Описание смесей ПК-ПБТ на основе линейной механики упругого разрушения

13.08.2015

1. Квазистатический Glc смесей ПК-ПБТ, упрочненных ЖКП. Упрочнение однокомпонентных полимеров с помощью жидкокристаллических полимеров (ЖКП) привлекло в последние годы значительное внимание. Смешение ЖКП с ударопрочными полимерами формирования самоупрочняющихся смесей — плодотворная идея: смесь получает, соответственно, жесткость и ударную вязкость от твердых микрофибрил ЖКП и ударопрочность от матрицы. Большая часть результатов по части структура-свойства в усиленных ЖКП смесях относится к усилению прочности и жесткости; основа для понимания механизмов деформации в таких самоупрочняющихся смесях по-прежнему отсутствует. При этом для оценки поведения при разрушении этих новых композитов необходимы достоверные сведения о морфологии. Вонг с сотр. определяли вязкость при разрушении усиленных ЖКП смесей ПК-ПБТ через параметры ЛМУР Klc и Glc.
а. Эксперимент. Поликарбонат (Calibre 300-15) был предварительно смешан с полибутилентерефталатом (Valox 325) в отношении 60/40 в двухшнековом экструдере. Материалы смешивались при температуре около 260 °С. ЖКП (Vectra Е950 был получен от Hoechst-Celanese и содержал 58 %мольн. гидроксинафтойной кислоты, 21 %мольн. терефталевой кислоты и 21 %мольн. парааминфенола. ЖКП смешивался в сухом виде с предварительно полученными гранулами смеси ПК-ПБТ в соотношении 10, 20, 30, 40 и 50 %вес. ЖКП в шнековой литьевой машине (JM88MKIU. Chen Hsong Machinery Co. Ltd.) при температуре 285 °C в зоне 1 и 270 °C в зоне 2 Температура формы была 23 °С, время впрыска составляло 5 с, время выдержки 44 с. Перед каждой операцией все материалы высушивались в теромошкафу при температуре 120 °C в течение не менее 24 ч. Klc определялся на образцах SENB толщиной 6 мм при квазистатическом нагружении со скоростью 5 мм/мин. Начальный простой надрез выполнялся в середине каждого образца с помощью алмазной пилы. Начальная трещина производилась введением нового бритвенного лезвия в прорезанную щель; отношение a/W при всех испытаниях ограничивалось величинами 0,45-0,55. Размерные требования для обеспечения достоверных измерений Klc задавались по уравнению (20.5), а величина Klc рассчитывалась с помощью уравнения (20.3). Скорость Glc измерялась путем интегрирования кривой нагрузка-прогиб. чтобы получить U — энергию, поглощенную до начала разрушения для различных величин a/W, а затем строился график U как функции BWф для определения GI из наклона линии с помощью уравнений (20.11) и (20.12). Для каждого состава смеси были приготовлены и испытаны десять образцов с различной длиной трещины.
б. Результаты и обсуждение. На рис. 20.8 показаны типичные результаты по разрушению для двух усиленных ЖКП смесей ПК-ПБТ. Можно видеть, что данные для образцов с содержанием ЖКП 40 и 50% ЖКП попадают на две различные прямые линии, расходящиеся из начала координат в соответствии с уравнением (20.11). Наклон каждой кривой дает Glc для каждой концентрации ЖКП. Величины Klc были также независимо рассчитаны по уравнению (20.3). На рис. 20.9 показано увеличение как Glc, так и Klc в зависимости от концентрации ЖКП. Однако здесь имеется неожиданное падение Glc при 20% ЖКП, вызванное увеличением модуля упругости при этом уровне ЖКП. Следовательно, тенденция поведения вязкости разрушения, определенная по основанной на энергии Glc, не всегда идентична тенденции, которую проявляет коэффициент Klc, основанный на напряжении.
2. Сравнение Gc и We при ударных нагрузках для смеси ПБT-ПК-ИМ. В данном подразделе мы покажем эквивалентность Gc и We при хрупком разрушении и продемонстрируем, что только подход HPP можно распространять на полупластическое и пластическое разрушение смеси ПБТ-ПК-ИМ. В этом разделе также будет предложено распространение метода HPP на ударные испытания.
а. Эксперимент. Предметом исследования была промышленная смесь ПБТ-ПК-ИМ, предоставленная Bayer AG (Австралия) в виде гранул (Makroblend PR52). Исходные гранулы были высушены при 120 °C в течение восьми часов перед тем, как быть подвергнутыми литью под давлением в формочки при 260 °С. Размеры образцов SENB были 8,1x60x6 мм. Все образцы получали надрез пилой в середине одной стороны, а затем винтовой подачей вводилось бритвенное лезвие. Скорость подачи поддерживалась низкой, чтобы избежать избыточной пластической деформации в вершине надреза. Отношение a/W образцов изменялось от 0,05 до 0,75. Тесты были проведены на машине для ударных испытаний Zwick 5102 в температурном диапазоне от -196 до 23 °C. После поддержания равновесной температуры в течение не менее 0,33 ч в термокамере из жидкого азота и этанола образцы быстро устанавливались в держатель и подвергались разрушению. Энергия разрушения измерялась непосредственно по шкале машины. Скорость удара составляла 2,96 м*с-1.
Описание смесей ПК-ПБТ на основе линейной механики упругого разрушения

6. Результаты и обсуждение. На рис. 20.10 показан график удельной энергии ударного разрушения U/Bl в зависимости от геометрического множителя ф согласно уравнение (20.13) для смесей ПК-ПБТ-ИМ при различных температурах. При -19-и -100 °C хорошо видна линейность, что оправдывает допущения ЛМУР. Величина Glc определяются из наклонов этих кривых и составляют 2,16 кДж*м-22 и 1,88 кДж*м соответственно. При повышении температуры (рис. 20.10, c-f) начинает превалировать пластичность в кончике трещины и прямая зависимость исчезает.
Te же самые экспериментальные данные были построены по методу HPP (рис. 20.11). Когда в зависимости от l строятся величины wf, полученные при низких температурах, то при увеличении длины перемычки наблюдается верхняя кривая (рис. 20.11, а, b. Этот верхний изгиб относят к изменению кинетической энергии в зависимости от длины перемычки. Чтобы выделить кинетическую энергию Uk из полной энергии ударного разрушения U, она должна быть измерена независимо или получена с помощью выражения Айрлендера. Тогда уравнение (20.22) принимает вид
Описание смесей ПК-ПБТ на основе линейной механики упругого разрушения

Если результаты анализируются с помощью уравнения (20.29), то получается горизонтальная линия, пересечение которой дает we в отличном согласии с величиной Glc, определенной с помощью метода Вильямса. Нулевой наклон указывает на очень малую пластическую работу, произведенную на перемычке во время разрушения. Действительно, экстраполяция wf на нулевую толщину перемычки без коррекции на Uk дает для we величины 2,08 и 1,43 кДж/м2 при -196 и -100 °C соответственно, что очень близко к Glc. Этот метод работает, потому что при нулевой длине перемычки Uk можно пренебречь.
По мере повышения температуры Uk, как и wp возрастают. Однако поскольку обa параметра проявляют стремление к нулю при уменьшении до нуля длины перемычки, можно также получить we путем экстраполяции wf к нулевой длине l. В этом случае метод Вильямса измерения Gc неадекватен (рис. 20.11, с-е). При 23 °C влияние Uk быстро уменьшается и возникает линейная зависимость, предсказываемая уравнением (20.22). Тогда получаем, что для этой смеси ПК-ПБТ-ИМ we равно 9,14 кДж*м-2, a βwр = 3,64 МДж*м-3 (рис. 20.11, f).
Описание смесей ПК-ПБТ на основе линейной механики упругого разрушения

Приведенные выше результаты показывают явное преимущество использования метода HPP и геометрии SENB для описания жестких полимерных смесей в условиях ударного нагружения. Этот метод является полезным инструментом для получения характеристик ударной вязкости полимерных смесей при хрупком, полупластичном и пластичном разрушении. Однако требуется еще провести большую работу, прежде чем метод ударной HPP будет адекватно разработан и принят техническим сообществом. Например, необходимо показать, что удельная НРР, то есть we, определенная в ударном испытании, не зависит от геометрии при использовании тестов на растягивающий удар в геометрии DENT. Также необходимо проверить, зависят ли wc и βwf от толщины листа В, фазовой морфологии и микроструктуры полимерных смесей.
Описание смесей ПК-ПБТ на основе линейной механики упругого разрушения