Построение структур, обобщенные параметры, классификация и расчет составов ДНПКМ. Лекция 5

Бакалавриат (академический)
Направление подготовки:
18.03.01 «Химическая технология»
Профиль: «Технология и переработка полимеров»
Дисциплина:
Б1.В.ДВ.10.3 «Принципы создания полимерных композиционных материалов»
Лектор:
доктор технических наук, профессор
Симонов-Емельянов Игорь Дмитриевич

Лекция 5. Построение структур,
обобщенные параметры, классификация и расчет составов ДНПКМ
доктор технических наук,
профессор
И. Д. Симонов-Емельянов

ПКМ – гетерогенные, гетерофазные монолитные материалы, полученные из 2-х и более компонентов, имеющие границу раздела фаз и непрерывную в объеме фазу-матрицу, обладающие новой структурой и технологическими и эксплуатационными свойствами
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПКМ

Модель структуры ДНПКМ
Модель структуры ДНПКМ включает рассмотрение:
геометрических параметров, определяемых геометрией, размерами дисперсной фазы различных включений (наполнителей), их распределением и упаковкой в объеме полимерной матрицы;
физико-химических параметров, которые зависят от взаимодействия на границе раздела, приводимых в молекулярный контакт исходных фаз и образования граничных (межфазных) слоев;
обобщенных параметров, характеризующих структуру ДНПКМ и деление полимерного связующего (матрицы) на три функциональных элемента (φп = Θ + В + М) при условии сохранения сплошности (монолитности) дисперсно-наполненного материала:
φп + φн = 1 или Θ + В + М + φн = 1.

Θ — доля полимерной матрицы (связующего) для формирования прослоек между частицами;
В — доля полимерной матрицы (связующего) для заполнения объема между частицами с прослойками;
М — доля полимерной матрицы в граничном слое с толщиной δ;
аср — среднестатистическое расстояние между частицами или аср /d.
Обобщенные параметры структуры ДНПКМ - это параметры для расчета, которых используют несколько основных параметров
φн < φm
φн = φm
а1
δ
а1

Обобщенные параметры дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалов (ДНПКМ)

Расчетные формулы для определения обобщенных параметров дисперсной структуры ДНПКМ
Обобщенные параметры структуры ДНПКМ - это параметры для расчета, которых используют несколько основных параметров
Основное условие монолитности ДНПКМ:
и

Рис. Зависимость аср в КМ при φмакс= 0,64 об. д от содержания наполнителя и разном диаметре частиц:
а - 1 – 10 нм и 2 – 100нм ;
б) - 1 – 1мкм; 2 - 10 и 3 - 100мкм. от содержания частиц
Обобщенный параметр аср для ПКМ с разным размером частиц
Нанокомпозит
ПКМ фазовой структуры
а)
б)

Зависимость аср между микрочастицами при разном диаметре от содержания наполнителя в дисперсно-наполненных ПКМ (ДНПКМ)
Диаметр (d): 1 – 1 мкм; 2 - 10 и 3 - 100 мкм, при φm=0,64 об. д.
Зависимость отношения среднестатистического расстояния между частицами к диаметру частиц дисперсно-наполненных ПКМ от объемной доли наполнителя при φm 1 – 0,52 об. д., 2 – 0,64 об. д

Зависимость геометрического параметра аср/ d от обобщенного параметра Θ для ДНПКМ
Рисунок — Зависимость геометрического обобщенного параметра аср/d от параметра Θ

Классификация
по структурному принципу дисперсных систем
разбавленные системы (РС) - с 1,0 ≥ Θ ≥ 0,90об. д.
низко-наполненные (ННС) - с 0,90 ≥ Θ ≥ 0,75об. д.
- средне-наполненные (СНС) - с 0,75 >Θ ≥ 0,20об. д.
СНС-1 – 0,75 > Θ > 0,45об. д. (до предела текучести)
СНС-2 – 0,45 > Θ > 0,20об. д. (с пределом текучести)
высоконаполненные (ВНС) – с 0,20 ≥ Θ ≥ 0об. д.
- сверх высоконаполненные (СВНС) – с Θ < 0,0 об. д.

Построение структуры ДНПКМ
с разным параметром Θ
Структура разбавленных и низко наполненных дисперсных систем:
1,0 ≥ Θ ≥ 0,90об. д.
0,90 ≥ Θ ≥ 0,75об. д.
Структура
средне наполненных дисперсных систем:
0,75 >Θ ≥ 0,20об. д.
Структура
высоконаполненных дисперсных систем:
0,20 ≥ Θ ≥ 0,0об. д.

6. Проектирование состава ДНПКМ с заданным типом структуры и параметрами решетки – по рассчитанному значению содержания наполнителя (φн) определяют объемную долю полимерной матрицы (φп) как: φп = 1 – φн
Алгоритм прогнозирования различных типов структур и расчет составов ДНПКМ с заданными свойствами
Экспериментально по известным методикам для конкретного дисперсного наполнителя с диаметром d определяют максимальный параметр упаковки - φm об. д.
(по насыпной плотности, по кривой уплотнения, по трем концентрациям);
2. Рассчитывают значение обобщенного параметра Θ для наполнителя с известным параметром φm варьирую содержание наполнителя φн;
3. По значением обобщенного параметра Θ определяют тип структуры ДНПКМ с заданным содержанием наполнителя φн;
4. Строят зависимость Θ = f (φн) и указывают содержание наполнителя для разных типов структур ДНПКМ;
5. Выбирают тип дисперсной структуры ДНПКМ и определяют содержание наполнителя для конкретного полимерного композиционного материала

Усредненные значения параметра φm (об. д.) для твердых наполнителей с разными размерами частиц, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными, приведены ниже:
наночастицы (НЧ), размер 1-100нм - φm ≈ 0,05 - 0,255 об. д.
ультрадисперсные (УДЧ), размер 0,1 -1,0 мкм - φm ≈ 0,20 – 0,30 об. д.
микрочастицы (МикЧ) , размер 1,0 – 5 (10) мкм - φm≈ 0,255 – 0,40 об. д.
макрочастицы (МакЧ), размер 10-40мкм - φm ≈ 0,40 - 0,55 об. д.
- крупные частицы (КрЧ), размер более 50мкм - φm≈ 0,55 - 0,64 об. д.
Упаковка дисперсных частиц разного диаметра

Расчет обобщенного параметра Θ структуры ДНПКМ
Обобщенный параметр структуры ДНПКМ – Θ об. д.
Θ – доля полимерной матрицы для формирования прослойки между частицами в структуре ДНПКМ
1. Обобщенный параметр Θ структуры ДНПКМ рассчитывают по известному значению параметра φm по формуле:
Θ = (φm – f3φн)/φm ,
где: f3 = (1 + 2δ/d) и δ - толщина граничного слоя;
2. При размере частиц более10мкм и δ ≈ 10 – 500нм
доля М ≤ 5об. % и обобщенный параметр Θ структуры ДНПКМ рассчитывают по упрощенной формуле:
Θ = (φm – φн) / φm

Классификация ДНПКМ по параметрам решеток и структурному принципу
- РС – разбавленные системы – 1,0 ≥ Θ ≥ 0,90 об. д.
- ННС – низко-наполненные системы – 0,90 ≥ Θ ≥ 0,75об. д. ;
- СНС – средне-наполненные системы – 0,75 ≥ Θ≥ 0,20 об. д. ;
- СНС-1 (до предела текучести) – 0,75 > Θ > 0,45 об. д. ;
- СНС- 2 (с пределом текучести) – 0,45 ≥ Θ ≥ 0,20 об. д. ;
- ВНС – высоконаполненные системы –0,20 ≥ Θ ≥ 0,0 об д. ;
- СВНС – сверх высоконаполненные системы – Θ < 0,0 об. д.
Классификация ДНПКМ по структурному принципу:
РС →ННС →СНС-1 → СНС-2 →ВНС →СВНС

Таблица
Расчет составов ДНПКМ с разным типом структуры при φm = 0,35-0,80 об. д.
Расчет содержания наполнителя (φн) для разных групп ДНПКМ при φm = Const

Рисунок Зависимость φн от Θ при разных значения φm (об. д.):
1 - 0,35; 2- 0,4; 3-0,45; 4- 0,5; 5- 0,6; 6-0,64; 7- 0,70; 8- 0,75; 9- 0,80 об. д..
Расчет содержания наполнителя (φн) для разных типов структур ДНПКМ при φm = Const

Расчет содержания наполнителя (φн) для разных типов структур ДННК и ДНПКМ при φm = Const
Рисунок — Зависимость содержания наполнителя (ϕн) в ДНПКМ от обобщенного параметра Θ
при разных значениях ϕm (об. д.): 0,1 (1), 0,20 (2), 0,3 (3), 0.4 (4), 0,5 (5), 0,6 (6), 0,64 (7), 0,7 (8), 0,74 (9), 0,8 (10) и 0,85 об. д. (11)

Составы ДНПКМ с крупными дисперсными частицами при φm = 0,64 об. д.
Рисунок – Зависимость содержания наполнителя φн в ДНПКМ с разными типами структур от
обобщенного параметра Θ для крупных частиц с параметром φm = 0,64 об. д.

Составы ДНПКМ с наночастицами при φm = 0,255 об. д.
Рисунок – Зависимость содержания нанонаполнителя φн в ДНПКМ с разными типами структур от
обобщенного параметра Θ для наночастиц с параметром φm = 0,255 об. д.

Составы ДНПКМ с деформирующимися частицами
при φm = 0,90 об. д.
Рисунок – Зависимость содержания деформирующегося под давлением наполнителя φн в ДНПКМ
с разными типами структур от обобщенного параметра Θ; Параметр φm = 0,90 об. д.

Сводная таблица по составам и обобщенным параметрам структуры ДНПКМ
(d =50мкм, φm = 0,64 об. д.)
Примечание: * - для конкретного наполнителя, связующего (матрицы)и ПКМ с заданной плотностью можно рассчитать содержание наполнителя в масс. д., масс. % , масс. ч.;

Таблица по составам и обобщенным параметрам структуры ДННК
Примечание: * - для конкретного наполнителя, связующего (матрицы)и ДННК с заданной плотностью можно рассчитать содержание наполнителя в масс. д., масс. %, масс. ч.;