Наномеханика усиления: основные принципы

Ю.П. Басс, Ю.А. Гамлицкий (Москва)

Механические свойства резин, наполненных активными наночастицами, характеризуются двумя основными признаками: 1) прочностные характеристики наполненных резин (статическая и усталостная прочность, износостойкость, сопротивление раздиру и проч.) существенно выше аналогичных характеристик ненаполненных резин; 2) понятие равновесной упругости для наполненных резин практически не применимо, что проявляется в т.н. эффекте размягчения Маллинза.

Известно, что вблизи поверхности наночастицы наполнителя образуется слой каучуковой матрицы, находящейся в псевдостеклообразном состоянии. Наличие этого слоя является центральным местом для интерпретации свойств резины.

Мы исходим из того, что основной причиной повышения прочности является равномерное натяжение цепей каучуковой матрицы. В вулканизационной сетке каучука без наполнителя распределение цепей по натяжениям широкое. Вследствие этого вначале рвутся сильно натянутые цепи.

В композите при деформировании возникает явление “вытягивания” натянутых цепей из псевдостеклообразного пограничного слоя. Это явление аналогично явлению вынужденной эластичности, которое реализуется при температуре ниже температуры стеклования каучука и выше его температуры хрупкости. В результате натянутые цепи не рвутся, а держат нагрузку, вытягиваясь из псевдостеклообразного слоя по мере увеличения нагрузки. Обратное же возвращение в псевдостеклообразное состояние практически не реализуется по той же причине, по которой не сокращается резина, растянутая в состоянии вынужденной эластичности. Поэтому эффективная степень наполнения, включающая собственно частицы наполнителя и слой жесткого каучука, уменьшается за счет “вытягивания” сегментов макромолекул из псевдостеклообразного состояния в высокоэластическое, в котором находится каучуковая матрица вдали от поверхности активного наполнителя. Это и является причиной “размягчения” резины на втором и последующих циклах деформирования.

Указанные основные принципы можно описать математически и получить количественные механические характеристики наполненной резины.