Все деформационные свойства полимеров можно разделить на две группы.
Первая группа деформационных свойств характеризует сопротивляемость тел деформации – это вязкость расплава (η), модуль упругости (Е – при продольной деформации, G – при сдвиге, М – общий), твердость (Н), предел текучести (σт).
Другая группа свойств характеризует предельную способность тел деформироваться – это предельная деформация при разрушении (ε), например, относительное удлинение при разрыве (εр) (рис. 7.3).
Рис. 7.3 - Деформационно-прочностная кривая полимера при Тхр < Т < Т ст (пл)
Деформация тела под действием внешних механических сил обусловлена тремя составляющими: изменениям межатомных расстояний, изменением конформаций макромолекул и перемещением макромолекул относительно друг друга (течением).
Введение твердых частиц в полимеры снижает способность полимеров к изменению конформации макромолекул и к перемещению относительно друг друга. В результате этого повышается их сопротивляемость деформированию и снижается величина предельной деформации. Такое влияние обусловлено рядом причин. Рассмотрим их.
Первая причина – это наличие на поверхности частиц наполнителя адсорбированных макромолекул полимера. Часть макромолекулы адсорбируется на твердой поверхности и оказывается неподвижной. Эта неподвижность передается на некоторое расстояние по длине макромолекулы, уменьшая ее подвижность. Чем ближе сегмент адсорбированной макромолекулы к твердой поверхности, тем меньшим количеством степеней свобод он обладает. В результате этого у твердой поверхности наполнителя образуется слой полимера с пониженной подвижностью. С удалением от поверхности наполнителя подвижность участков адсорбированных макромолекул повышается. Поскольку удельная поверхность некоторых наполнителей очень высока (несколько сотен квадратных метров на 1 грамм), то доля полимера с пониженной подвижностью может быть довольно значительной. Наличие части «заторможенных» макромолекул затрудняет деформацию композиции и ведет к повышению упругости, твердости и вязкости полимера. Вследствие этого с повышением удельной поверхности (Sуд) наполнителя сопротивляемость ПКМ деформированию возрастает. Кроме того, вследствие адсорбции на твердой поверхности макромолекулы оказываются физически связанными через частицы наполнителя, что снижает их способность к деформации течения.
Рис. 7.4 - Общий характер зависимости сопротивляемости деформированию полимеров от объемного содержания наполнителя
Вторая причина – это образование дисперсными частицами пространственной коагуляционной сетки, напоминающей собой каркас, который оказывает дополнительное сопротивление деформированию. Образование такой непрерывной сетки возможно лишь при достижении определенной концентрации наполнителя в полимере, называемой перколяционной. Степень влияния последнего фактора увеличивается с ростом концентрации наполнителя.
Еще одна причина повышения сопротивляемости полимеров деформированию и снижения величины предельной деформации полимеров связана с тем, что модуль упругости твердых частицы наполнителя гораздо выше модуля упругости полимеров, и наполнители не способны к столь большим деформациям как полимеры. Естественно, что замещение части объема полимера твердыми частицами снижает способность композиции к деформации и повышает ее сопротивление деформированию.
Все эти факторы вызывают повышение любого модуля упругости (Е, G, М), а также η, Н, σт, и ведут к снижению ε. Эти параметры с увеличением содержания наполнителя изменяются нелинейно, и с приближением концентрации к φm резко возрастают (рис. 7.4).
Пониженная подвижность некоторой части адсорбированных на наполнителе макромолекул вызывает небольшое повышение температуры стеклования Тст полимера.
Причины повышения сопротивляемости полимеров деформированию при наполнении достаточно очевидны. Однако их математическая интерпретация оказалась довольно сложной. Наиболее полно на количественном уровне описаны реологические свойства полимеров.
