Виды наполнителей:

1. мелкодисперстные: симметричные и асимметричные;

2. волокна: короткие, длинные и непрерывные;

3. нити (получают из волокн);

4. жгуты (ровинги) получают из нитей;

5. ленты;

6. ткани;

7. техническая бумага;

8. шпон – листовой материал, состоящий из параллельно уложенных волокн, древесный.

В ортотропных материалах листы наполнителя (например ткань, шпон или бумага) пропитаны и склеены сплошной полимерной фазой (полимер + функциональные добавки). В плоскости листа такого материала (направление 1 и 2) прочность определяется прочностью наполнителя, в вертикальном положении – прочностью связующего.

Трансверсальноизотропные (перпендикулярноизотропные):

Рис. 5. Трансверсальноизотропные (перпендикулярноизотропные):

Такими материалами могут быть композиционные, у которых длинномерный наполнитель (волокна, нити, ленты, жгуты, проволока и д.р.) расположены параллельно. Такими изделиями являются лыжные палки, удилища.

Материалы с криволинейной анизотропией термоупругих свойств:

Примером может являться конструкция, полученная намоткой длинномерного наполнителя по определённой траектории и определённой программе. Соответственно этот наполнитель пропитан и склеен полимерным связующим. Таким способом изготавливают трубы, резервуары, детали летательных аппаратов, дюзы и корпуса ракет, лопасти вертолётов.

Рис. 6. Криволинейная анизотропия термоупругих свойств.

σ_р^окр –- прочность материала, измеренная в окружном направлении;

σ_р^рад – в радиальном направлении.

Учитывая, что σ_р^окр зависит в основном от прочности длинномерного наполнителя, σ_р^рад - от прочности связующего, в этом случае:

σ_р^окр > σ_р^рад , т.к. прочность ориентированного наполнителя всегда выше, чем прочность связующего.

Сущность повышения прочности полимерной системы при её ориентации.

Ориентация – это преобразование неупорядоченной структуры с хаотически расположенными макромолекулами в структуру, когда макромолекулы расположены параллельно подобно тому, как они расположены в ламели (пачке).

Аморфная неупорядоченная структура имеет свободный объём. Имеют место относительно редкие физические связи и соответственно большой свободный объём, не занятый макромолекулами. Прочность такой структуры является низкой и определяется прочностью физических связей. Например, при воздействии растягивающей нагрузки N_р легко ориентируются такие системы, состоящие из макромолекул линейного строения.

Рис. 7. Макромолекулярная структура

Ориентацию можно реализовать 2-мя способами:

1. нагреть материал (термопласт до состояния между эластическим и вязкотекучем) многократно растянуть, увеличивая длину образца в 10 и более раз и затем, не снимая растягивающей нагрузки (деформированного состояния в виде глубокой вытяжки), охладить, фиксируя тем самым новое ориентированное состояние материала, сохраняющиеся при комнатной температуре. Так делают волокна, рыболовную леску и ленты, которые впоследствии применяют, например для намотки в композитах или изготовлении высокопрочных нитей и тканей.

2. ориентированную систему получают из расплава полимерного материала (в вязкотекучем состоянии – ВТС). Для этого полимер в ВТС протекает внутри канала, например цилиндрического металлического капилляра и при выходе из него быстро охлаждается.

Рис. 8. Горизонтальный канал – фильера экструзионной головки.

V – линейная скорость движения элементарных объёмов расплава (м/с).

В связи с тем, что реализуется трение расплава по стенке канала движение в пристенных областях замедляется, а в центре потока развивает максимальные скорости.

Представим молекулу, расположенную в области V V₂. Поскольку линейная скорость точки А больше, чем скорость токи В, то точка А при движении будет обгонять точку В и ориентация молекулы в пространстве будет меняться. Таким образом ведут себя все молекулы, участвующие в течении. Движущей силой является градиент линейных скоростей.

- это расстояние между рядом расположенными векторами линейных скоростей 2-х микрообъёмов расплава.

Чем больше grad, тем выше ориентация.

В ориентированном состоянии количество физических связей между молекулами значительно увеличивается.

(1)

Рис. 9. Ориентированное состояние молекулы: химические связи; физические связи; Р – растягивающее усилие.

Рассмотрим две параллельно расположенные (ориентированные) макромолекулы.

В этом состоянии суммарная прочность физических связей становится больше прочности одной химической связи. Поэтому в данном случае разрыв системы будет реализован по химической связи, т.о. в ориентированной системе находит практическое применение прочность макромолекул и это обстоятельство открывает большие перспективы направленного химического синтеза по созданию структуры молекул высокой прочности. В неориентированной аморфной системе условие (1) не выполняется.

Изделие, проявляющее криволинейную анизотропию можно получить не только намоткой ориентированного наполнителя, но и в монолитной детали, изготовленной, например литьём под давлением, т.е. с помощью впрыска расплава через тонкое отверстие в замкнутую полость, имеет форму диска, а впрыск происходит в центре этого диска. Здесь реализуется плоское течение, в предыдущем случае было реализовано линейное течение.

При линейном течении все микрообъёмы движутся в одном направлении и отличаются только величиной линейных скоростей.

При плоском течении состояние микрообъёмов отличается не только величиной скоростей, но и их направлением.

Рис. 10. Распределение линейных скоростей микрообъемов Vа Vв в центральной части Vа = Vв на периферии. 1 – изделие 2 – центральный литник, через который реализуется впрыск.

Линейные скорости микрообъёмов распределены по плоскости диска таким образом, что в центре они максимальны, а на периферии – минимальны. Направление течения радиальное, от центра к периферии.

V_л – линейная скорость перемещения микрообъёмов.

Т.о. при плоском течении макромолекулы или другие асимметричные частицы, например в наполнителях, ориентируются в окружном направлении по периферии изделия, таким образом реализуется криволинейная анизотропия термоупругих свойств.