2.4 Правила смесей для композитов

Модификация органических полимеров путем внедрения добавок ведет к созданию многофазных систем, состоящих из непрерывной полимерной фазы, содержащей введенные добавки. Полученные смеси характеризуются уникальной микроструктурой, определяющей их свойства. Главные причины, побуждающие применять модифицирующие добавки, заключаются в следующем:

• модификация или улучшение свойств;

• общее снижение стоимости;

• улучшение и контроль условий переработки.

Добавки могут быть непрерывными, как, например, длинные волокна или ленты; такие добавки вводятся в полимер с регулярным геометрическим расположением, и они распространяются по всему размеру изделия. С другой стороны, модифицирующие добавки могут быть не‐непрерывными (короткими), как, например:

к ороткие волокна, чешуйки, пластинки, шарики или частицы без определенной формы; они диспергируются в непрерывной матрице.

Такие системы обычно основаны на термопластичной матрице и классифицируются как менее высококачественные полимерные композиты, чем их аналоги с непрерывными добавками.

Модифицирующие добавки для полимерных композитов классифицировались по-разному: усиливающие элементы, наполнители или армирующие наполнители. Усиливающие элементы, которые являются значительно более жесткими и прочными, чем полимер, обычно повышают модуль и прочность.

В композитах, содержащих непрерывные усиливающие элементы, главным образом, в термореактивных матрицах, длинные волокна или ленты, будучи уложенными в определенном геометрическом порядке, могут стать главными компонентами композита (в ориентированных композитах они могут составлять до 70% по объему). В не‐непрерывных композитах направленные усиливающие элементы (короткие волокна или чешуйки) расположены в композите в различной ориентации и в различном геометрическом порядке. В этом случае содержание добавок обычно не превышает 30–40% по объему.

Следует заметить, что, однако, существуют промышленные способы приготовления термопластичных композитов с непрерывными ориентированными волокнами, позволяющие получить более высокое содержание волокна для использования в многофункциональных инженерных пластиках.[7]

В целом, параметры, влияющие на свойства полимерных композитов, как непрерывных, так и не‐непрерывных, включают:

• свойства модифицирующих добавок (собственные свойства, размер, форма);

• состав;

• взаимодействие компонентов на фазовых границах;

• способ производства.

К онцентрация и собственные свойства добавки, а также ее взаимодействие с матрицей являются важными параметрами, контролирующими обрабатываемость композита.

2.4.1 Влияние наполнителей

Традиционно наполнители рассматривались как модифицирующие добавки, которые, ввиду их неблагоприятной формы, площади поверхности или химического состава поверхности, могут лишь в небольшой степени увеличивать модуль упругости полимера, тогда как прочность (на растяжение, на изгиб) остается неизменной или даже уменьшается. Их основное преимущество состоит в снижении стоимости материалов за счет замещения более дорогостоящего полимера; другой потенциальный экономический выигрыш связан с ускорением циклов формования в результате увеличенной теплопроводности и снижением брака от деформаций. В зависимости от типа наполнителя, могут затрагиваться и другие свойства полимеров, например при введении волоконных материалов может существенно возрастать вязкость расплава.

Полезным параметром для оценки эффективности наполнителя является отношение

площади его поверхности, A, к объему, V, которое для достижения должного усиления должно быть максимально высоким. Достижение максимального отношения A/V и взаимодействия частица ‐ матрица через границу требует α >> 1 для волокон и 1/α << 1 для пластинок[3].

При создании усиливающих наполнителей целью этого процесса или модификации материала является увеличение аспектного отношения частиц, улучшение их совместимости и граничной адгезии с химически неродственной полимерной матрицей. Такие модификации могут усиливать и оптимизировать не только первичную функцию наполнителя, используемого в данном случае как модификатора механических свойств, но также обеспечить или усилить дополнительные функции. Новые функции, достигаемые замещением или модификацией существующих наполнителей, расширяют диапазон их применения. Для описания определенных свойств композитов обычно используются уравнения правила смесей (часто приспособленные к типу, форме и ориентации усиливающего элемента /наполнителя). Рассмотрим ПКМ однонаправленный армированный непрерывными волокнам. К нему приложено растягивающее напряжение вдоль волокон.

Рассчитаем модуль упругости композита вдоль направления армирования (укладки волокон) может быть рассчитан по правилу смеси:

E_км = E_f ∙V_f + E_m ∙ V_m, (4)

где E_f - модуль волокна; E_m - модуль матрицы; V_f , V_m – относительное объемное содержание волокон и матрицы, соответственно, тогда

E_км = 230∙0,75+2,3∙0,25= 173 ГПа

Изгибная прочность:

σ_км = E_f ∙V_f ∙ ε_км+ E_m ∙ V_m∙ ε_км , (5) где ε_км – относительная деформация КМ.

σ_км = 230∙0,75∙0,032+2,3∙0,25∙0,032= 5,5 ГПа

Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала.

Модуль упругости для всего объекта (плеча лука):

E_лука =E_км∙V_км +E_дерева∙V_дерава, (6)

отсюда находи, что E_лука =173∙0,3+12,2∙0,7=60,44 ГПа

Изгибная прочность для всего объекта (плеча лука):

σ_лука = E_км∙V_км ∙ ε_км+ E_дерева ∙ V_дерева∙ ε_км, (7)

отсюда следует, что σ_лука = 173∙0,3∙0,032+12,2∙0,7∙0,032= 1,93 ГПа

Можно сделать вывод, что реальны свойства углепластиков на основе ЭФ32 - 301эпоксидного и полиамидного связующего в несколько раз ниже, чем прогнозируемые свойства.