Атомно-силовая микроскопия растянутых резин

Аннотация

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) является мощным инструментом исследования структурно-механических свойств полимеров и полимерных композитов на микро- и наноуровне. Современные методы АСМ позволяют получать не только трехмерное изображение рельефа поверхности, но и её физико-механические свойства. Эластомерные вулканизаты и композиты на их основе нашли самое широкое применение в шинной промышленности. Изучение этих материалов в деформированном состоянии на уровне отдельных частиц наполнителя представляет несомненный интерес. В работе методом быстрой наноиндентации исследовали ненаполненные и наполненные (5, 30, 50 мас. частей техуглерода) резины в растянутом состоянии, в том числе вершины разрывов. Показано формирование дефектов в растянутой полимерной матрице в окрестности полюсов включений. С увеличением доли наполнителя в растянутом материале возникают тяжи – ориентированное вдоль оси деформации связующее в зазорах между включениями наполнителя. Напряженно-деформированное состояние растянутой полимерной матрицы неоднородно. Жесткость полимера в тяжах превышает жесткость окружающей матрицы – тяжи принимают на себя основную нагрузку. В материале встречаются и экранированные от нагрузки включениями наполнителя слабонагруженные области матрицы. Ближайшие агрегаты наполнителя при растяжении сохраняют свое относительное взаиморасположение, а тяжи возникают в свободных от наполнителя участках матрицы. В области надреза в растянутой резине полимер находится в критически растянутом состоянии – малейшее увеличение растяжения приведет к дальнейшему прорастанию разрыва. В этом случае вдоль оси разрыва в резине возникает перенапряженная область шириной до 10 мкм, заполненная локальными дефектами и тяжами. Жесткость связующего в данной области в сотни раз превышает жесткость исходного материала, что указывает на деформации, во много раз превышающие макроскопические.