Более сложные морфологии

13.08.2015

Существует несколько примеров наполненных полимеров, которые можно разделить на две обобщенные категории. В первой категории сложную морфологию имеют частицы наполнителя. Сюда входит растущий набор частиц типа сердцевина-оболочка, используемых, в частности, в полиметилметакрилате (ПММА), и закономерно встречающаяся структура «салями» упрочняющих частиц в ударопрочном полистироле (УПС). Эти частицы наполнителя содержат некоторое количество материала каучука наряду со стеклообразным материалом, имеющим свойства, близкие к матрице. Вторая категория отвечает случаю введения в материал матрицы более чем одного наполнителя. Имеется несколько примеров такой морфологии в области клеев, в частности, клеев на основе эпоксидной смолы, которые могут, например, содержать относительно крупные, твердые частицы типа баллотини чтобы обеспечить толщину связки, и более мелкие, мягкие частицы для улучшения ударной вязкости материала. В другом варианте могут быть различные распределения частиц одного типа.
В настоящее время проводятся серьезные исследования роли частиц типа сердцевина-оболочка, используемых чаще всего в качестве модификаторов для термопластов, таких как ПММА. Эти частицы могут улучшить ударную вязкость до уровня, достигаемого при введении простых каучуковых частиц, но их присутствие не ухудшает механической жесткости, что характерно для добавления частиц чистого каучука. Кроме того, при использовании сложной морфологии возможно получение более точного совпадения оптических свойств, ведущего к прозрачности, сравнимой с прозрачностью чистого ПММА. Внешний вид этих материалов приобретает все большее значение, поскольку санитарные нормы и правила техники безопасности требуют применения полимерных материалов вместо, например, стеклянных витринных полок.
В литературе имеется множество данных по измерениям упругих свойств смесей, содержащих частицы сердцевина-оболочка. Ожидалось, что добавление этих частиц, содержащих некоторое количество каучука, понизит жесткость, и, изменяя морфологию частиц, можно будет добиться того, что это уменьшение будет коррелировать с объемной долей каучука. Однако измеренное уменьшение жесткости с увеличением объема частиц оказалось выше ожидаемого, и его величина была сравнима с величиной, получаемой при добавлении частиц из чистого каучука. Эта аномалия требует дальнейшего изучения, которое предпочтительно проводить с помощью динамических измерений, позволяющих подробно исследовать морфологию частиц.
Как говорилось выше, структура «салями» каучуковых упрочняющих частиц в УПС, содержащих включения из полистирола, характерна для структуры, встречающейся в современной промышленной продукции. Эта морфология высоко изменчива, так что упругие свойства трудно поддаются измерениям. Недавно для упрочнения полистирола были использованы более простые морфологии в виде хорошо контролируемых частиц типа сердцевина-оболочка, используемых для упрочнения ПММА.
Предсказание упругих свойств обеих категорий более сложных материалов с помощью методов классической упругости можно будет осуществить только на последующих этапах исследований. Для сложной морфологии второго типа, при которой частицы наполнителя имеют более одного типа распределений, сначала следует рассмотреть более высокодисперсные частицы, чтобы определить свойства «модифицированной матрицы». Свойства модифицированной матрицы затем можно использовать для моделирования свойств условного композита, содержащего частицы второго типа. Такие шаги проведения анализа можно использовать при применении для моделирования этих материалов методом конечных элементов.
Такие же подходы можно использовать в классических методах расчета упругих свойств смесей с более сложной морфологией частиц. В этом случае сначала должны определяться свойства «модифицированных частиц», и на основании этих свойств далее моделируются свойства композита. Такой двухстадийный процесс можно использовать при моделировании этих материалов методом конечных элементов. Иначе, сложную морфологию частиц можно сразу включить непосредственно в модель конечных элементов. Как говорилось выше, результаты моделирования этого типа не согласуются с результатами экспериментальных данных по свойствам; это расхождение является предметом будущих исследований.
Альтернативный подход на основе микроструктурной трансформации, который может быть полезным для описания микроструктуры этих более сложных морфологий, предложили Фэн с сотр. Микроструктурная трансформация включает в себя описание микроструктуры в определенных терминах, таких как «чистая частица», «чистая матрица», «межфазные области» и т. д. Субъекты этих определений называются «топологическими параметрами». Таким образом, это описание микроструктуры ведет к определению числа и типов топологических параметров, характеризующих микроструктуру. Анализ проводится для различных структур, описываемых топологическими параметрами, и свойства материала затем выводятся суммирующей процедурой. Этот метод применялся для предсказания упругих свойств ряда материалов, наполненных частицами.