СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АДГЕЗИИ ЧАСТИЦ НАПОЛНИТЕЛЯ К ПОЛИМЕРНОМУ СВЯЗУЮЩЕМУ
METHOD OF DETERMINING ADHESION OF FILLER PARTICLES TO POLYMER BINDER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения уровня адгезионного взаимодействия частиц наполнителя с полимерной матрицей и объемных механических характеристик композиционных материалов при растяжении.
Механические свойства композиционных материалов в значительной мере зависят от адгезии наполнителя к матрице. Наибольшее применение нашли дилатометрические методы исследования адгезионной связи, где по изменению объема образца судят о напряжении разрушения связи наполнитель-полимер. Однако эти методы не позволяют исследовать наполнители, входящие в данный материал и обладающие различной адгезией к полимерной матрице. Это обусловлено тем, что при отслоении наполнителя появляется дополнительный объем в результате образования пустот (вакуолей), который продолжает расти за счет увеличения объема вакуолей.
Также был предложен метод для измерения адгезии твердых наполнителей к полимерной матрице, в котором использован эффект увеличения внутреннего трения при отслоении наполнителя, обусловленный понижением упругости материала вследствие нарушения адгезионного контакта, было предложено непрерывное продольное растяжение образца, а сдвиговые динамические нагрузки задавались с малыми амплитудами, при этом изменение внутреннего трения являлось «индикатором» отслоения твердых наполнителей от полимерной матрицы. Предложенный способ позволяет дифференциально выделить моменты отслоения каждого из наполнителей с соответствующими напряжениями отслоения, а также фиксировать моменты и напряжения, соответствующие концу отслоения наполнителя от полимерной матрицы, что позволяет использовать способ для исследования сложных по наполнению материалов (Лазукин А.И., Вальцифер В.А. Метод определения адгезии твердых наполнителей к полимерной матрице. // Заводская лаборатория, 1984, №2, - с.46-47).
Однако предложенный способ неудобен тем, что для его реализации требуется создание принципиально новой установки, требующей применения дефицитных комплектующих приборов.
Из уровня техники известен способ определения прочности адгезионного соединения полимерных материалов на растяжение (SU №485363, МПК G01N 19/02, опубл. 1975 г. №5, стр.118), реализуемый путем приложения растягивающей нагрузки, однако описанному способу присущи следующие недостатки: в описанном способе двуосное растяжение достигается одновременным подбором трех установочных размеров h, b, l, т.е. постановка эксперимента по замеру адгезии сложна и результаты несут элементы субъективности из-за сложности достижения равенства изгибающих моментов.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ определения прочности сцепления частиц порошкообразного наполнителя со связующим (SU №349934, МПК G01N 19/04, опубл. №26, 1972 г., стр.103), заключающийся в нагружении образца растягивающей нагрузкой и регистрации момента разрушения сцепления частиц наполнителя со связующим.
Однако в описанном способе момент отрыва частиц, находящихся в монолите связующего, определяется по напряжению, при котором резко уменьшается непрерывно регистрируемый коэффициент Пуассона, поэтому способу присущи следующие недостатки: «резкое» уменьшение коэффициента Пуассона, с помощью которого характеризуется нарушение адгезии в образце, является производной величиной от экспериментальной продольной и поперечной деформации образца. Значение коэффициента Пуассона определяется отношением продольной деформации к поперечной, кроме того, этот способ зависит от точности замера геометрических размеров образца.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа, позволяющего имитировать состояние нагружения материала в пристеночных слоях (у корпуса) и оценивать механические характеристики материала даже в случае визуальной целостности образца с различными видами и формами частиц наполнителя.
Поставленная задача решается предлагаемым способом определения адгезии частиц наполнителя к полимерному связующему, включающим нагружение образца растягивающей нагрузкой и регистрацию момента разрушения сцепления частиц наполнителя со связующим, при этом осуществляют объемное растягивающее нагружение образца в иммерсионной жидкости, помещенной вместе с образцом в цилиндр с поршнем, а момент разрушения адгезионных связей в образце регистрируют по изменению линейной зависимости растягивающего напряжения на поршень от деформации.
Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что осуществляется объемное растягивающее нагружение образца в иммерсионной жидкости, помещенной вместе с образцом в цилиндр с поршнем, и момент разрушения адгезионных связей в образце регистрируют по изменению линейной зависимости растягивающего напряжения на поршень от деформации.
Из механики известно, что давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку жидкости или газа одинаково по всем направлениям. В данном способе всесторонние растягивающие напряжения в образце создаются гидростатическим растягивающим воздействием на жидкость в рабочем устройстве с исследуемым образцом. Замер растягивающих напряжений позволяет определить внутриобъемные механические характеристики полимерной композиции (объемную прочность, объемную деформацию, объемный модуль растяжения).
Объемное растяжение дает возможность имитировать объемную деформацию, которая практически реализуется в изделиях большой массы и объема. Погружение образца в иммерсионную жидкость и последующее растяжение жидкости в цилиндре с поршнем позволяет обеспечить всестороннее (объемное) растяжение образца. Графическая регистрация зависимости растягивающего момента напряжения от деформации позволяет однозначно зафиксировать точку изменения линейного хода графика, которая соответствует моменту разрушения образца.
Сущность предлагаемого способа поясняется
Фиг.1, на которой приняты следующие обозначения:
1 - направление движения поршня в момент измерения;
2 - цилиндр;
3 - поршень;
4 - образец;
5 - иммерсионная жидкость.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом: образец 4 помещают в цилиндр 2, предварительно заполненный жидкостью 5, затем прикладывают усилие к поршню 3, в направлении 1, измеряют величины растягивающего усилия деформации в момент его разрушения и производят расчет прочности согласно формул с помощью диаграмм нагружения, представленных на Фиг.2-4, где Фиг.2 - типичная диаграмма нагружения ячейки с деформируемым образцом, пунктирная линия - диаграмма нагружения ячейки без образца, Фиг.3 - типичная диаграмма нагружения ячейки с жестким образцом, Фиг.4 - типичная диаграмма ячейки без образца. Линейный (начальный) участок на диаграмме нагружения образца связан с деформацией полимерной матрицы, скрепленной с частицами наполнителя. Нелинейный участок диаграммы связан с деформированием отслоившейся от наполнителя полимерной матрицы (Фиг.3, 4). Если наполнитель слабо скреплен со связующим или имеет микропоры, то в таких наполненных полимерных композициях при относительно небольших внешних напряжениях происходит отслоение частиц наполнителя от полимерной матрицы. В этом случае диаграмма нагружения на линейном участке отличается от диаграммы нагружения ячейки без образца (Фиг.2). В качестве иммерсионной выбирается жидкость, которая отвечает следующим требованиям: химически не взаимодействует с образцом, не растворяет образец, хорошо его смачивает, имеет высокую вязкость, не летуча, не ядовита и безопасна в обращении, в качестве иммерсионной жидкости могут быть использованы глицерин, вода, жидкие масла.
диагр
Численное значение величины прочности адгезионного соединения определяется по точке A пересечения линейного и нелинейного участков на диаграмме нагружения. Затем опускается перпендикуляр до линии трения (поршня о стенки шприца) и измеряется нагрузка F, кг и длина диаграммы L, мм.
Однородный материал деформируется по закону Гука:
2
где k - объемный модуль, кгс/см;
θ - объемная деформация, в относительных единицах (0,01=1%);
2
σ - прочность адгезионного взаимодействия, тождественное давлению в жидкости , кгс/см;
F - нагрузка на поршень, кгс;
2
2
S=π·D/4 - площадь поперечного сечения поршня, см.
Вычисляется перемещение поршня, мм:
маш.
где V - рабочий ход машины, мм/мин;
диагр.
l - длина диаграммы до точки «А», мм.;
диагр.
V - скорость протяжки диаграммной ленты, мм/мин.
3
Вычисляется объем образца, см:
3
где ρ - плотность образца, г/см;
m - масса образца, г.
3
Вычисляется изменение объема образца, мм:
2
где S - площадь поперечного сечения поршня, мм.
Вычисляется объемная деформация на момент отслоения наполнителя от связующего, %:
Вычисляется нагрузка, при которой происходит отслоение наполнителя от связующего, кгс:
2
Вычисляется прочность адгезионного взаимодействия, при которой происходит отслоение наполнителя от связующего, кгс/см:
2
Вычисляется объемный модуль, кг/см:
a
Для определения средних значений σ, θ, k необходимо провести не менее пяти зачетных испытаний.
Вычисляется среднее значение прочности адгезионного взаимодействия:
где n - число проведенных испытаний.
Вычисляется среднее квадратичное отклонение прочности адгезионного взаимодействия:
Вычисляется среднее значение объемной деформации на момент отслоения наполнителя от связующего, %:
Вычисляется среднее квадратичное отклонение объемной деформации на момент отслоения наполнителя от связующего, %:
Вычисляется среднее значение объемного модуля:
Вычисляется среднее квадратичное отклонение объемного модуля:
Примеры конкретного выполнения
Пример 1
3
Для исследуемого состава в качестве иммерсионной жидкости выбран глицерин, образец изготавливают с размерами, позволяющими помещать его в рабочее устройство, например, для цилиндра объемом 5 см, применимы образцы размером 10×5×5 мм, образец взвешивают. С целью улучшения смачиваемости исследуемого образца в рабочем устройстве его поверхность предварительно обрабатывают глицерином с помощью кисточки. Проводят тарировку измерительной системы, в данном случае разрывной машины марки Р-05, устанавливают скорость протяжки диаграммной ленты, устанавливают масштаб записи нагрузки на приборе, устанавливают рабочий ход захвата машины. Рабочее устройство с залитым глицерином устанавливают в захват машины и проверяют герметичность рабочего устройства. При движении поршня в цилиндре производится запись и измерение нагрузки в зависимости от перемещения штока поршня.
Измерение проводят до образования на диаграмме стабильного уровня нагрузки F. Визуально при этом наблюдается выделение газовых включений из образца в рабочую жидкость, численный расчет проводится по формулам (1-14), приведенным выше.
Пример 2
Для состава, состоящего из полистирола наполненного волластонитом, в качестве иммерсионной жидкости использовалось трансформаторное масло, которое соответствует всем вышеуказанным требованиям. Дальнейшее выполнение испытаний проводится, как в примере один, а расчет ведется по формулам (1-14).
Пример 3
Для состава, состоящего из полиэтиленгликоля наполненного кварцевым песком, в качестве иммерсионной жидкости использовалась вода, которая хорошо смачивает образец.
Эти опыты показали, что выбор иммерсионной жидкости обусловлен, в первую очередь, хорошим смачиванием поверхности исследуемого образца наполненного полимера. Дальнейшее измерение проводится аналогично примеру 1, 2, а численное значение находится по формулам (1-14).
Предлагаемый способ определения адгезии частиц наполнителя к полимерному связующему может быть реализован на имеющемся оборудовании, техническая реализация не представляет труда, результат, полученный описанным способом, дает высокую точность измерения. Необходимость же в использовании предлагаемого способа, обеспечивающего достоверное и надежное определение адгезии частиц наполнителя к полимерному связующему, очевидна.