Фрактальный анализ разрушения нанокомпозитов полиэтилен высокой плотности/органоглина при ударном нагружении Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

К. С. Дибирова, Г. В. Козлов, Г. М. Магомедов,

Г. Е. Заиков, Р. Я. Дебердеев, С. Н. Русанова

ФРАКТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАЗРУШЕНИЯ НАНОКОМПОЗИТОВ ПОЛИЭТИЛЕН ВЫСОКОЙ

ПЛОТНОСТИ/ОРГАНОГЛИНА ПРИ УДАРНОМ НАГРУЖЕНИИ

Ключевые слова: нанокомпозит, органоглина, ударная вязкость, кристаллическая фаза, механическое разупорядочение.

Показано, что величина ударной вязкости нанокомпозитов полимер/органоглина в значительной степени зависит от относительной доли кристаллической фазы, подвергающейся механическомуразупорядочению.

Key words: nanocomposite, organoclay, impact toughness, crystalline phase, mechanical disordering.

It has been shown that impact toughness value of nanocomposites polymer/organoclay depends to a considerable extent on relative fraction of crystalline phase, subjecting to mechanical disordering.

Рассмотрим физические основы разрушения аморфно-кристаллических полимеров в ударных испытаниях на примере полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) марки 276 с молекулярной массой 1,4х105 и степенью кристалличности К=0,723. Испытания образцов ПЭВП-276 с надрезом 0,5 мм выполнены по методике Шарпи на инструментированном маятниковом копре, что позволило получить экспериментальные значения модуля упругости Е и предела текучести стТ.

Авторы [1] показали, что ударная вязкость Ар полимеров подчиняется следующему

скейлинговому соотношению:

1п Ap ~ {dp - 4), (1)

где dp - фрактальная размерность поверхности разрушения, которую можно определить из уравнения [1]:

41 -(%кр +Ф р.Л

dp = 2--

ln CL

(2)

где %кр - доля кристаллической фазы, подвергшаяся механическому упорядочению в процессе деформирования, фр.м. - относительная доля

рыхлоупакованной матрицы аморфной фазы (фр.м.~1-К), Ст - характеристическое отношение.

В рамках фрактальной концепции пластичности было показано [1, 2], что процесс текучести реализуется не во всем объеме образца, а только в его части, доля которой составляет (1-х), где % -доля упруго деформируемого полимера. Величину коэффициента Пуассона в точке текучести ут можно определить так [1]:

Ут = у% + 0,5(1 -%), (3)

где V - коэффициент Пуассона упруго деформируемого полимера, определяемый по результатам механических испытаний с помощью уравнения [2]:

= 1 - 2у (4)

Е 6(1 + у). ( )

Величина %кр определяется следующим образом [2]:

%кр = % — фр.м. . (5)

Фрактальная размерность df структуры полимера может быть рассчитана так [1]:

df =^ -1)1 + у), (6)

где d - размерность евклидова пространства, в котором рассматривается фрактал (очевидно, d=3). Параметры См и df связаны соотношением [2]:

с 2df 4 (7)

С” = d( -1)( - df ) + ?. (7)

Рассмотренные выше методики и условие (%кр+фр.м.)=% позволяют оценить величину dp согласно уравнению (2) и построить зависимость Ар^-4) в логарифмических координатах, которая приведена на рис. 1. Как и ожидалось, наблюдается снижение Ар по мере увеличения параметра ^-4) или роста фрактальной размерности dp, что соответствует скейлинговому соотношению (1). В свою очередь, рост dp обусловлен повышением %кр по мере снижения температуры испытаний Т от 333 до 213 К. Следовательно, основной причиной снижения Ар по мере уменьшения Т является увеличение относительной доли подвергшейся механическому разупорядочению кристаллической фазы %кр.

ln Ap

Рис. 1 - Зависимость ударной вязкости Ар от величины параметра №р-4) в логарифмических координатах для ПЭВП-276

Далее рассмотрим причины снижения ударной вязкости Ар нанокомпозитов полимер/органоглина с аморфно-кристаллической матрицей по сравнению с исходным полимером. Введение органоглины приводит к повышению df и соответствующему

увеличению %кр, что снижает величину Ар. Так, для нанокомпозитов ПЭВП/органоглина с содержанием последней 2 масс. % величина %кр увеличивается от 0,305 для ПЭВП до 0,434 для нанокомпозита, что приводит к снижению Ар от 6,55 до 3,86 кДж/м2. Введение 10 масс. % совмещающего агента

(малеинового ангидрида) при одинаковом содержании органоглины дает рост %кр от 0,30 до

0,44 и соответствующему снижению Ар от 7,40 до 3,95 кДж/м2.

И в заключение рассмотрим вопрос, насколько отсутствие механического разупорядочения, т.е., %кр=0, может изменить величину Ар. Для нанокомпозита ПЭВП/органоглина, упомянутого

выше, реализация условия %кр=0 дает величину Ар=27,7 кДж/м2, т.е., увеличение ударной вязкости почти в 4 раза.

Литература

1. Микитаев, А.К. Козлов, Г.В. Фрактальная механика полимерных материалов. Нальчик, Изд-во КБГУ им. Х.М. Бербекова, 2008, 312 с.

2. Козлов, Г.В. Овчаренко, Е.Н. Микитаев, А.К. Структура аморфного состояния полимеров. М., Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2009, 392 с.

© К. С. Дибирова - зав. лаб. каф. общей и экспериментальной физики Дагестанского госуд. пед. ун-та (ДГПУ); Г. В. Козлов - ст. науч. сотр. УНИИД Кабардино-Балкарского госуд. ун-та им. Х.М. Бербекова (КБГУ); Г. М. Магомедов - д-р физ.-мат. наук, проф., зав. каф. общей и экспериментальной физики ДГПУ; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, проф., зав. отделом ИБХФ РАН; Р. Я. Дебердеев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, [email protected]; С. Н. Русанова - канд. техн. наук, доц. той же кафедры.