Механизм усиления каучуков наполнителями, как трибоупругий феномен

C.Е. Евлампиева, В.В. Мошев (Пермь)

Хотя эффект усиления каучука твердыми частицами известен уже около 100 лет и широко используется в промышленности, механизм этого процесса до сих пор остается неясным. Существующие гипотезы носят качественный характер и не защищены моделями, которые допускали хотя бы примерную количественную оценку этого эффекта. Одна из них рассматривает усиление как следствие особой связи каучука с поверхностью частиц, которая допускает возможность заторможенного скольжения макромолекул, адсорбированных на поверхности частиц, когда к образцу приложена внешняя сила [1].

Нами предпринята попытка математизировать эту гипотезу. Предлагаемая модель структурной ячейки представляет пружину, воспроизводящую механическое поведение реальных эластомерных молекул, и две подложки, на которых она расположена, представляющие поверхность соседних частиц. Упругое сопротивление пружины специфично. Ее модуль зависит от начальной длины и растет нелинейно с увеличением деформации. Пружина удерживается на поверхности подложек адсорбционными силами. Приложение внешней силы приводит к соскальзыванию пружины в промежуток между подложками, сохраняя ее целостность. Сила адсорбции, тормозящая скольжение, представляется при этом некоторой эффективной силой трения.

Построенное на этой основе математическое описание воспроизводит эффект усиления, наблюдаемый в опытах – 10-20-кратное усиление модуля. Численное экспериментирование показывает, что модель объясняет и ряд других особенностей механического поведения резин, которые до настоящего времени также не находили ясного объяснения. Так, например, гистерезисные потери при циклических испытаниях резин нельзя понимать как накопление некоторой микроскопической поврежденности. В действительности поврежденность, как необратимое изменение свойств, в материале не накапливается. Происходит только перестройка внутренней структуры, которая после разгрузки удерживается в материале силами адсорбции. Первичная структура может быть восстановлена простым прогревом образцов, что подтверждается опытными данными.

Таким образом, трибоупругий феномен представляется важнейшим, если не основным, участником формирования эффекта усиления.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант РФФИ-Урал № 01-01-96492).

 

1. А.П. Александров, Ю.С. Лазуркин. Прочность аморфных и кристаллизующихся каучукоподобных полимеров // ДАН. — 1944. — Т. 45, № 7. — С. 308-311.