Полимерные смеси и композиты

Смешивание полимеров или их армирование волокнами и наполнителями объединяет сильные стороны различных материалов, создавая многофазные системы, чьи границы раздела и морфология определяют окончательный баланс жесткости, ударной вязкости и других свойств.

Definition

Полимерные смеси представляют собой физические смеси двух или более полимеров, а полимерные композиты — это материалы, в которых полимерная матрица армирована волокнами или частицами; и те, и другие являются многофазными системами, свойства которых зависят от состава, фазовой морфологии и адгезии на границе раздела.

Scope

Эта тема охватывает физические комбинации полимеров и армирующих элементов: смешиваемые и несмешиваемые смеси и редкость смешиваемости, фазовую морфологию и компатибилизацию, повышение ударной вязкости хрупких полимеров диспергированной резиной, а также волокнистые и наполненные частицами композиты, включая роль границы раздела и оценку жесткости по правилу смесей.

Core questions

• Почему большинство полимерных пар несмешиваемы, и какая морфология при этом образуется?
• Как компатибилизация улучшает свойства смесей?
• Как диспергированный каучук повышает ударную вязкость хрупкого пластика?
• Как геометрия армирования и граница раздела контролируют жесткость и прочность композита?

Key theories

Фазовое поведение и компатибилизация смесей

Поскольку смешивание длинных цепей дает небольшую энтропию, большинство смесей фазово разделяются; размер и адгезия дисперсной фазы контролируют свойства, а блок- или привитые компатибилизаторы снижают межфазное натяжение и стабилизируют тонкую, хорошо связанную морфологию.

Армирование и передача нагрузки в композитах

Жесткие волокна или частицы несут нагрузку, передаваемую через границу раздела матрица-армирующий элемент, поэтому жесткость композита возрастает с увеличением содержания и ориентации армирующего элемента, в то время как ударная вязкость и прочность критически зависят от межфазной адгезии и длины волокна.

Mechanisms

При смешивании двух полимеров в расплаве малая энтропия смешения обычно приводит к их несмешиваемости, поэтому один полимер диспергируется в другом в виде доменов; размер доменов и адгезия на границе раздела, регулируемые с помощью компатибилизаторов, определяют, будет ли смесь хрупкой или вязкой. Диспергированные частицы каучука повышают ударную вязкость стеклообразной матрицы, инициируя и контролируя множество мелких трещин или полос сдвига, которые поглощают энергию. В композитах приложенная нагрузка передается от податливой матрицы к жестким волокнам или частицам через их границу раздела, поэтому модуль упругости, объемная доля, соотношение сторон и ориентация армирующего элемента, а также межфазное сцепление определяют общую жесткость и прочность.

Clinical relevance

Смеси и композиты доминируют в инженерных приложениях, поскольку они позволяют достичь комбинаций свойств, которые не может предложить ни один отдельный полимер: ударопрочные пластмассы, такие как ударопрочный полистирол и АБС-пластик, обеспечивают ударопрочность, полимерные сплавы позволяют регулировать стоимость и производительность, а волокнистые композиты дают легкие, жесткие, прочные материалы для аэрокосмической, автомобильной промышленности, спортивных товаров и строительства.

History

Ударопрочные пластмассы появились в середине XX века с ударопрочным полистиролом и АБС-пластиком, полимерные смеси и взаимопроникающие сетки были систематизированы с 1970-х годов, а высокоэффективные волокнистые композиты на основе стеклянных, углеродных и арамидных волокон быстро развивались в тот же период для удовлетворения потребностей в легких конструкционных материалах.

Key figures

• Leslie Sperling
• Souheng Wu

Seminal works

• sperling2006
• young2011

Frequently asked questions

Почему большинство полимерных смесей несмешиваемы?

Смешивание длинных цепей дает очень небольшую энтропию, поэтому даже небольшие неблагоприятные взаимодействия вызывают фазовое разделение. Большинство смесей поэтому состоят из одного полимера, диспергированного в виде доменов внутри другого, а не образуют однородный раствор.

Как добавление каучука делает пластик более прочным?

Диспергированные частицы каучука действуют как концентраторы напряжений, которые вызывают множество мелких, поглощающих энергию трещин или полос сдвига вместо одной катастрофической трещины. Это распределяет деформацию и значительно повышает ударопрочность.