Моделирование ударопрочных полимеров

06.06.2015

Первым шагом в приложении теории упругости или вязкоупругости к ударопрочным пластикам является выбор удобной физической модели. Было предложено несколько моделей, но нет общего согласия о наиболее приемлемой. Как было показано ранее, существуют значительные различия в структуре материалов, так что любая выбранная модель должна либо ограничиться одним классом композиционного материала, имеющего определенную структуру, либо быть достаточно гибкой для описания целого ряда материалов с различной структурой.
Большинство авторов сосредоточили свое внимание на исследовании полимеров, получаемых привитой сополимеризацией в растворе или эмульсии, таких, как УПС и АБС-пластик. Результаты микроскопических исследований показывают, что в изотропном состоянии промышленные марки этих материалов содержат статистически распределенные сферические частицы каучука, причем твердые инклюзии также статистически распределены в частицах каучука и имеют приближенно сферическую форму.
Ввиду важности этого класса ударопрочных пластиков целесообразно ограничить обсуждение только этим типом морфологии. Любая попытка сделать теорию более общей, например, посредством учета нерегулярности формы каучуковых частиц снизит, а не повысит достоинства теории. Предсказательные возможности существующих теорий возрастают в том случае, если более четко ограничиваются структура и морфология композиционного материала.
Простейшей для УПС является модель, предусматривающая статистическое распределение сферических частиц полибутадиена в полистирольной матрице, как показано на рис. 5.8, а. Предсказание свойств обоих компонентов композиционного материала не вызывает затруднений, так как модули упругости полистирола и полибутадиена известны. Основным недостатком модели является то, что она не учитывает влияние инклюзий полистирола на вязкоупругие свойства УПС.
Этот недостаток может быть преодолен, если рассматривать частицу каучука, содержащую инклюзии, как бы состоящей только из полибутадиена. Обоснованность такого подхода может быть проверена при рассмотрении рис. 5.5, из которого видно, что частица каучука с инклюзиями и без них оказывает сходное, но не идентичное влияние на свойства полимера при одинаковом объеме частицы.
В следующей модели, представленной на рис. 5.8, б, частица каучука также рассматривается как гомогенная сфера, но здесь учитывается влияние прививки на свойства и объем каучуковой фазы. С помощью модели можно объяснить сдвиг максимума на кривой механических потерь в сторону высоких температур, показанный на рис. 5.5, а также увеличение тангенса угла потерь при увеличении объема частиц каучука.
Моделирование ударопрочных полимеров

Привитому сополимеру необходимо приписать определенное значение модуля упругости, чтобы эта модель могла быть использована для предсказаний модулей УПС. Ta же трудность возникает и с моделью, предложенной Тарлеем, которая показана на рис. 5.8, в и в сущности является комбинацией предыдущих двух: частица каучука рассматривается как двухкомпонентное тело, имеющее полибутадиеновое ядро и оболочку из привитого каучука. Если эта модель используется для прогнозирования свойств композиционного материала, то необходимо задать свойства и объем оболочки из привитого сополимера.
Эти недостатки устранены в модели композиционной частицы, предложенной Бакнеллом. УПС рассматривается как двухфазная система, содержащая только полистирол и полибутадиен, причем привитой сополимер не является отдельной фазой. Как показано на рис. 5.8, г, частицы каучука представляют собой сплошную матрицу полибутадиена, в которой статистически распределены инклюзии полистирола. Объемы полистирола, полибутадиена и полистирольных инклюзий определяют методом, описанным ранее, и свойства фаз соответствуют известным свойствам полистирола и полибутадиена. Эта модель обладает преимуществами перед другими, поскольку основана на электронно-микроскопических исследованиях морфологии и обладает потенциальной возможностью прогнозирования свойств. Например, она может быть использована для определения обусловленности сдвига вторичного пика потерь только механическими явлениями или и химическими, такими, как сшивание.
По-видимому, существуют пути дальнейшего совершенствования моделей комбинированием вышеизложенных принципов. Однако лучшей моделью является та простейшая модель, которая позволит адекватно представить экспериментальные данные. Поэтому обсуждение моделей ограничится вышеизложенным. Из указанных моделей модель композиционной частицы (рис. 5.8, г) имеет наиболее веские обоснования для дальнейшего рассмотрения.