Механическое поведение полиуретановых композитов с наноразмерными наполнителями
Автор: Мохирева К.А., Свистков А.Л., Шадрин В.В., Соколов А.К., Возняковский А.П., Неверовская А.Ю.
Статья в выпуске: 2, 2023 года.
Бесплатный доступ
Представлены результаты работ по исследованию структуры и свойств эластомерных нанокомпозитов на основе полиуретана. Данный материал интересен тем, что он сам имеет неоднородное строение. Поэтому ненаполненный материал можно рассматривать как нанокомпозит со сложным механическим поведением. Кроме того, были исследованы полиуретаны, наполненные углеродными частицами различной морфологии: 1) малослойный графен; 2) многослойные углеродные нанотрубки; 3) алмазная шихта (детонационные наноалмазы). Содержание наполнителя в композитах составляло 0,5 и 4 массовых частей (м. ч. на 100 массовых частей матрицы). Анализ механического поведения рассматриваемых материалов проводился по результатам классических одноосных испытаний до разрыва и циклических экспериментов с возрастающими амплитудами деформирования. Согласно полученным данным было установлено, что даже небольшое введение наполнителя в полиуретановую матрицу приводит к существенному изменению механических свойств. Во-первых, во всех случаях происходит уменьшение жесткости материала. Во-вторых, значительно возрастают разрывные деформации материалов с наполнителем (почти во всех случаях) по сравнению с полиуретаном без наполнителя. Для понимания особенностей механизма разрушения материалов проводился цикл испытаний на раздир. Установлено, что в материале без наполнителя макроразрыв незначительно увеличивает свой размер до момента разрушения. В материалах с нанонаполнителями значительно дольше шел рост макроразрывов и на значительно большую величину происходило их прорастание. Были проведены численные расчеты для объяснения эффекта уменьшения жесткости полиуретана и замедления роста макроразрыва при введении в него наполнителя. Выдвигалась гипотеза, что около поверхности частиц образуется мягкий межфазный слой. В рамках предложенной нами конечно-элементной модели удалось также объяснить рост разрывных деформаций для наполненных полиуретановых систем.
Сегментированный полиуретан, малослойный графен, алмазная шихта (детонационные алмазы), многослойный углеродные трубки, малая доля наполнения, одноосные механические испытания, эксперименты на раздир, численные расчеты
Короткий адрес: https://sciup.org/146282662
IDR: 146282662 | УДК: 539.3: | DOI: 10.15593/perm.mech/2023.2.13
Mechanical behavior of polyurethane composites with nanosized fillers
This paper reports the results of a study on the structure and properties of elastomeric nanocomposites based on polyurethane, which is of special interest due to its heterogeneous structure. So, the unfilled polyurethane also can be considered as a nanocomposite with complex mechanical behavior. Our study was performed on unfilled polyurethane and polyurethane filled with carbon particles of various morphologies: 1) few-layer graphene; 2) multi-walled carbon nanotubes; 3) diamond charge (detonation nanodiamonds). The content of filler in composites was 0.5 and 4 phr. Analysis of the mechanical behavior of the materials under consideration was carried out on the basis of the results of classical uniaxial tensile tests and cyclic experiments with increasing amplitude of deformation. The results obtained demonstrated that the incorporation of even a small filler amount in a polyurethane matrix leads to a significant change in the mechanical properties of the material. First of all, the stiffness of the material decreases in all cases. Secondly, the rupture (tensile failure) of the filled material significantly increases (almost in all cases) as compared to the unfilled polyurethane. The true stresses in some materials also increase at the time of sample’s rupture. A series of tearing tests were performed to gain a deep insight into the peculiarities of the failure mechanisms of materials. It was established that an increase in the macro-fracture of the unfilled material (until its rupture) is insignificant. In the materials reinforced with nanofillers, the growth of macrofractures takes a longer time, and they propagate to a much greater extent. Numerical calculations were carried out to give an explanation for the reduction in the polyurethane stiffness and the macrofracture growth retardation when the filler is added to polyurethane. It was hypothesized that a soft interfacial layer is formed near the particle surface. Furthermore, the finite element model proposed here can be used to explain the growth of deformations at the moment of rupture for filled polyurethane systems.
Список литературы Механическое поведение полиуретановых композитов с наноразмерными наполнителями
- Energy dissipation accompanying Mullins effect of nitrile butadiene rubber/carbon black nanocomposites / Z. Li, H. Xu, X. Xia, Y. Song, Q. Zheng // Polymer. - 2019. - Vol. 171. - Р. 106114. DOI: 10.1016/j.polymer.2019.03.043
- Control of Mullins stress softening in silicone elastomer composites by rational design of fumed silica fillers / V. Allen, L. Chen, M. Englert, A. Moussaoui, W. Pisula // Composites Science and Technology. - 2021. - Vol. 214. - Р. 108955. DOI: 10.1016/j.compscitech.2021.108955
- Mai T.-T., Morishita Y., Urayama K. Induced anisotropy by Mullins effect in filled elastomers subjected to stretching with various geometries // Polymer. - 2017. - Vol. 126. - Р. 29-39. DOI: 10.1016/j.polymer.2017.08.012
- Constitutive Models for Rubber XI: Proceedings of the 11th European Conference on Constitutive Models for Rubber (ECCMR 2019) / B. Huneau, J.-B. Le Cam, Y. Marco, E. Verron (eds.). - France, 2019. - 620 p. DOI: 10.1201/9780429324710
- Efficient modeling of filled rubber assuming stress-induced microscopic restructurization / J. Plagge, A. Ricker, N.H. Kröger, P. Wriggers, M. Klüppel // International Journal of Engineering Science. - 2020. - Vol. 151. - P. 103291. DOI: 10.1016/j.ijengsci.2020.103291
- An efficient mode-of-deformation dependent rate-type constitutive relation for multi-modal cyclic loading of elastomers / K. Srikanth, P. Sreejith, K. Arvind, K. Kannan, M. Pandey // International Journal of Plasticity. - 2023. - Vol. 163. - P. 103517. DOI: 10.1016/j.ijplas.2023.103517
- Fazekas B., Goda T.J. Constitutive modelling of rubbers: Mullins effect, residual strain, time-temperature dependence // International Journal of Mechanical Sciences. - 2021. - Vol. 210. - P. 106735. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2021.106735
- Ghoreishy M.H.R., Sourki F.A. Modeling the hyperviscoelastic and stress-softening behaviors of S-SBR/CB-filled rubber compound using a multicomponent model // Mechanics of Time-Dependent Materials. - 2022. - P. 1-24. DOI: 10.1007/s11043-022-09550-3
- A review of physically based and thermodynamically based constitutive models for soft materials / Y. Xiang, D. Zhong, S. Rudykh, H. Zhou, S. Qu, W. Yang // Journal of Applied. Mechanics. - 2020. - Vol. 87, no. 11. - P. 110801. DOI: 10.1115/1.4047776
- A hyperelastic-damage model based on the strain invariants / S. Shen, D. Zhong, S. Qu, R. Xiao // Extreme Mechanics Letters. - 2022. - Vol. 52. - P. 101641. DOI: 10.1016/j.eml.2022.101641
- Nunes R.C.R., Fonseca J.L.C., Pereira M.R. Polymer-filler interactions and mechanical properties of a polyurethane elastomer // Polymer Testing. - 2000. - Vol. 19, no. 1. - P. 93103. DOI: 10.1016/s0142-9418(98)00075-0
- Волкова Е.Р. Композиционные материалы на основе сегментированного полиуретана и микродисперсного минерального наполнителя // Перспективные материалы. - 2013. -№ 11. - С. 53-58.
- Oprea S. Effects of Fillers on Polyurethane Resin-based Polyurethane Elastomeric Bearing Materials for Passive Isolation // Journal of Composite Materials. - 2008. - Vol. 42, no. 25. -P. 2673-2685. DOI: 10.1177/0021998308096329
- Badamshina E., Estrin Y., Gafurova M. Nanocomposites based on polyurethanes and carbon nanoparticles: preparation, properties and application // Journal of Materials Chemistry A. -2013. - Vol. 1, no. 22. - P. 6509-6529. DOI: 10.1039/c3ta10204a
- Vaithylingam R., Ansari M.N.M., Shanks R.A. Recent Advances in Polyurethane-Based Nanocomposites: A Review // Polymer-Plastics Technology and Engineering. - 2017. - Vol. 56, no. 14. - P. 1528-1541. DOI: 10.1080/03602559.2017.1280683
- Somdee P., Ansari M.A., Marossy K. Thermo-mecha-nical properties of flexible and rigid polyurethane (PU)/Cu composites // Polymer Composites. - 2022. - P. 1-12. DOI: 10.1002/pc.27105
- Hybrid nanocomposites of elastomeric polyurethane containing halloysite nanotubes and POSS nanoparticles: tensile, hardness, damping and abrasion performance / S.T. Mohamed, S. Tirkes, A.O. Akar, U. Tayfun // Clay Minerals. - 2020. -Vol. 55. - P. 281-292. DOI: 10.1180/clm.2020.38
- Thermal, Mechanical, and Morphological Characterisations of Graphene Nanoplatelet/Graphene Oxide/High-Hard-Segment Polyurethane Nanocomposite: A Comparative Study / M. Albozahid, H.Z. Naji, Z.K. Alobad, J.K. Wychowaniec, A. Saiani // Polymers. -2022. - Vol. 14. - P. 4224. DOI: 10.3390/polym14194224
- Qi H.J., Boyce M.C. Stress-strain behavior of thermoplastic polyurethanes // Mechanics of Materials. - 2005. - Vol. 37, no. 8. - P. 817-839. DOI: 10.1016/j.mechmat.2004.08.001
- A visco-hyperelastic model with Mullins effect for polyurethane elastomers combining a phenomenological approach with macromolecular information / B.P. Reis, L.M. Nogueira, D.A. Castello, L.A. Borges // Mechanics of Materials. - 2021. -Vol. 161. - P. 104023. DOI: 10.1016/j.mechmat.2021.104023
- Pebdani M.H. Study Mullins effect of polyurethane reinforcement with halloysite nanotube by molecular dynamics simulation // Journal of Elastomers and Plastics. - 2022. - Vol. 54, no. 5. - P. 659-675. DOI: 10.1177/00952443211060407
- Voznyakovskii A., Vozniakovskii A., Kidalov S. New Way of Synthesis of Few-Layer Graphene Nanosheets by the Self Propagating High-Temperature Synthesis Method from Biopolymers // Nanomaterials. - 2022. - Vol. 12, no. 4. - P. 657. DOI: 10.3390/nano12040657
- Structure and paramagnetic properties of graphene nanoplatelets prepared from biopolymers using self-propagating high-temperature synthesis / A.A. Vozniakovskii, A.P. Voznyakovskii, S.V. Kidalov, V.Yu. Osipov // Journal of Structural Chemistry. - 2020. -Vol. 61, no. 5. - P. 826-834. DOI: 10.1134/S0022476620050200
- Долматов В.Ю. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза: свойства и применение // Успехи химии. -2001. - Т. 70, № 7. - С. 687-708.
- Voznyakovskii A.P., Dolmatov V.Yu., Shumilov F.A. The Influence of Detonation Synthesis Conditions on Surface Properties of Detonation Nanodiamonds // Journal of Superhard Materials. - 2014. - Vol. 36, no. 3. - P. 165-170. DOI: 10.3103/S1063457614030034
- Gaiishin O.C., Moshev V.V. Damage model of elastic rubber particulate composites, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2002, vol. 38, no.1 pp. 63-69. doi: 10.1016/S0167-8442(02)00081-2
- Sokolov A.K., Garishin O.K., Svistkov A.L. Modeling of strands formation in elastomeric composites. PNRPU Mechanics Bulletin, 2019, no. 2, pp. 195-202. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.2.16
- Sokolov A.K., Garishin O.K., Svistkov A.L. Simulation of crack propagation in filled elastomers, Nanoscience and Technology: An International Journal (in the press).
