Вязкоупругое поведение и релаксационные процессы в системе полимерный композит — вода

В последние годы широкое применение находят полимерные композиты, где в качестве армирующего наполнителя используется высокомодульное полимерное волокно, а в качестве связующего — эпоксидные смолы. Очень часто изделия из такого рода композитных материалов используются в условиях повышенной влажности или же в контакте с водной средой. Б связи с этим одной из важных практических задач является исследование влияния влаги на физические и в первую очередь механические свойства полимер-полимерных композитов — органоволокнитов.

Эта проблема носит и чрезвычайно интересный научный характер, так как совсем не очевидно, что воздействие влаги на композит можно учесть, предполагая аддитивность воздействия на отдельные компоненты.

Между тем почти нет работ по исследованию влияния влаги на вязкоупругие свойства органоволокнитов.

В связи с этим нами была предпринята попытка изучить влияние влаги на динамические вязкоупругие свойства, молекулярную подвижность и обусловленные ею релаксационные процессы в полимер-полимерных композициях, где армирующим наполнителем служило высокомодульное органоволокно [1], а функции связующего выполняла эпоксидиановая смола ЭДТ-10.

Образцы композита, высушенные в вакуумном шкафу при комнатной температуре до стабилизации массы, выдерживали в климатической камере «Фейтрон-3001» при 333±3 К в воздушной среде с относительной влажностью 80 и 100%, поддерживаемой с отклонениями до 3—5%, и в дистиллированной воде. Количество сорбированной влаги W—Am/m0, где т0 — масса высушенного образца, определяли с помощью аналитических весов АДВ-200М.

Параметры, характеризующие динамические вязкоупругие свойства (динамический модуль сдвига G', тангенс угла механических потерь tg6 и низкочастотную скорость сдвиговых волн ct), определяли, пользуясь методом свободных крутильных колебаний, в интервале температур 77— 470 К. Для измерения была использована разработанная нами конструкция обратного крутильного маятника, аналогичного описанному ранее [2]. Погрешность измерения величин G' и tg6 составляла в низкотемпературной области 1—2%, в области размягчения связующего 3—5%. Измерения проводили на частоте ~1 Гц. Точность регулирования и измерения температуры ±0,5 К.

Результаты измерений динамических свойств исходных образцов, поглотивших 8,0 и 20,6% влаги, представлены на рис. 1 и 2. Из рис. 1 видно, что можно выделить три области вязкоупругого поведения полимерного композита: высокотемпературное плато, переходную зону и область температур, расположенную от 233 до 77 К.

Рис. 1. Температурные зависимости G' (1-3) и tg6 G' (1-3) образцов органопластика, содержащих 0 (1, 1'), 8,0 (2, 2') и 20,6% влаги (3, 3')

Рис. 2. Температурные зависимости tg6" органопластика, содержащего 0 (1); 8,0 (2) и 20,6% влаги (3), в области а-релаксации

В интервале температур 373 — 470 К динамический модуль сдвига G' или не зависит от температуры, или слабо возрастает с ее увеличением. При этом влага слабо влияет на величину G'.

Интервал температур 233 — 363 К охватывает область перехода связующего из высокоэластического в стеклообразное состояние и включает в себя некоторую часть области стеклообразного состояния. Температура стеклования высушенного композита составляет 324 К, содержащего 8% влаги — 310 К, содержащего 20,6% влаги — 303 К. Таким образом, даже у образца с максимальным количеством влаги вторая область простирается в область стеклообразного состояния на 70 К.

Анализ зависимости G'=f(T) в этой области температур показывает, что вода является пластификатором исследуемого композита. В этой области величина G' убывает с ростом концентрации пластификатора.

По-иному зависит динамический модуль сдвига от концентрации влаги при температурах ниже 233 К. Здесь наблюдается «аномальная» зависимость G' от концентрации влаги — с ростом содержания воды в композите G' существенно возрастает. Если в высушенном органопластике величина G', измеренная при 77 К, равна 2,25 ГПа, то в образце, содержащем 20,6% воды, G'=2,93 ГПа. Таким образом, величина «аномального» возрастания G' с увеличением содержания воды составляет ~30%, что по крайней мере в 10 раз превышает возможную погрешность эксперимента.