the 9/^ parameter with 0. 752 to 0. 816 leads to an increase of energy of mechanical destruction of the material in the 1,5−1,6 times. The specified material is proposed as a protective coating of asphalt roads.
Keywords, elastomer, the energy of mechanical failure, the packing density of particles, polymer composite, the effective concentration of cross-chemical bonds, waterproofing, frost, cover.

Показать Свернуть
Заполнить форму текущей работой