книги / Математическое прогнозирование реологических и физико-механических свойств наполненных эластомеров. Разработка полимерного связующего на основе олигоэфируретана

нием соотношения между удлинителем линейной цепи (гексаметилендиизоцианат) и разветвителем реакций поперечного сшивания (триметилентриол – глицерин).

В заключение следует отметить, что требуемые механические свойства эластомера, наполненного твердыми дисперсными частицами, в значительной мере определяются механическими характеристиками полимерного связующего. Повышение разрывной деформации связующего обеспечивается оптимальной комбинацией степени сшивания полимерной основы, объемной доли пластификатора, температурной удаленности от температуры структурного стеклования материала. Последняя существенно зависит от химического строения компонентов связующего. Для обеспечения эластичности материала присутствие инертных групп повышенной полярности в механически активной цепи сетки полимерной основы нежелательно.

3.2. Прогнозирование физико-механических характеристик эластомера, наполненного твердыми дисперсными частицами

Разработка методов физико-математического описания в прогнозировании свойств наполненных эластомеров является своевременным и необходимым, поскольку комплекс реологомеханических характеристик определяет как технологические параметры переработки эластомеров (вязкость полимерных суспензий, напряжение сдвига массы), так и качественные показатели готовых изделий, вчастности, механическиехарактеристики.

Разработанные физико-математическое описание и программное обеспечение прогнозирования механических характеристик эластомеров, наполненных твердыми частицами (компонентами), в зависимости от значений основных рецептурных и эксплуатационных параметров позволяют решать прямую за-

дачу [14].

В то же время более актуальным является решение обратной задачи – определение основных рецептурных параметров по заданным механическим характеристикам. Это позволяет вести целенаправленный поиск таких рецептурных параметров,

71

elib.pstu.ru

которые обеспечивают требуемый характер кривой деформирования (растяжения как основного вида испытания) материала и практически отвечать на инженерный вопрос: «Как получить наполненный эластомер с требуемыми механическими характеристиками?».

Разработанное ранее физико-математическое описание механического поведения наполненных эластомеров в зависимости от их основных физико-химических параметров выгодно отличается от известной модели Сато – Фуракавы и имеет вид

f ch 1r3 RT

зей в полимерной основе связующего ( – плотность полимера, Мс – среднестатистическая межузловая молекулярная масса); r – объемная доля полимера в связующем, содержащем пластификатор; R – универсальная газовая постоянная; T – равновесная температура (концентрация поперечных «физических» связей пренебрежимо мала); Texp – температура испытания материала; Tg – тем-

пература структурного стеклования полимерного связующего; a – коэффициент скоростного смещения; – объемная доля

твердых частиц зернистого наполнителя; m – предельная объемная доля наполнителя в эластомере; m – эффективная степень объемного наполнения; ti – параметр функции нормального рас-

72

elib.pstu.ru

вующее 50%-му объемному количеству отслоившихся частиц i-й фракции или сорта наполнителя, i – среднеквадратичное рассеи-

вание распределения для i-й фракции или сорта частиц); i – объ-

емная доля частиц i-й– фракции или сорта наполнителя.

Здесь параметр i характеризует начало отслоения частиц от связующего (нарушение сплошности материала), а i – ско-

рость этого процесса для i-й фракции или вида частиц твердых компонентов эластомера. Истинное напряжение выразится величиной при коэффициенте Пуассона, равном 0,5.

Начальный модуль вязкоупругости эластомера рассчитывается при 1:

Уравнения (3.16) и (3.17) являются физико-механическим описанием, составляющим основу компьютерной программы, которая приведена в подразд. 3.3.

3.3. Прямая задача

Разработанное физико-математическое описание зависимости механических характеристик наполненного эластомера от основных структурных параметров композиции позволяет решать две инженерные задачи.

Прямая задача: по заданным структурным параметрам ( ch , r , Tg , / m ) композиции, температуре опыта (Т) и ско-

рости деформирования (a 1) прогнозируется зависимостьf ( ) , включая начальный модуль вязкоупругости (Е).

73

elib.pstu.ru

Обратная задача: в соответствии с требуемыми механическими характеристиками ( ( ), E) при интересующих температурах

опыта и скорости деформирования (T , 1) определяются основные структурные параметрыкомпозиции ( ch , r , Tg / m ) .

Ниже приведено, в качестве примера, инженерное решение прямой задачи, в которой применялись низкомолекулярные каучуки – полидиенэпоксидуретан марки ПДИ-3Б с концевыми эпоксидными группами и полибутадиен марки СКД-КТР с концевыми карбоксильными группами. Их трехмерное сшивание осуществлялось с помощью трехфункциональной эпоксидной смолы марки ЭЭТ-1. Полимерное связующее содержало в качестве пластификатора дибутилфталат [ sw (1 r ) 0,3]. Наполнитель: диоксид

кремния в виде смеси крупной (1200–1500 мкм), средней (150– 180 мкм) имелкой (0,5–1,5 мкм) фракций в соотношении 50:30:20 соответственно. Необходимые теплофизические показатели компонентов были взяты из справочника. «Свобода» отслоения была заложена только для крупной фракции наполнителя согласно данным рис. 3.2. Расчетные и экспериментальные диаграммы растяжения были получены при температуре 293 К и стандартной отно-

сительной скорости деформирования 1,2 10 3c 1. На рис. 3.3 по-

казано удовлетворительное соответствие прогнозных и опытных данных этой задачи.

Рис. 3.2. Кинетика процесса отслоения частиц диоксида кремния от эластомера на основе полибутилизоперена (А, В); полидиенэпоксидуретана

(С). Фракции наполнителя: , – 1400–1600 мкм; – 450–550 мкм

74

elib.pstu.ru