Полимерные смеси с наполнителем

15.08.2015

Термопластичные композиты с различными наполнителями и усиливающими компонентами широко применяются в различных областях. Однако не столь хорошо известно, что матрицей многих композитов также является полимерная смесь. Композиты определены как материалы, состоящие из двух или более различных фаз с межфазной границей между ними. Это определение обычно относится к материалам, характеризуемым высоким размерным отношением (например, отношением длины к толщине), и к ним относятся волокна, пластинки и хлопья. Результатом внедрения этих материалов в термопластичные матрицы является улучшение (но, возможно, с внесением анизотропии) механических и тепловых свойств. С другой стороны, наполнители с низким размерным отношением используются в большинстве случаев с целью уменьшения стоимости, и, может быть, даже в ущерб механическим свойствам (прочности и ударной вязкости). Тем не менее, различие между усиленными и наполненными полимерами часто формальное.
Роли матрицы, усиливающего компонента и межфазных границ в композитах хорошо определены. Матрица ответственна за передачу нагрузки от матрицы на усиливающие элементы для распределения нагрузки между ними, для защиты усиливающих элементов против агрессивной среды и для размещения усиливающего материала. Назначение усиливающих элементов — нести нагрузку благодаря их более высокой жесткости и прочности по сравнению с матрицей. Граница (в двумерном случае) или межфазная граница (в трехмерном случае) — пренебрежимо тонкий или конечно тонкий слой, обладающий собственными свойствами и особой ролью в передаче напряжения от матрицы к усиливающим элементам.
Смешанные полимеры, обычно присутствующие в матрице в виде тонкой дисперсии, могут выступать в различных ролях: огнезащитный состав, технологическая добавка, поверхностная отделка, ударный модификатор, агент адгезии между матрицей и усилением и т. д. Тем не менее, в большинстве случаев смешение имеет целью улучшение ударной вязкости композитов или, точнее говоря, достижение желаемого баланса между жесткостью и ударной вязкостью. Принято считать, что характеристики жесткости и прочности связаны с усиливающим материалом, а ударная вязкость — с матрицей; однако это предположение, в общем случае, не оправдывается. Механизмы повышения ударной вязкости весьма сложны, и сюда вовлечены механизмы деформации и разрушения волокон. Следует обратить внимание на большой разрыв между торговой и патентной литературой, с одной стороны, и научной литературой, с другой стороны, в направлениях их интереса к области усиленных полимерных смесей. Лишь ограниченную информацию по этому вопросу можно извлечь из справочников, несмотря на обилие торговой и патентной литературы (брошюры, буклеты) в этой области.
Полимерные смеси с наполнителем

Смешение полимера матрицы для применения в термопластичных композитах осуществляется, когда матрица проявляет тенденцию к хрупкому разрушению и или чувствительность к надрезам. Для хрупкого разрушения благоприятны условия, когда, например, температура намного ниже температуры стеклования Tg, при низком среднем молекулярном весе (MB), при недостаточной плотности связывающих молекул и при высокой кристалличности. Другими целями смешения являются повышение температуры допустимой деформации (ТДД) и снижение некоторых влияний со стороны окружающей среды (например, поглощения воды). Смешение также может служить хорошим инструментом для уменьшения стоимости. Последнее по порядку, но не по значению — добавление второго полимера может существенно увеличить граничную адгезию между волокнами и матрицей. Применяв связующие агенты, можно варьировать механические характеристики конкретных композитов. Исходя из сказанного, можно заключить, что смеси часто составляются из полимеров следующих типов: поликонденсационные полимеры, имеющие низкий средний MB и проявляющие тенденцию к гидролитической деструкции, полимеры с высокой Tg, полимеры с низкой собственной адгезией к усиливающим мате риалам. Фирменные каталоги, как представляется, подтверждают это заключение.
Механические характеристики усиленных термопластичных смесей зависят от следующих факторов:
а) состав смеси и морфология;
б) тип и количество усиливающих компонентов;
в) физическая граница и межфазная граница между матрицей и усиливающие компонентом;
г) методы и условия переработки;
д) условия испытаний.
Между пунктами а-г имеется тесная взаимосвязь. Например, как морфология матрицы, так и эффект усиления могут сильно зависеть от технологии, например в случае литья под давлением. С другой стороны, тип и количество усиливающее компонента диктуют выбор подходящей технологии и условий переработки. В пунктах с а по е на рис. 31.1 перечислены некоторые факторы, связанные с характером матрицы, усиливающего компонента, границы, технологии и испытания. Целые этой главы является обзор производства, структуры, технологии и свойств термопластичных композитов, содержащих различные усиливающие элементы в матрицах из полимерных смесей.