Фрактальный анализ разрушения нанокомпозитов полиэтилен высокой плотности/органоглина при ударном нагружении

К. С. Дибирова, Г. В. Козлов, Г. М. Магомедов,

Г. Е. Заиков, Р. Я. Дебердеев, С. Н. Русанова

ФРАКТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАЗРУШЕНИЯ НАНОКОМПОЗИТОВ ПОЛИЭТИЛЕН ВЫСОКОЙ

ПЛОТНОСТИ/ОРГАНОГЛИНА ПРИ УДАРНОМ НАГРУЖЕНИИ

Ключевые слова: нанокомпозит, органоглина, ударная вязкость, кристаллическая фаза, механическое разупорядочение.

Показано, что величина ударной вязкости нанокомпозитов полимер/органоглина в значительной степени зависит от относительной доли кристаллической фазы, подвергающейся механическомуразупорядочению.

Key words: nanocomposite, organoclay, impact toughness, crystalline phase, mechanical disordering.

It has been shown that impact toughness value of nanocomposites polymer/organoclay depends to a considerable extent on relative fraction of crystalline phase, subjecting to mechanical disordering.

Рассмотрим физические основы разрушения аморфно-кристаллических полимеров в ударных испытаниях на примере полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) марки 276 с молекулярной массой 1,4х105 и степенью кристалличности К=0,723. Испытания образцов ПЭВП-276 с надрезом 0,5 мм выполнены по методике Шарпи на инструментированном маятниковом копре, что позволило получить экспериментальные значения модуля упругости Е и предела текучести стТ.

Авторы [1] показали, что ударная вязкость Ар полимеров подчиняется следующему

скейлинговому соотношению:

1п Ap ~ {dp - 4),

где dp - фрактальная размерность поверхности разрушения, которую можно определить из уравнения [1]:

41 -(%кр +Ф р.Л

dp = 2--

ln CL

где %кр - доля кристаллической фазы, подвергшаяся механическому упорядочению в процессе деформирования, фр.м. - относительная доля

рыхлоупакованной матрицы аморфной фазы (фр.м.~1-К), Ст - характеристическое отношение.

В рамках фрактальной концепции пластичности было показано [1, 2], что процесс текучести реализуется не во всем объеме образца, а только в его части, доля которой составляет (1-х), где % -доля упруго деформируемого полимера. Величину коэффициента Пуассона в точке текучести ут можно определить так [1]:

Ут = у% + 0,5

где V - коэффициент Пуассона упруго деформируемого полимера, определяемый по результатам механических испытаний с помощью уравнения [2]:

= 1 - 2у

Е 6

Величина %кр определяется следующим образом [2]:

%кр = % — фр.м. .

Фрактальная размерность df структуры полимера может быть рассчитана так [1]:

df =^ -1)1 + у),

где d - размерность евклидова пространства, в котором рассматривается фрактал (очевидно, d=3). Параметры См и df связаны соотношением [2]:

с 2df 4

С” = d

Рассмотренные выше методики и условие (%кр+фр.м.)=% позволяют оценить величину dp согласно уравнению (2) и построить зависимость Ар^-4) в логарифмических координатах, которая приведена на рис. 1. Как и ожидалось, наблюдается снижение Ар по мере увеличения параметра ^-4) или роста фрактальной размерности dp, что соответствует скейлинговому соотношению (1). В свою очередь, рост dp обусловлен повышением %кр по мере снижения температуры испытаний Т от 333 до 213 К. Следовательно, основной причиной снижения Ар по мере уменьшения Т является увеличение относительной доли подвергшейся механическому разупорядочению кристаллической фазы %кр.

ln Ap

Рис. 1 - Зависимость ударной вязкости Ар от величины параметра №р-4) в логарифмических координатах для ПЭВП-276

Далее рассмотрим причины снижения ударной вязкости Ар нанокомпозитов полимер/органоглина с аморфно-кристаллической матрицей по сравнению с исходным полимером. Введение органоглины приводит к повышению df и соответствующему

увеличению %кр, что снижает величину Ар. Так, для нанокомпозитов ПЭВП/органоглина с содержанием последней 2 масс. % величина %кр увеличивается от 0,305 для ПЭВП до 0,434 для нанокомпозита, что приводит к снижению Ар от 6,55 до 3,86 кДж/м2. Введение 10 масс. % совмещающего агента

(малеинового ангидрида) при одинаковом содержании органоглины дает рост %кр от 0,30 до

0,44 и соответствующему снижению Ар от 7,40 до 3,95 кДж/м2.

И в заключение рассмотрим вопрос, насколько отсутствие механического разупорядочения, т.е., %кр=0, может изменить величину Ар. Для нанокомпозита ПЭВП/органоглина, упомянутого

выше, реализация условия %кр=0 дает величину Ар=27,7 кДж/м2, т.е., увеличение ударной вязкости почти в 4 раза.

Литература

1. Микитаев, А.К. Козлов, Г.В. Фрактальная механика полимерных материалов. Нальчик, Изд-во КБГУ им. Х.М. Бербекова, 2008, 312 с.

2. Козлов, Г.В. Овчаренко, Е.Н. Микитаев, А.К. Структура аморфного состояния полимеров. М., Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2009, 392 с.

© К. С. Дибирова - зав. лаб. каф. общей и экспериментальной физики Дагестанского госуд. пед. ун-та (ДГПУ); Г. В. Козлов - ст. науч. сотр. УНИИД Кабардино-Балкарского госуд. ун-та им. Х.М. Бербекова (КБГУ); Г. М. Магомедов - д-р физ.-мат. наук, проф., зав. каф. общей и экспериментальной физики ДГПУ; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, проф., зав. отделом ИБХФ РАН; Р. Я. Дебердеев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, deberdeev@kstu.ru; С. Н. Русанова - канд. техн. наук, доц. той же кафедры.