Оценка вязкости разрушения упрочненных каучуком смесей на основе J-интеграла

13.08.2015

ЛМУP успешно применялась для описания вязкости при разрушении высокосшитых и упрочненных эпоксидных смол. Однако упрочненные каучуком термопласты проявляют тенденцию к сильному течению перед разрушением, при котором для осуществления точного измерения ударной вязкости необходимо знать параметры разрушения после завершения течения, такие как Jc и we. Оценка вязкости разрушения с помощью J-интеграла широко использовалась при испытаниях упрочненных каучуком смесей в последние годы.
Нэйр с сотр. показали, что метод J-интеграла является полезной процедурой для раскрытия роли каучуков, жестких полимеров и волокон в двух полимерных смесях типа жесткий-жесткий, а именно смесях найлон-66 и АБС, и найлон-66 и САН. Оттерсон с сотр. применяли модифицированный метод J-интеграла, разработанный Кимом и Джо для изучения влияния содержания агента компатибилизатора и скорости нагружения на кривую JR для смеси найлон-6-АБС.
Чанг с сотр. также исследовали вязкость разрушения серии упрочненных пластиков, в том числе УПС, АБС, ПК-АБС и ПК-ПБТ. Они применяли метод гистерезиса для измерения ударной вязкости при инициации трещины. Физическая основа метода состоит в том, что в момент начала роста трещины происходит резкое увеличение энергии гистерезиса (ГЭ) в отличие от плавного подъема ГЭ из-за вязкоупругих и неупругих деформаций в зоне вершины трещины. Если построить график зависимости энергии гистерезиса или гистерезисного отношения (ГО = ГЭ/U) в зависимости от смещения (здесь U — работа, произведенная при смещении), то получаются две линии линейной регрессии для инициации первичной трещины и роста трещины соответственно. Точка пересечения (смещение) двух этих линий служит для определения Jlc. Утверждалось, что этот метод дает величины Jlc, сравнимые с такими же величинами, полученными по стандарту ASTM E813-81, но они значительно ниже величин, которые получаются при применении стандарта ASTM E813-87 с линией затупления, отступающей на 0,2 мм. Сложность этого метода, однако, состоит в том, что не всегда возможно определить точно точку, в которой линия гистерезиса, отвечающая изменению в первичной трещине, переходит в резкий подъем из-за начала роста трещины. Здесь всегда присутствует элемент произвольности, поскольку неясно, какие данные следует включать в регрессионный анализ каждой из линий. He все полимерные смеси проявляют явное изменение энергии гистерезиса при переходе от первичной трещины к росту трещины. В дальнейшем необходимо устранить эту неоднозначность в методике, прежде чем широко применять ее в качестве альтернативного метода, характеризующего ударную вязкость.
1. Описание вязкости разрушения смесей ПЛ-66-ПП-СЭБС-g-MA с помощью J-интеграла
а. Эксперимент. Материалами в опытах по изучению вязкости при разрушении смесей ПА-66-ПП-CЭБ-g-M А с помощью J-интеграла служили новые смеси ПА-66 и ПП, модифицированные смесью привитого ангидрида малеиновой кислоты (малеинового ангидрида, MA) и непривитого стирол-этилен-бутилен-стирола (СЭБС). Материалы одновременно смешивались в сухом виде при весовом соотношении 75/25 ПА-66/ПП, плюс 20 %вес. смеси СЭБС-СЭБС-g-MA с содержанием от 0 до 100 %вес. СЭБС-g-MA (пять различных уровней). ПA-66 ( Vydyne 21) был предоставлен Monsanto Chemical Company (США), а ПП (Propathene GSE52) — компанией ICI Australia. Триблок-сополимер СЭБС (Kraton G1652) и его малеинизированная версия (Kraton F1901X) были предоставлены компанией Shell Chemical. Соединение смесей ПА-66-ПП с 20 %вес. смеси СЭБС-СЭБС-g-MA осуществлялось в двухшнековом экструдере с большой скоростью сдвига (Wemer & Pfleiderer ZSK 30) в температурном диапазоне от 260 до 280 °C (в зависимости от содержания найлона) с последующим литьем под давлением (Boy 22S Dipronic). Все материалы перед смешением подвергались сушке при пониженном давлении в вакуумном термошкафу при температуре 60 °С и в обычной печи перед литьем под давлением полосок толщиной 6 мм.
J-интеграл вязкости при разрушении определялся на образцах с надрезом при глубоком трехточечном изгибе, при 0,5 < a/W < 0,65, S/W = 4; размер образцов был 82x126x6 мм. Подготовительные процедуры для получения надрезов и первичных трещин были аналогичны таковым, примененным к усиленным ЖКП смесям ПБТ-ПК. После нагружения образцов со скоростью 5 мм/мин при комнатной температуре до заданного значения образцы разгружались и погружались в ванну с жидким азотом на время не менее 0,25 ч, а затем подвергались быстрому разрушению. Стабильный рост трещины Aa измерялся с помощью стереомикроскопа ( WILD Heerbrugg), и J определялся по уравнению (20.16). Данные для кривой JR подбирались в соответствии со степенным законом согласно стандарту ASTM E813-87. Начальная ударная вязкость J, определялась по точке пересечения кривой JR-Δa при отступе линии затупления 0,2 мм. Для сравнения был также применен анализ данных по ASTM E813-81, и Jc измерялся по пересечению линии линейной регрессии и линии затупления вершины трещины.
б. Результаты и обсуждение. Кривая Jc, полученная по ASTM E813-87 и показанная на рис. 20.12, отражает кривую пластичного растяжения, приведенную на рис. 20.13. Максимальная ударная вязкость достигается при прививке 0,92% MA на СЭБС, и это примерно в 2,5 раза выше, чем ударная вязкость немалеинизированной смеси, и в шесть раз выше, чем результат для смеси СЭБС с максимальной прививкой MA. Анализ J-интеграла по стандарту ASTM E813-81 показывает похожий результат в отношении повышения ударной вязкости, но дает меньшие величины ударной вязкости (рис. 20.12). Высокая пластичность смеси СЭБС с 0,92% привитого MA обусловлена способностью диспергированных частиц пластично деформироваться с матрицей, прежде чем произойдет отрыв на межфазной границе. Однако эти механизмы деформации весьма ограничены в смесях СЭБС с большим содержанием привитого MA, потому что другая морфология приводит к низким значениям ударной вязкости.
Оценка вязкости разрушения упрочненных каучуком смесей на основе J-интеграла