Полипропилен, его сополимеры и ПП композиты. Часть 34

Фактическая морфология трещин в полипропилене состоит из фибрилл, охватывающих поверхности трещин, и, в дополнение к ним, из соединяющихся друг с другом фибрилл, случайно ориентированных относительно основного направления напряжения. По-видимому, в этих трещинах существует большое количество пустот, что отличает их от трещин, наблюдаемых в стеклообразных полимерах. Можно предположить причины наблюдаемых различий. Например, исходя из представлений о предполагаемой роли слабо связанных резиновых частиц как единственных концентраторов напряжения, экспериментальные наблюдения показывают, что эти частицы ни в коем случае не действуют как ограничители растрескивания. Но в настоящее время нет убедительного объяснения этого наблюдения. Замыкание трещин за счет удлиненных включений эластомера было первой моделью, пытающейся объяснить упрочнение резины в HIPS. Это также было предложено в качестве возможного механизма упрочнения термопластичных эпоксидных смол. Было показано, что вклад перекрытия трещин и разрыва частиц в общую энергию, рассеиваемую при разрушении полимеров, модифицированных каучуком, является незначительным из-за очень низкого модуля сдвига эластомера. Несколько авторов представили экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что в термопластичных эпоксидных смолах функционирует перекрытие трещин и разрыв частиц, однако понимание этого явления до сих пор далеко не полное.

В случае эпоксидных смол, модифицированных термопластом, предполагаемая роль удлиненных твердых пластиковых частиц состоит в том, чтобы охватить две поверхности излома и применить усилия, которые эффективно снижают коэффициент интенсивности напряжений, приложенный к вершине трещины. Дополнительный вклад в диссипацию энергии предполагает пластическая деформация включений. Ученые предположили, что вклад в общую ударную вязкость от этого механизма в термопластичных эпоксидных смолах находится в пределах, заданных случаем модифицированной каучуком и стеклонаполненной эпоксидной смолы. Одна из моделей предсказывает, что размер частицы влияет на общую энергию разрыва. В частности, улучшение ударной вязкости должно быть больше для более крупных частиц, что противоречит концепции повышения ударной прочности резины в полипропилене. Кроме того, увеличение жесткости частиц и энергии разрыва должно привести к повышению сопротивляемости растрескиванию. Увеличение модуля упругости термопластов на два-три порядка по сравнению с обычными эластомерами, вероятно, может повысить важность этого механизма упрочнения. Более того, когда вторичный полимер обладает большой деформируемостью, увеличение энергии разрыва также увеличивает вклад этого механизма.

Возникновение изотермического перехода в адиабатических условиях в этих материалах также играет роль в определении величины вязкости разрушения материала. Кроме того, во всех стандартных испытаниях на удар образец и ведущая геометрия используются в качестве переменных, воплощенных в измеренных значениях посредством контроля состояния напряжения. Для характеристики вязкости разрушения используется подробный анализ наиболее часто используемых испытаний на ударопрочность (например, испытания на удар по Шарпи и Изоду). Температура, скорость деформации, кривизна вершины трещины, толщина образца, старение, облучение и влияние окружающей среды обсуждаются в качестве переменных испытаний с использованием структуры механики разрушения. Представлено подробное обсуждение динамических эффектов во время испытания на одноосный удар и простой способ их учета с использованием модели сосредоточенного веса, предложенной Уильямсом (то есть в рамках линейной механики упругого разрушения, LEFM). Эта модель обеспечивает прочную основу для понимания значимости экспериментальных данных, полученных с помощью стандартных испытаний на удар. Используя процедуры, основанные на LEFM, можно отделить эффекты геометрии испытания от свойств материала, не зависящих от геометрии. Однако это трудоемкая и утомительная процедура.

Чтобы расширить область применения этого метода от хрупких до квазихрупких материалов, применяется концепция мелкомасштабной текучести. Этот подход позволяет объединить общие взгляды как на структурные, так и на тестовые переменные, влияющие на результирующее поведение при ударе. Одним из главных импульсов к большим научным усилиям были, казалось бы, необъяснимые неудачи кораблей во время Второй мировой войны. Это привело к созданию новой научной дисциплины — механики разрушения. Военно-морской флот США был основным спонсором исследований в этой области в 1940-х и 1950-х годах. Эти усилия были основаны на предыдущем открытии Гриффитса, что прочность материалов — это стохастический параметр, зависящий от распределения дефектов, которые всегда присутствуют в любом материале. Собственная прочность материала определяется размером этих дефектов, режимом нагрузки и свойствами материала. Большая часть первоначальных усилий была посвящена исследованиям металлов с использованием представлений о линейном упругом поведении до хрупкого разрушения. В результате ученые-материаловеды в области полимеров используют термин линейная упругая механика разрушения. Использование LEFM для анализа разрушения полимеров началось в начале 1960-х годов. Развитие ранних концепций механики разрушения полимеров для этой молодой дисциплины описано в книге Уильямса, опубликованной в 1984 году. В следующей части поговорим об этом подробнее, так как эти исследования напрямую затрагивают производственные процессы по изготовлению пластиковых труб и трубопроводной арматуры из полипропилена.