Влияние структуры полимера на ударную вязкость

Во многих отношениях характер связи между структурой полимера и поведением при разрушении одинаков в испытаниях на удар и в других методах испытаний. Отличительной особенностью испытаний на удар является то, что образец нагружается сравнительно быстро. Увеличение скорости деформирования является важным фактором, если огибающие, соответствующие образованию крейз и достижению состояния сдвиговой текучести, близки, так что сдвиговая деформация приводит к хрупкому разрушению. Этот тип перехода встречается не только в испытаниях на удар, но и при таких испытаниях с низкой скоростью деформации, когда важную роль играет быстрое распространение трещины. Исследования разрушения образцов ПВХ с острым надрезом показало, что хрупкое разрушение, распространяющееся от надреза, происходит даже в том случае, когда нагрузка прикладывается медленно.
Факторы, влияющие на ударную вязкость упрочненных каучуком полимеров, обсуждались ранее. Размер, состав и объемная доля частиц эластомера, адгезия между эластомером и матрицей, а также механизм деформирования матрицы — все это важно. Влияние характера релаксационных процессов в эластомере обсуждалось в предыдущем разделе. Поскольку влияние каждого из этих факторов на ударную вязкость уже рассматривалось довольно подробно, то следующий раздел посвящен только двум особенностям структуры: содержанию эластомера и составу матрицы.

Влияние содержания каучука на ударную вязкость в широком интервале температур показано на рис. 10.12. Ниже -75 °C все материалы являются хрупкими, и каучук, оказывающий малое влияние на ударную вязкость, ведет себя просто как твердый наполнитель. При температуре немного выше температуры стеклования полибутадиена ударная вязкость АБС-пластиков начинает возрастать и поверхность разрушения вблизи надреза белеет. Степень возрастания ударной вязкости увеличивается с содержанием эластомера, как и можно было предположить.
В этой области умеренных температур энергия, поглощаемая при ударе, зависит от размеров области текучести у основания надреза. Кажущаяся энергия поверхности разрушения образцов с тупым надрезом ξВ увеличивается с содержанием каучука и температурой, поскольку оба фактора влияют на относительное удлинение при разрыве.
При температуре около -10 °C АБС-пластик, содержащий 20 % каучука, обнаруживает дальнейшее резкое увеличение ударной вязкости, сопровождающееся побелением всей поверхности разрушения. Аналогичные изменения происходят при -5 °C с АБС-пластиком, содержащим 14 % каучука, и при 20 °C с АБС-пластиком, содержащим 10 % каучука. Таким образом содержание каучука влияет не только на количество поглощенной энергии при ударе, но также и на характер поглощения. При высоком содержании каучука, энергия, поглощаемая в процессе распространения трещины при комнатной температуре, выше, чем упругая энергия, запасенная в образце к моменту инициирования трещины, так что на стадии распространения трещины маятник сообщает дополнительную энергию. При более низком содержании каучука энергия, рассеиваемая на стадии распространения трещины, меньше и запасенной упругой энергии достаточно для полного разрушения образца. В терминах механизма разрушения можно сказать, что ξIкр является функцией содержания каучука и температуры. Существует эффект положительной обратной связи при распространении трещины: когда упругая энергия отводится от образца, скорость распространения трещины падает и gIкр соответственно возрастает.

Аналогичная связь между ударной вязкостью и содержанием каучука наблюдается и в других полимерах. В ударопрочном ПВХ переход от II типа разрушения (область умеренных температур) к III типу разрушения (область высоких температур) сопровождается очень резким возрастанием ударной вязкости. В области высоких температур наблюдаются значительные сдвиговые деформации, поэтому в некоторых материалах степень сдвиговой текучести достаточна для почти полного подавления образования крейз.

Роль частиц эластомера заключается в изменении деформационного поведения матричного полимера, поэтому свойства и состав матрицы оказывают огромное влияние на ударную вязкость упрочненных каучуком полимеров. Основу первых ударопрочных пластиков составлял полистирол, являющийся сравнительно хрупким полимером; позднее появились ударопрочные пластики на основе ПВХ, поликарбоната и полипропилена. Последние обладают очень высокой ударной вязкостью.
Целесообразность введения каучука в эти в общем-то вязкие полимеры, например полипропилен, обусловлена тем, что они чувствительны к надрезу. Ударопрочный полипропилен имеет явные преимущества перед обычным полипропиленом в испытаниях на удар с надрезом и в соответствующих этому условиях эксплуатации, особенно при пониженных температурах. Трехосное растяжение, обусловленное наличием надреза, высокая скорость деформации и низкие температуры — все эти факторы приводят к относительному увеличению напряжения сдвига, при котором достигается состояние текучести, по сравнению с напряжениями крейзообразования и разрушения. В результате падает количество энергии, поглощаемой в процессе роста трещины. Однако в присутствии частиц каучука число крейз, образующихся под действием данного напряжения, сильно возрастает, что приводит к повышению ударной вязкости. В относительно вязких материалах огибающая, соответствующая достижению состояния текучести, расположена ненамного выше огибающей крейзообразования даже при неблагоприятных условиях ударных испытаний; таким образом, образование крейз сопровождается сдвиговой текучестью и повышение ударной вязкости за счет введения каучука оказывается большим, чем могло быть достигнуто только образованием крейз. По этой причине наибольшей ударной вязкостью обладают модифицированные каучуком полимеры на основе относительно вязких полимеров. В испытаниях на ползучесть такие полимеры показывают весьма слабую тенденцию к образованию крейз. Механизм множественного крейзообразования проявляется в основном при высоких скоростях деформации и в трехмерном поле напряжений как альтернатива хрупкого разрушения. Такая комбинация свойств очень заманчива: при эксплуатации в обычных условиях под действием низкой статической или динамической нагрузки материал деформируется путем сдвига, причем избегаются вредные эффекты, обязанные образованию крейз; при ударной нагрузке, когда сдвиговый механизм не может эффективно осуществляться, основную роль начинает играть множественное крейзообразование, что позволяет избежать разрушения.

Влияние пластичности матрицы на ударную вязкость по Изоду с надрезом исследовано Денином и Мошаром на образцах, полученных компаундированием смеси ПВХ с АБС-пластиком (рис. 10.13). Добавление ПВХ к АБС-пластику увеличивает пластичность матрицы, но в то же время снижает содержание каучука. В большинстве композиций доминирующим фактором является увеличение пластичности матрицы. Ударная вязкость возрастает с увеличением отношения ПВХ/АБС, достигая максимума для композиции, содержащей только 25 % АБС-пластика. Дальнейшее снижение содержания каучука приводит к резкому падению ударной вязкости, которое отражает чувствительность «модифицированного ПВХ к надрезу. Пик ударной вязкости отвечает оптимальному соотношению между адекватным содержанием эластомера и желаемой комбинацией механизма множественного крейзообразования и сдвиговой деформации.