Вязкоупругие модули и внутреннее трение металлонаполненного поливинилхлорида

В мегагерцовом диапазоне частот проведены исследования вязкоупругих модулей Юнга, сдвига, объемной деформации и внутреннего трения ПВХ-систем в зависимости от амплитуды внешнего воздействия, типа и содержания нанодисперсных металлов, а также температуры. Установлена роль сдвиговой и объемной вязкост...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Акустичний вісник
Дата:	2013
Автори:	Колупаев, Б.Б., Левчук, В.В., Максимцев, Ю.Р., Колупаев, Б.С.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут гідромеханіки НАН України 2013
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/116193
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Вязкоупругие модули и внутреннее трение металлонаполненного поливинилхлорида / Б.Б. Колупаев, В.В. Левчук, Ю.Р. Максимцев, Б.С. Колупаев // Акустичний вісник — 2013-2014. —Т. 16, № 1. — С. 27-32. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-116193
record_format	dspace
spelling	Колупаев, Б.Б. Левчук, В.В. Максимцев, Ю.Р. Колупаев, Б.С. 2017-04-22T10:29:37Z 2017-04-22T10:29:37Z 2013 Вязкоупругие модули и внутреннее трение металлонаполненного поливинилхлорида / Б.Б. Колупаев, В.В. Левчук, Ю.Р. Максимцев, Б.С. Колупаев // Акустичний вісник — 2013-2014. —Т. 16, № 1. — С. 27-32. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1028-7507 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/116193 541.64 В мегагерцовом диапазоне частот проведены исследования вязкоупругих модулей Юнга, сдвига, объемной деформации и внутреннего трения ПВХ-систем в зависимости от амплитуды внешнего воздействия, типа и содержания нанодисперсных металлов, а также температуры. Установлена роль сдвиговой и объемной вязкости в диссипации энергии ультразвука, а также влияние гидродинамического эффекта и адгезии на границе раздела фаз ПВХ-наполнитель на формирование вязкоупругих свойств композита. The paper deals with studying of viscoelastic constants of PVC-systems, i.e., their Young's, shear and dilatation moduli as well, as internal friction with respect to the amplitude of external impact, type and fraction of nanodispersed metal and temperature. We have shown the role of shear and dilatation viscosity in dissipation of energy of ultrasound as well, as influence of hydrodynamic effect and adhesion at the PVC-bulking agent interface on formation of composite's viscoelastic properties. У мегагерцовому діапазоні частот проведені дослідження в'язкопружних модулів Юнга, зсуву, об'ємної деформації і внутрішнього тертя ПВХ-систем у залежності від амплітуди зовнішнього впливу, типу і вмісту нанодисперсних металів, а також температури. Встановлено роль зсувної та об'ємної в'язкості у дисипації енергії ультразвуку, а також вплив гідродинамічного ефекту й адгезії на межі розділу фаз ПВХ-наповнювач на формування в'язкопружних властивостей композиту. ru Інститут гідромеханіки НАН України Акустичний вісник Вязкоупругие модули и внутреннее трение металлонаполненного поливинилхлорида В'язкопружні модулі й внутрішнє тертя металонаповненого полівінілхлориду Viscoelastic moduli and internal friction in a metal-filled polyvinylchloride Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Вязкоупругие модули и внутреннее трение металлонаполненного поливинилхлорида
spellingShingle	Вязкоупругие модули и внутреннее трение металлонаполненного поливинилхлорида Колупаев, Б.Б. Левчук, В.В. Максимцев, Ю.Р. Колупаев, Б.С.
title_short	Вязкоупругие модули и внутреннее трение металлонаполненного поливинилхлорида
title_full	Вязкоупругие модули и внутреннее трение металлонаполненного поливинилхлорида
title_fullStr	Вязкоупругие модули и внутреннее трение металлонаполненного поливинилхлорида
title_full_unstemmed	Вязкоупругие модули и внутреннее трение металлонаполненного поливинилхлорида
title_sort	вязкоупругие модули и внутреннее трение металлонаполненного поливинилхлорида
author	Колупаев, Б.Б. Левчук, В.В. Максимцев, Ю.Р. Колупаев, Б.С.
author_facet	Колупаев, Б.Б. Левчук, В.В. Максимцев, Ю.Р. Колупаев, Б.С.
publishDate	2013
language	Russian
container_title	Акустичний вісник
publisher	Інститут гідромеханіки НАН України
format	Article
title_alt	В'язкопружні модулі й внутрішнє тертя металонаповненого полівінілхлориду Viscoelastic moduli and internal friction in a metal-filled polyvinylchloride
description	В мегагерцовом диапазоне частот проведены исследования вязкоупругих модулей Юнга, сдвига, объемной деформации и внутреннего трения ПВХ-систем в зависимости от амплитуды внешнего воздействия, типа и содержания нанодисперсных металлов, а также температуры. Установлена роль сдвиговой и объемной вязкости в диссипации энергии ультразвука, а также влияние гидродинамического эффекта и адгезии на границе раздела фаз ПВХ-наполнитель на формирование вязкоупругих свойств композита. The paper deals with studying of viscoelastic constants of PVC-systems, i.e., their Young's, shear and dilatation moduli as well, as internal friction with respect to the amplitude of external impact, type and fraction of nanodispersed metal and temperature. We have shown the role of shear and dilatation viscosity in dissipation of energy of ultrasound as well, as influence of hydrodynamic effect and adhesion at the PVC-bulking agent interface on formation of composite's viscoelastic properties. У мегагерцовому діапазоні частот проведені дослідження в'язкопружних модулів Юнга, зсуву, об'ємної деформації і внутрішнього тертя ПВХ-систем у залежності від амплітуди зовнішнього впливу, типу і вмісту нанодисперсних металів, а також температури. Встановлено роль зсувної та об'ємної в'язкості у дисипації енергії ультразвуку, а також вплив гідродинамічного ефекту й адгезії на межі розділу фаз ПВХ-наповнювач на формування в'язкопружних властивостей композиту.
issn	1028-7507
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/116193
citation_txt	Вязкоупругие модули и внутреннее трение металлонаполненного поливинилхлорида / Б.Б. Колупаев, В.В. Левчук, Ю.Р. Максимцев, Б.С. Колупаев // Акустичний вісник — 2013-2014. —Т. 16, № 1. — С. 27-32. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT kolupaevbb vâzkouprugiemoduliivnutrenneetreniemetallonapolnennogopolivinilhlorida AT levčukvv vâzkouprugiemoduliivnutrenneetreniemetallonapolnennogopolivinilhlorida AT maksimcevûr vâzkouprugiemoduliivnutrenneetreniemetallonapolnennogopolivinilhlorida AT kolupaevbs vâzkouprugiemoduliivnutrenneetreniemetallonapolnennogopolivinilhlorida AT kolupaevbb vâzkopružnímodulíivnutríšnêtertâmetalonapovnenogopolívínílhloridu AT levčukvv vâzkopružnímodulíivnutríšnêtertâmetalonapovnenogopolívínílhloridu AT maksimcevûr vâzkopružnímodulíivnutríšnêtertâmetalonapovnenogopolívínílhloridu AT kolupaevbs vâzkopružnímodulíivnutríšnêtertâmetalonapovnenogopolívínílhloridu AT kolupaevbb viscoelasticmoduliandinternalfrictioninametalfilledpolyvinylchloride AT levčukvv viscoelasticmoduliandinternalfrictioninametalfilledpolyvinylchloride AT maksimcevûr viscoelasticmoduliandinternalfrictioninametalfilledpolyvinylchloride AT kolupaevbs viscoelasticmoduliandinternalfrictioninametalfilledpolyvinylchloride
first_indexed	2025-11-24T02:22:04Z
last_indexed	2025-11-24T02:22:04Z
_version_	1850838038564831232
fulltext	ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2013 – 2014. Том 16, N 1. С. 27 – 32 541.64 ВЯЗКОУПРУГИЕ МОДУЛИ И ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ МЕТАЛЛОНАПОЛНЕННОГО ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА Б. Б. К О Л УП А ЕВ1∗, В. В. Л ЕВ Ч У К2, Ю. Р. МА К СИ МЦ Е В2, Б. С. К ОЛ У П А ЕВ2 1Институт химии высокомолекулярных соединений НАН Украины Харьковское шоссе, 48, 02160, Киев, Украина ∗boris_kolupaev@gmail.com 2Ровенский государственный гуманитарный университет ул. Остафова, 31, 33000, Ровно, Украина Получено 25.12.2013 В мегагерцовом диапазоне частот проведены исследования вязкоупругих модулей Юнга, сдвига, объемной дефор- мации и внутреннего трения ПВХ-систем в зависимости от амплитуды внешнего воздействия, типа и содержания нанодисперсных металлов, а также температуры. Установлена роль сдвиговой и объемной вязкости в диссипации энергии ультразвука, а также влияние гидродинамического эффекта и адгезии на границе раздела фаз ПВХ – наполнитель на формирование вязкоупругих свойств композита. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: металлонаполненный поливинилхлорид, наночастицы, вязкоупругие модули, внутреннее трение, ультразвук У мегагерцовому дiапазонi частот проведенi дослiдження в’язкопружних модулiв Юнга, зсуву, об’ємної деформацiї i внутрiшнього тертя ПВХ-систем в залежностi вiд амплiтуди зовнiшнього впливу, типу i вмiсту нанодисперсних металiв, а також температури. Встановлено роль зсувної та об’ємної в’язкостi у дисипацiї енергiї ультразвуку, а також вплив гiдродинамiчного ефекту й адгезiї на межi роздiлу фаз ПВХ –наповнювач на формування в’язкопру- жних властивостей композиту. КЛЮЧОВI СЛОВА: металонаповнений полiвiнiлхлорид, наночастинки, в’язкопружнi модулi, внутрiшнє тертя, уль- тразвук The paper deals with studying of viscoelastic constants of PVC-systems, i. e., their Young’s, shear and dilatation moduli as well, as internal friction with respect to the amplitude of external impact, type and fraction of nanodispersed metal and temperature. We have shown the role of shear and dilatation viscosity in dissipation of energy of ultrasound as well, as influence of hydrodynamic effect and adhesion at the PVC –bulking agent interface on formation of composite’s viscoelastic properties. KEY WORDS: a metal-filled polyvinylchloride, nanoparticles, viscoelastic moduli, internal friction, ultrasound ВВЕДЕНИЕ В последние годы большое внимание уделяется изучению структурообразований в аморфных по- лимерных системах путем исследования их вли- яния на вязкоупругие модули и внутреннее тре- ние (∆). Установлено несколько типов источни- ков трения для различных частот ω механических колебаний [1]. Так, в звуковом диапазоне обнару- жены максимумы величины ∆, имеющие резонан- сный тип [2]. В килогерцовом диапазоне наблюда- лась явно выраженная зависимость ∆ от ампли- туды деформации [3]. Однако в мегагерцовом ди- апазоне зависимость поглощения ультразвука от величины сдвиговой (ηs) и объемной (ηl) вязко- стей тела для поперечных и продольных волн, рас- пространяющихся в гетерогенных полимерных си- стемах, не установлена. Неизвестна также степень влияния внешних силовых, энергетических полей и ингредиентов в виде металлонаполнителей на вязкоупругие модули композита при продольной и объемной деформациях, а также сдвиге. В этой статье приведены результаты исследова- ния внутреннего трения и вязкоупругих модулей в мегагерцовом диапазоне частот в зависимости от амплитуды деформации, температуры, а также со- держания и типа нанодисперсного металла (Cu) в поливинилхлориде (ПВХ). 1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА В качестве полимерной матрицы использован суспензионный поливинилхлорид (ПВХ) марки ТУ У 21.1-33129683-006:2011, тип АО KSR-67, очищенный переосаждением из раствора, имею- щий молекулярную массу ММ=1.4 · 105. Образ- цы ПВХ-металлокомпозитов с различным содер- жанием наночастиц Cu готовились методом горя- чего прессования в T -p режиме при температуре T =393 К и давлении p=8 МПа с последующим охлаждением со скоростью 3 град/мин. Нанодис- персные порошки Cu получали различными мето- c© Б. Б. Колупаев, В. В. Левчук, Ю. Р. Максимцев, Б. С. Колупаев, 2013 – 2014 27 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2013 – 2014. Том 16, N 1. С. 27 – 32 дами. В частности, использовался метод электри- ческого взрыва проводника (ЭВП) при пропуска- нии через него тока значительной плотности [4], осуществляемого в реакторе, где находился пере- осажденный ПВХ при давлении 105 Па. Для определения среднего размера d частиц на- нодисперсной меди использовался метод рентге- нофазного анализа [5]. Рентгеновские дифракто- граммы образцов толщиной 7.0 · 10−4 м и эталона α=Al2O3 с размером частиц (10 . . .40) мкм полу- чали на дифрактометре ДРОН-3 в режиме шаго- вого сканирования счетчика квантов с использо- ванием никелевого β-фильтра CuKα-излучения с длиной волны λ=(1.542±0.002) · 10−10 м при ра- бочем напряжении 24кВ и силе анодного тока 20 А в интервале углов 34◦≤2θ≤78◦. Для всех компо- зитов на рентгеновских дифрактограммах наблю- дались дифракционные максимумы, которые, со- гласно стандартам JCPDS PDF2, отвечают кри- сталлитам Cu и указывают на отсутствие CuO или Cu2O. Величину d определяли согласно соотноше- нию [5]: d = 1.33λ βd cos θ , (1) где λ – длина волны; βd – расширение дифракци- онного максимума; θ – брэгговский угол. Обработ- ка результатов эксперимента проводилась с помо- щью программ X-Ray Scanner, X-Ray Graphic 1.28 и Origin 6.0. Расчеты показали, что величина d не зависит от объемного содержания ингредиента и составляет 45±2 нм. Второй способ получения металлонаполненного ПВХ заключался в синтезе нанодисперсного Cu и реализовывался в два этапа [6]. Первоначаль- но в ультразвуковом поле осуществлялось вос- становление меди из соли с последующим про- мыванием коллоидной системы. Этот метод по- зволяет получить металлический осадок с ра- змерами частиц порядка 100 нм. После перви- чной очистки данную суспензию помещали в ре- актор, где нанодисперсные металлы получались в жидкой фазе путем пропускания переменного электрического тока. Выбранное напряжение обе- спечивало возникновение между электродами пе- риодических электрических разрядов, вызываю- щих электроэрозионное измельчение и электро- гидравлическое разрушение агломератов диспер- сного металла. Последующее перемешивание су- спензии проводилось ультразвуковым полем, что обеспечивало однородность системы и дальнейшее измельчение частиц меди до 35±1 нм. Объемное содержание наполнителя в ПВХ варьировали в ди- апазоне 0<ϕ≤1 об.%. Для определения величин действительных (E′; µ′;K′) и мнимых (E′′; µ′′;K′′) частей модулей Юн- га, сдвига, объемной деформации соответственно, а также внутреннего трения использовался им- пульсный ультразвуковой метод [2] с проходящим сигналом, который сочетался с методом враща- ющейся пластины для измерения скоростей рас- пространения vi упругих волн и поглощения энер- гии αi (i= l, t) в гетерогенной полимерной систе- ме. По известным значениям скоростей и соответ- ствующих им коэффициентов поглощения рассчи- тывались действительные и мнимые части моду- лей упругости [7]: E′ = K′ + 4 3 µ′ = ρv2 l 1 − α2 l v 2 l ω2 ( 1 + α2 l v 2 l ω2 )2 , (2) E′′ = K′′ + 4 3 µ′′ = ρv2 l 2αlvl ω ( 1 + α2 l v 2 l ω2 )2 , (3) µ′ = ρv2 t 1 − α2 tv 2 t ω2 ( 1 + α2 tv 2 t ω2 )2 , (4) µ′′ = ρv2 t 2αtvt ω ( 1 + α2 tv 2 t ω2 )2 , (5) αi = 1 a ln A0 Ai . (6) Здесь ρ – плотность системы. При измерении вязкоупругих свойств погре- шность составляла ∆vl/vl =0.5 %, ∆vt/vt = 1.0 %, ∆αi/αi=8 %, а при измерении плотности – 0.2 %. Максимальная амплитуда деформации образ- ца была пропорциональна выходному напряже- нию на излучателе. Константы пропорционально- сти определялись по известным упругим постоян- ным пьезоэлектрического излучателя [2] в диапа- зоне 293 К≤T ≤Tg+10 К. 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ На рис. 1 приведены зависимости E′ (µ′) от ам- плитуды деформации ε образца, содержащего на- нодисперсную медь в различных дозировках. При ε→0 упругие модули достигают максимальных 28 Б. Б. Колупаев, В. В. Левчук, Ю. Р. Максимцев, Б. С. Колупаев ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2013 – 2014. Том 16, N 1. С. 27 – 32 значений и асимптотически уменьшаются при бо- лее высоких амплитудах деформации. Зависимости tg δi =E ′′/E′ (µ′′/µ′) (i= l, t) от ε для ПВХ-систем показаны на рис. 2. Общая осо- бенность этих кривых – монотонное увеличение tg δi с возрастанием величины ε. Характерно, что по мере увеличения температуры и/или содер- жания наполнителя более 0.06 об.% нелинейная область возрастания tg δi расширяется. Чтобы проанализировать эти данные, были рас- смотрены два предельных значения зависящей от амплитуды смещений действительной части моду- ля упругости: E′ 0 (µ′ 0) при ε→0 и E′ ∞ (µ′ ∞ ) при ε→∞. По аналогии определим tg δk =tg δ−tg δi, где tg δi рассчитано экстраполяцией tg δ к ε=0 без учета значений при малых деформациях. Ока- залось, что величины E′ 0 и µ′ 0 зависят не толь- ко от содержания, но и типа нанодисперсной ме- ди в ПВХ. Наибольшие их значения наблюдаю- тся для композитов, содержащих нанодисперсную медь, полученную физико-химическим методом. Так, при T =353 К для системы ПВХ+0.5 об. % Cu E′ 0 =7.70 · 109 Н/м2, а µ′ 0 =1.40 · 109 Н/м2. Для композита, содержащего такое же ко- личество наполнителя, полученного в резуль- тате электрического взрыва проводника, име- ем E′ 0 =6.46 · 109 Н/м2 и µ′ 0 =1.17·109 Н/м2. При этом на концентрационных зависимостях от объемного содержания наполнителя ϕ мини- мальные значения модулей наблюдаются при ϕ=0.2 об.% и 0.3 об.% Cu, полученного первым и вторым способами. Соотношения между макси- мальным значением модулей упругости системы ПВХ + 0.5 об.% Cu и исходного ПВХ составляют 1.4 и 1.1 соответственно (при T =353 К). В то же время, величины E′ ∞ (µ′ ∞ ) для тех же компози- тов превышают соответствующие характеристики для ненаполненного ПВХ не более чем в 1.1 ра- за. Поскольку формирование E′ ∞ (µ′ ∞ ) определяе- тся гидродинамическим эффектом частиц напол- нителя, распределенных в вязкоупругой среде, а также адгезией между нанодисперсным металлом и ПВХ, то можно предположить, что структуро- образования частиц наполнителя при малых де- формациях системы не должны оказывать влия- ния на этот показатель. Таким образом, в обла- сти T ≥348 К при определении E′ ∞ (µ′ ∞ ) все то- пологические структуры разрушаются. Следова- тельно, величины E′ 0−E ′ ∞ и µ′ 0−µ ′ ∞ характеризу- ют вклад структурного фактора в действительные части модулей, а E′−E′ ∞ и µ′−E′ ∞ являются мера- ми структурообразований частиц наполнителя, не разрушенных при заданной амплитуде деформа- ции. Как следует из рис. 1, 2, мнимые части вяз- Рис. 1. Зависимость динамического модуля E′(µ′) от амплитуды деформации ПВХ+Cu при T =348 К, содержащих нанодисперсную медь в различных дозировках: 1 – 0.5 об.% ; 2 – 0.5 об.% ; 3 – 0.1 об.% ; 4 – 0.3 об.% ; 5 – 0.05 об.% ; 6 – ПВХ Рис. 2. Зависимость tg δl от амплитуды деформации для образца ПВХ+Cu (ЭВП) при T =348 К, содержащего наполнитель в дозировках: 1 – ПВХ; 2 – ПВХ+0.02 об.%; 3 – ПВХ+0.06 об.%; 4 – ПВХ+0.5 об.% коупругих модулей E′′ и µ′′ также изменяются с амплитудой деформации и нелинейно уменьшаю- тся по величине по мере возрастания температуры системы. Исходя из условия ∆i =πtg δi/2 [2], на рис. 3 представлена зависимость внутреннего трения и относительного изменения величины модуля Юн- га ∆E/E ПВХ-систем. Оказалось, что, за исклю- чением области малых амплитуд деформации ком- позита, между величинами ∆E/E и ∆ существует Б. Б. Колупаев, В. В. Левчук, Ю. Р. Максимцев, Б. С. Колупаев 29 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2013 – 2014. Том 16, N 1. С. 27 – 32 Рис. 3. Соотношение между внутренним трением и относительным изменением модуля Юнга: 1 – ПВХ+0.4 об.% Cu при ε=(4 . . . 16) · 10−3 и температурах (2, 3); 2 – ∆-T ; 3 – ∆E/E-T Рис. 4. Температурная зависимость величины коэффициента объемного расширения систем ПВХ+Cu (ЭВП): 1 – 0.15 об.%; 2 – 0.20 об.%; 3 – ПВХ; 4 – ПВХ+0.3 об.% прямо пропорциональная зависимость. Изменения ∆ и ∆E/E с температурой T измерялись в диапа- зоне (298 . . .353) К при постоянной амплитуде де- формации ε=3.6 · 10−3. Характерно, что если ве- личина ε увеличивается, а затем уменьшается, то ∆ не возвращается сразу к своему первоначально- му значению, а образует петлю гистерезиса. По- этому, чтобы избежать наличия ложных пиков на зависимости ∆i =f(ε)\|T , измерения vi (αi) прово- дились при малой амплитуде деформации после того, как образец оставался в покое в течение 10 минут. При этом температурные зависимости ∆i при ϕ=const можно разделить на три участка. 1. В области 298 К≥T ≥318 К величина ∆ не- значительно возрастает с повышением темпе- ратуры. 2. В промежуточной области 318 К≥T ≥333 К, соответствующей релаксационному β- переходу, для ПВХ-систем наблюдается возрастание величины ∆ до максимального значения. В случае исходного ПВХ наличие β-перехода не наблюдается. Он наиболее ярко выражен при содержании нанодисперсной меди в количестве (0.3 . . .0.5) об.%. 3. В высокотемпературной области (T ≥343 К) параметр ∆ ПВХ-систем увеличивается с во- зрастанием T и скорость его изменения зави- сит от содержания наполнителя в полимере. 3. ОБСУЖДЕНИЕ Наиболее существенные изменения вязкоупру- гих свойств ПВХ-систем наблюдаются при введе- нии в полимерную матрицу более 0.5 об.% напол- нителя различной физико-химической природы. Характерно, что при 0≥ϕ≥0.1 об.% Cu происхо- дит разрыхление структуры граничного слоя [8]. При дальнейшем изменении содержания наполни- теля в диапазоне 0.15≥ϕ≥1.0 об.% Cu доминиру- ет уменьшение величины температурного коэффи- циента объемного расширения системы (рис. 4). Различие в величинах вязкоупругих модулей ука- зывает на неодинаковую степень изменения гибко- сти и подвижности звеньев, макромолекул, а так- же надмолекулярных образований под действи- ем высокодисперсной меди [9]. При этом порошки нанодисперсной меди, полученной электрохими- ческим способом, вызывают более существенное изменение вязкоупругих свойств ПВХ-систем, по сравнению с продуктом ЭВП. Поскольку действительная компонента вязкоу- пругого модуля характеризует запас энергии, а мнимая – способность системы к ее рассеянию, то E′ 0−E ′ ∞ и µ′ 0−µ ′ ∞ можно рассматривать как меру потенциала той части запасенной энергии, которая связана с наличием структурообразова- ний в наполненном ПВХ и их сохранением по- сле приложенной динамической деформации. Ана- лиз результатов, представленных на рис. 1-4, по- казывает, что по мере увеличения содержания на- нодисперсной меди в композите, находящемся при 298 К≤T ≤318 К, возрастает общая энергия стру- ктурообразований без их разрушения. Функцио- нальную взаимосвязь между модулямиE (µ) нена- полненного и наполненного E∞ (µ∞) ПВХ можно представить как E′ ∞ (µ′ ∞ ) = E(µ)f(ϕ)ψ(k), (7) где f(ϕ) характеризует гидродинамический эф- 30 Б. Б. Колупаев, В. В. Левчук, Ю. Р. Максимцев, Б. С. Колупаев ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2013 – 2014. Том 16, N 1. С. 27 – 32 фект усиления системы за счет частиц наполни- теля; ψ(k) описывает наличие связей (энергетиче- ских и энтропийных) на границе раздела фаз по- лимер – наполнитель. Оказалось, что в области 0≥ϕ≥1.0 об.% Cu удовлетворительное согласование с результатами эксперимента для случая систем, содержащих на- нодисперсную медь, полученную электрохимиче- ским способом, дает функция [10] f(ϕ) = 1 + 2.5ϕ+ 7.17ϕ2 + 16.2ϕ3, (8) а при электрическом взрыве проводника – f(ϕ) = 1 + 1.25ϕ 1 − 1.28ϕ . (9) Функцию ψ(k) из соотношения (7), как пра- вило, представляют в виде наличия донорно- акцепторного взаимодействия [11], возникающего между атомами Cl в ПВХ и активными центра- ми поверхности нанодисперсной меди. Однако сло- жность этой проблемы и отсутствие данных по адгезии полимеров [8] не позволяют указать об- щий вид искомой зависимости. Внутреннее трение, представляющее собой отно- шение механической энергии, рассеянной за пери- од колебаний, к удвоенной полной колебательной энергии, – одна из наиболее важных структурно- чувствительных характеристик аморфных поли- мерных систем [2]. Было показано, что оно зависит от таких параметров как амплитуда деформации, температура, тип и содержание наполнителя. По- скольку между ∆i и коэффициентом поглощения (αi) ультразвука существует взаимосвязь [3]: ∆i = αi 2πvi ω , (10) то возможно получить результаты изменения αi для комплексного исследования ПВХ-систем, ко- торые вычисляются из расчета потерь энергии за период. При этом феноменологически коэффици- ент поглощения связан со сдвиговой (ηs) и объем- ной (ηv) вязкостью соотношением вида [2]: αt = ω2 2ρv3 t ηs (11) для поперечных волн и αl = ω2 2ρv3 l ( 4 3 ηs + ηv ) (12) для продольных. Как следует из проведенных расчетов, величи- ны ηv и ηs близки между собой, а их отношение ηv ηs = αlv 3 l αtv3 t − 4 3 ≈ 1.6. Это означает, что для ПВХ-систем полушири- ной компонент Мандельштама – Бриллюэна [12], ответственных за поглощение энергии ультразву- кового поля частотой 0.4 МГц, обусловленное те- плопроводностью, можно пренебречь. С учетом того, что в рассмотренных систе- мах критическое содержание нанодисперсной ме- ди лежит в диапазоне более 0.06 об.%, для слу- чая ПВХ+≥ 0.06 об.% Cu представлялось инте- ресным определить характер броуновского движе- ния наночастиц наполнителя в полимерной матри- це как составляющей коллоидной системы высо- кой плотности. Согласно [10], для коэффициента поступательной (Dl) и поворотной (Dr) диффу- зии наноингредиентов в такой коллоидной системе Dl/Dr =4/3, т. е. в кинетике процесса принимают участие вращательная и поступательная диффу- зия ингредиентов за счет разрыхления полимера, находящегося в состоянии межфазного слоя [8]. Это приводит к дополнительной диссипации энер- гии ультразвуковых колебаний в системе. Кроме того, амплитудное поглощение αi на длину волны λi для таких систем в первом приближении состав- ляет для продольной волны αlλl = πω ρv2 l ( 4 3 ηs + ηv ) ∼ π. (13) Следовательно, ультразвуковая волна существен- но затухает уже на расстояниях, сравнимых с длиной волны. В этом случае при ϕ≥0.06 об.% Cu нельзя говорить о распространении в ПВХ- композите волн частотой 0.4 МГц в обычном смысле, поскольку энергия ультразвукового поля в значительной мере будет преобразована во вра- щательное и колебательное движение частиц на- нодисперсного наполнителя, а в конечном итоге – в теплоту. Это позволяет использовать композит ПВХ+≥ 0.06 об.% Cu при создании демпферов и согласующих слоев в элементах ультразвуковой техники. ВЫВОДЫ Таким образом, введение нанодисперсной меди в ПВХ с диапазоном объемных концентраций 0≤ϕ≤1 об.% позволяет в широких пределах ва- рьировать комплекс акустических свойств систе- мы за счет гидродинамического эффекта наполне- ния и адгезионного взаимодействия на границе ра- здела фаз полимер – нанодисперсный металл. Это открывает определенные перспективы для исполь- зования ПВХ-композита в качестве звукоизолято- ров и/или элементов акустической техники. Б. Б. Колупаев, В. В. Левчук, Ю. Р. Максимцев, Б. С. Колупаев 31 ISSN 1028 -7507 Акустичний вiсник. 2013 – 2014. Том 16, N 1. С. 27 – 32 1. Волынский А. Л., Бакеев Н. Ф. Структурные аспе- кты неупругой деформации стеклообразных по- лимеров // Высокомолек. соед.– 2005.– 47, № 7.– С. 1332–1367. 2. Мэзон У. Физическая акустика. Том 2, часть Б.– М.: Мир, 1969.– 420 с. 3. Ферр Дж. Вязкоупругие свойства полимеров.– М.: ИЛ, 1963.– 536 с. 4. Колупаєв Б. С., Колупаєв Б. Б., Волошин О. М., Левчук В. В. Спосiб одержання гетерогенних по- лiмерних систем на основi нанодисперсних метале- вих наповнювачiв.– Пат. № 80988 UA, C08K 3/22.– Опубл. 10.06.2013, Бюл. № 11. 5. Уманский Я. С. Рентгенография металлов и полупроводников.– М.: Металлургия, 1969.– 496 с. 6. Максимцев Ю. Р., Левчук В. В., Колупаєв Б. Б., Сiдлецький В. О. Спосiб отримання нанодис- персних металiв як наповнювачiв полiмерних систем.– Пат. № 80987 UA, B22F 9/16.– Опубл. 10.06.2013, Бюл. № 11. 7. Колупаев Б. С. Релаксационные и термические свойства наполненных полимеров / Под ред. С. Я. Френкеля.– Львов: Вища школа, 1980.– 204 с. 8. Липатов Ю. С. Коллоидная химия полимеров.– К.: Наук. думка, 1984.– 344 с. 9. Nakada O. Theory of viscoelasticity of amorphous polymers // J. Phys. Soc. Japan.– 1985.– 23.– P. 1804–1821. 10. Смирнов Б. М. Скейлинг в атомной и молекуляр- ной физике // УФЖ.– 2001.– 171, № 12.– С. 1292– 1315. 11. Потапов А. И., Родюшкин В. М. Эксперименталь- ное исследование волн деформации в материалах с микроструктурой // Акуст. ж.– 2001.– 47, № 3.– С. 407–412. 12. Гетце В. Фазовые переходы жидкость – стекло.– М.: Наука, 1992.– 372 с. 32 Б. Б. Колупаев, В. В. Левчук, Ю. Р. Максимцев, Б. С. Колупаев

Вязкоупругие модули и внутреннее трение металлонаполненного поливинилхлорида

Репозитарії

Схожі ресурси