Реферат: Дослідження впливу наповнювача на структурну організацію і міжфазну взаємодію в композиційних полімерних матеріалах

Необхідною умовою ефективного використання наповнювачів є суміщення компонентів, яке в значній мірі визначає здатність полімера змочувати поверхню частинок наповнювача, яка в свою чергу залежить від характеру полімерного середовища з активними центрами поверхні. Змочування полімерами, які знаходяться у в’язкотекучому або високоеластичному і, по меншій мірі, в розчиненому станах, суттєво відрізняється від змочування низькомолекулярними середовищами. Обмежена рухливість макроланцюгів і надмолекулярних утворень обмежує розтікання полімера по поверхні. Прагнення гнучких ланцюгових молекул до збереження найбільш вигідних конформацій приводить до того, що густина контактів виявляється меншою очікуваної (виходячи тільки з питомої поверхні наповнювача.

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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5