增韧聚苯乙烯银纹化微观机理模型 - 图文

增韧聚苯乙烯银纹化微观机理模型

吴中伟1，潘智勇1，梁立1，刘元坤1，焦清介2 1.北京雷特新技术实业公司，北京100074 2.北京理工大学机电学院，北京100081

摘要：银纹化是颗粒增韧聚苯乙烯（PS）的一种主要机制。在已有研究基础上，选取独

立的弹性体颗粒单元，将空穴嵌入到基体材 料中（空穴用圆孔表示），其直径、间距与银纹面内空洞、微纤的直径相同，采用有限元法模拟了应变为1%时增韧PS的银纹化过

程。结果表明，银纹首先在弹性体赤道面附近萌生，并向切向方向扩展。随着载荷的不断增加，微纤长度增加。此时，弹性体赤道面

附近的微纤首先达到断裂的临界值，最终导致银纹转化为裂纹。这一过程中，微纤增长方向与载荷方向存在一定的夹角。这与实验

现象吻合。而在θ=30°弹性体外附近，由于弹性体的变形牵动，区域内的分子链发生收缩变形，从而导致材料收缩。

关键词：聚苯乙烯；银纹；细观力学；微纤

Micromechanical Model for Crazing in Toughened Polystyrene

WU Zhongwei1,PAN Zhiyong1,LIANG Li1, LIU Yuankun1,JIAO Qingjie2

1.Beijing Rate New Technology Corporation,Beijing 100074, China

2.School of Mechatronical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China

Abstract Crazing is a kind of mechanism in toughening

polystyrene by particles.In this paper,an independent elastomer particle unit is selected,and holes are embedded into the matrix (with cavities being represented by circular holes).Their diameter and distance are the same as cavities in crazing plane and the diameter of fibril.The crazing model is used to simulate the 1% strain crazing process with the finite element method.It is shown that the crazing initiates near the elastomer equator firstly,and is extended to the tangential direction.As the load increases,the fibril near the equator of elastomer is the first to reach the fracture critical value,then eventually crazing turns into crack.In this

process,the fibril growth is in the direction of a certain angle with the load,which agrees with the experimental observation.From the elastomer withθ=30°,the molecular chains start to shrink because of the deformation of elastomer,then follows the materials

contraction.

Keywords polystyrene;crazing;micromechanical;fibril

0引言

橡胶类弹性体是一种具有极高弹性的高分子材料，其弹

性变形量可达100%~10 000%，且回弹性好，常用作分散相来 增韧塑料[1-2]，可以提高脆性高分子材料的韧性。目前，聚苯乙 烯（PS）增韧主要采用这种手段，尤其是在低温条件下，橡胶 类弹性体的添加，大大提高了材料的韧性。Bucknall等[3]认为， 橡胶类弹性体增韧的塑料体系中，弹性体颗粒起到应力集中 的作用，当受到外力冲击时，弹性体因形变引发周围基材产 生大量的银纹，同时由于大量银纹之间应力场的相互干扰， 银纹前峰处的应力集中低于临界值或银纹遇到另一弹性体

颗粒时，银纹就会终止，从而达到增韧的目的。史平安等[4]通 过三相材料中基体应力分布的分析，结合损伤萌生的力学条 件，对颗粒填充的强化效应和增韧效应进行了分析，认为当 聚合物受力变形时，填充粒子存在应力集中效应，引发周围 基体屈服，吸收大量的变形功，达到增韧的效果。由于通常情 况下，增韧聚苯乙烯在冲击、拉伸应力的作用下，会产生大量 的银纹，银纹在其引发和生长的过程中吸收大量的能量，一 定的程度上约束了裂纹的扩展，从而保护材料不受破坏。 银纹的引发、生长和断裂在聚合物破坏的整个过程中起 着承上启下的作用，它是沟通宏观、微观变形及断裂机制的 桥梁，因此研究银纹的发展过程对认识聚合物的增韧机理具 有十分重要的意义。本研究探讨橡胶类弹性体银纹萌生后， 将空穴嵌入细观模型中。其中假定空穴宽度（生长初期为圆 孔）及银纹质尺寸在银纹增长过程中不变，施加一定的载荷 和边界条件约束，采用有限元法进行数值模拟计算。 1银纹化过程

1.1银纹产生的判据

在银纹萌生前，增韧复合材料力学性质是一致的，而银

纹的产生是应力达到一定程度的结果[5]，Tijssens等[6]认为银 纹的引发除考虑静水应力外还应考虑最大主应力，其应力判

据为其中，σn为银纹面法向应力。单向

拉伸时，σn即为最大主应 力，A、B为材料的参数。 1.2银纹的增长及断裂

在文献[5]、[7]基础上，采用Drucker-Prager理想弹塑性本 构关系模拟增韧PS的银纹的生长，在银纹萌生后，由于微纤 和空穴直径变化很小，可以认为其保持不变。在银纹增长的过 程中，由于活性区中的分子链不断解缠，从而使微纤、空穴长 度不断增加，形成银纹面。这一过程中，银纹的法向位移

不

断增加，Tijssens等[11]认为，法向位移存在一个临界值，当

时，银纹开始断裂，界面应力降为零，最终表现为宏观

条件下的裂纹。在这一过程中银纹的法向、切向变形

率[9-11]分别为

2细观力学模型

假定增韧HIPS中，HIPS为均一材料，弹性体SEBS颗粒 在基体材料中均匀分布。采用六棱柱胞元结构模型表征弹性 体颗粒的细观结构[5,12]，由于其结构对称，采用简化的二维模 型，图1（a）为SEBS-HIPS剖面图，其中白色区域为弹性体颗 粒。增韧HIPS中虽然弹性体颗粒的弹性模量远远低于基体 材料，但由于SEBS中S段与HIPS中S段相同，因此SEBS中 部分S段嵌入到HIPS中，使其与HIPS互相贯穿，在受到应 力作用时，其并不会与基材脱离，而是与基体一同发生应变 故本研究仍将弹性体颗粒作为独立的一相存在于基材中。

取图1（a）黑色区域作为独立的

研究单元（图1（b）），利用

有限元法，将弹性体、基体进行网格划分，其中弹性体总体积 含量为10%，弹性体颗粒粒径R0=1μm，粒子间距尺寸2w= D0=4μm。基体HIPS的弹性模量E=2.2 GPa，泊松比υ=0.32 弹性体颗粒为SEBS，弹性模量E=1.1 MPa，泊松比υ=0.49。由 文献[13]可知，银纹的产生不会产生于弹性体内部，而首先发 生在弹性体赤道面上，当银纹萌生后，在应力或应变的作用 下，银纹开始生长并向基材的其他部位扩展，最终形成大量 的银纹。其中银纹面是由银纹质和空穴组成，银纹质[14]是高度 取向的微纤束（图2），直径为10~40 nm，空穴直径10~20 nm。 其中，w为独立研究单元的长度，R0为微纤厚度。在冲击或拉 伸应力作用下，银纹微纤增长，从而使银纹的长度和宽度不 断增加。

银纹单元的嵌入方式参照文献[5，7]的方法，与其不同的 是银纹质按实际尺寸嵌入，在银纹萌生初期，其空穴结构为 圆形微孔（二维），当载荷进一步增加时，微纤由于空穴的存 在，在应力作用下，微纤长度不断增加（图2），并向基材其他 区域扩展。由文献[5，7]可知，银纹在弹性体发生较小应变时， 很难达到银纹引发的应力判据，因此本文中空穴嵌入的直径

为20 nm，微纤厚度为40 nm，分别在弹性体颗粒赤道、轴向