MECHANICAL BEHAVIOR OF POLYURETHANE COMPOSITES WITH NANOSIZED FILLERS

Abstract


This paper reports the results of a study on the structure and properties of elasto-meric 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 car-ried out on the basis of the results of classical uniaxial tensile tests and cyclic experi-ments 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 signifi-cant 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 rein-forced with nanofillers, the growth of macrofractures takes a longer time, and they prop-agate 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 sys-tems.

Full Text

На сегодняшний день полимерные материалы поль-зуются огромным спросом во всех отраслях промыш-ленности, а композиты на их основе являются одними из самых востребованных конструкционных материа-лов. Из всего многообразия полимерных композитов можно выделить класс материалов на основе эласто-мерных матриц, обладающих высокоэластичными свойствами. Работа с ненаполненными эластомерами, как правило, не представляет особого интереса и давно является технологически выверенным процессом. Ком-плексные исследования ведутся с вязкоупругими компо-зитами, наполненными частицами различной природы и морфологии. Это позволяет получать новые материа-лы с требуемыми улучшенными свойствами и, как след-ствие, побуждает изучать особенности поведения наполненных систем, определять механизмы внутрен-него взаимодействия их компонент, а также предлагать усовершенствованные математические модели. Важно отметить, что в литературе представлено значительное число публикаций по исследованию ме-ханических свойств нанокомпозитов с каучуковыми матрицами, а в последние годы уделяется особое вни-мание изучению поведения в условиях сложного нагружения [1–8]. Также на базе полученных результа-тов предлагается множество математических и конеч-но-элементных моделей для описания и прогнозирова-ния сложного поведения резиновых материалов [4–10]. Значительно меньше встречается работ по изучению свойств сегментированных полиуретановых систем [11–19] и отмечается меньшее число исследований по численному описанию их поведения [19–21]. Вызвано это, прежде всего, сложной структурой ненаполненных полиуретанов – наличием жестких доменов в мягкой матрице. Жесткие участки цепи композита группиру-ются и формируют домены, которые распределены в непрерывной фазе, образованной гибкими участками цепи. Таким образом, ненаполненный полиуретан мож-но считать неоднородно-сегментированным (композит-ным) материалом. Интерес к созданию композитов на базе неоднородных матриц появился значительно позднее, но ввиду получаемых результатов полиурета-новые композиты достаточно перспективны. Добавим, что с введением любого типа наполнителя механиче-ские [11–19; 21], физические [14–16] и термические [12–15; 16; 18] свойства полиуретановых матриц можно изменять даже при малой доле содержания частиц. Од-нако размер частиц и их агрегатов, форма, строение, активность поверхности и степень дисперсности в си-стеме существенно определяют получаемые свойства. Кроме этого, как отмечается в [16; 21], также большое влияние на получаемые результаты будет оказывать строение полиуретановой матрицы – количество и плотность жестких доменов в мягкой среде. Целью данной работы было изучить влияние введе-ния малой доли (0,5 и 4 массовых частей на 100 м. ч. матрицы) углеродных наполнителей на механические свойства литьевого уретанового эластомера. И, как следствие, предложить модель, способную охарактери-зовать макроповедение композитов.

About the authors

K. A. Mokhireva

Institute of Continuous Media Mechanics UB RAS; Perm State University

A. L. Svistkov

Perm State University

V. V. Shadrin

Institute of Continuous Media Mechanics UB RAS

A. K. Sokolov

Institute of Continuous Media Mechanics UB RAS

A. P. Voznyakovskii

S.V. Lebedev Synthetic Rubber Research Institute

A. Yu. Neverovskaya

S.V. Lebedev Synthetic Rubber Research Institute

References

  1. 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. 106–114. doi: 10.1016/j.polymer.2019.03.043
  2. 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
  3. Mai T.-T., Morishita Y., Urayama K. Induced anisotropy by Mullins effect in filled elastomers subjected to stretching with vari-ous geometries // Polymer. – 2017. – Vol. 126. – Р. 29–39. doi: 10.1016/j.polymer.2017.08.012
  4. 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
  5. 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 Sci-ence. – 2020. – Vol. 151. – P. 103291. doi: 10.1016/j.ijengsci.2020.103291
  6. An efficient mode-of-deformation dependent rate-type con-stitutive relation for multi-modal cyclic loading of elastomers / K. Srikanth, P. Sreejith, K. Arvind, K. Kannan, M. Pandey // Interna-tional Journal of Plasticity. – 2023. – Vol. 163. – P. 103517. doi: 10.1016/j.ijplas.2023.103517
  7. Fazekas B., Goda T.J. Constitutive modelling of rubbers: Mullins effect, residual strain, time-temperature dependence // Inter-national Journal of Mechanical Sciences. – 2021. – Vol. 210. – P. 106735. doi: 10.1016/j.ijmecsci.2021.106735
  8. Ghoreishy M.H.R., Sourki F.A. Modeling the hyperviscoe-lastic 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
  9. 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. Mechan-ics. – 2020. – Vol. 87, no. 11. – P. 110801. doi: 10.1115/1.4047776
  10. 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
  11. 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. 93–103. doi: 10.1016/s0142-9418(98)00075-0
  12. Волкова Е.Р. Композиционные материалы на основе сегментированного полиуретана и микродисперсного мине-рального наполнителя // Перспективные материалы. – 2013. – № 11. – С. 53–58.
  13. 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
  14. Badamshina E., Estrin Y., Gafurova M. Nanocomposites based on polyurethanes and carbon nanoparticles: preparation, prop-erties and application // Journal of Materials Chemistry A. – 2013. – Vol. 1, no. 22. – P. 6509–6529. doi: 10.1039/c3ta10204a
  15. Vaithylingam R., Ansari M.N.M., Shanks R.A. Recent Ad-vances in Polyurethane-Based Nanocomposites: A Review // Poly-mer-Plastics Technology and Engineering. – 2017. – Vol. 56, no. 14. – P. 1528–1541. doi: 10.1080/03602559.2017.1280683
  16. 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
  17. Hybrid nanocomposites of elastomeric polyurethane con-taining halloysite nanotubes and POSS nanoparticles: tensile, hard-ness, 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
  18. Thermal, Mechanical, and Morphological Characteri¬sations of Graphene Nanoplatelet/Graphene Oxide/High-Hard-Segment Polyurethane Nanocomposite: A Comparative Study / M. Alboza-hid, H.Z. Naji, Z.K. Alobad, J.K. Wychowaniec, A. Saiani // Poly-mers. – 2022. – Vol. 14. – P. 4224. doi: 10.3390/polym14194224
  19. 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
  20. A visco-hyperelastic model with Mullins effect for polyure-thane 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
  21. Pebdani M.H. Study Mullins effect of polyurethane rein-forcement with halloysite nanotube by molecular dynamics simula-tion // Journal of Elastomers and Plastics. – 2022. – Vol. 54, no. 5. – P. 659–675. doi: 10.1177/00952443211060407
  22. Voznyakovskii A., Vozniakovskii A., Kidalov S. New Way of Synthesis of Few-Layer Graphene Nanosheets by the Self Prop-agating High-Temperature Synthesis Method from Biopolymers // Nanomaterials. – 2022. – Vol. 12, no. 4. – P. 657. doi: 10.3390/nano12040657
  23. Structure and paramagnetic properties of graphene nano-platelets prepared from biopolymers using self-propagating high-temperature synthesis / A.A. Vozniakovskii, A.P. Voznya¬kov¬skii, S.V. Kidalov, V.Yu. Osipov // Journal of Structural Chemistry. – 2020. – Vol. 61, no. 5. – P. 826–834. doi: 10.1134/S0022476620050200
  24. Долматов В.Ю. Ультрадисперсные алмазы детонацион-ного синтеза: свойства и применение // Успехи химии. – 2001. – Т. 70, № 7. – С. 687–708.
  25. 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
  26. Garishin O.C., Moshev V.V. Damage model of elastic rub-ber particulate composites // Theoretical and Applied Fracture Me-chanics. – 2002. – Vol. 38, no. 1. – P. 63–69. doi: 10.1016/S0167-8442(02)00081-2
  27. Соколов А.К., Гаришин О.К., Свистков А.Л. Модели-рование процесса возникновения тяжей в эластомерных компо-зитах // Вестник ПНИПУ. Механика. – 2019. – № 2. – P. 195–202. doi: 10.15593/perm.mech/2019.2.16
  28. Sokolov A.K., Garishin O.K., Svistkov A.L. Simulation of crack propagation in filled elastomers // Nanoscience and Technolo-gy: An International Journal. В печати.

Statistics

Views

Abstract - 172

PDF (Russian) - 109

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2023 Mokhireva K.A., Svistkov A.L., Shadrin V.V., Sokolov A.K., Voznyakovskii A.P., Neverovskaya A.Y.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies