Modeling of mechanical interaction between filler particles and binder in polymer-silicate nanocomposites under finite macrodeformation

Authors

  • Oleg Konstantinovich Garishin Institute of Continuous Media Mechanics UB RAS
  • Anton Sergeevich Korlyakov Perm State Technical University

DOI:

https://doi.org/10.7242/1999-6691/2009.2.3.20

Keywords:

polyolefin polymers, layered silicate nanofiller, tactoid, structure, stresses, strains, elastic macro-modulus

Abstract

Theoretical investigation of the stress state of polyolefin/clay nanocomposites at structural level is carried out taking into account the orientation of filler particles under external loading conditions. Stacks of parallel ultra-thin silicate nanoplates (tactoids) are considered as the filler. It is demonstrated that the mechanical properties of such inclusions depend on the material in the interlayer spaces. If the spaces are filled with a soft material like a mixture of polymeric compound and water adsorbed by clay, the tactoids will be more flexible nanoplates than those whose interlayer spaces contain the material similar to that in the matrix. The case when filler particles are oriented in the direction of external load is optimal from the point of view of minimization of inclusion bending, which may cause their fracture. Estimation of the effective module of nanocomposites with consideration of the filler concentration and the properties of the material between the tactoid nanoplates is made using the solutions obtained in this study. It is shown that the filler concentration in this case affects the macro-module increment more strongly than in the case of conventional particulate composites.

Downloads

Download data is not yet available.

References

Чвалун С.Н. Полимерные нанокомпозиты // Природа. - 2000. - № 7.- С. 22-30.
Shepherd P.D., Golemba F.J., Maine F.W. Clay layers // Adv. Chem. Ser. - 1974. - V. 41. - P. 134-141.
Fengge G. Clay/polymer composites: the story. Materials Today. - 2004. - № 11. - P. 50-55.
Sheng N., Boyce M.C., Parks D.M., Rutledge G.C., Abes J.I., Cohen R.E. Multiscale micromechanical modeling of polymer/clay nano-composites and the effective clay particle // Polymer. - 2004. - V. 45. - P. 487-506. DOI
Микитаев А.К., Каладжян А.А., Леднев О.Б., Микитаев М.А. Нанокомпозитные полимерные материалы на основе органоглин // Электронный журнал «Исследовано в России». - http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/083.pdf (дата обращения: 17.07.2009).
Микитаев А.К., Каладжян А.А., Леднев О.Б., Микитаев М.А., Давыдов Э.М. Нанокомпозитные материалы на основе органоглин с повышенной огнестойкостью // Электронный журнал «Исследовано в России». http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/129.pdf (дата обращения: 17.07.2009).
Гаришин О.К., Свистков А.Л., Герасин В.А., Гусева М.А. Моделирование упруго-пластического поведения полиолефиновых нанокомпозитов с различной структурой слоистого наполнителя // Высокомолек. соед. - Сер. А. - 2009. - Т. 51, № 4. - С. 610-619.
Гусева М.А. Структура и физико-механические свойства нанокомпозитов на основе неполярного полимера и слоевого силиката / Дис… канд. физ.-мат. наук: 01.04.07. - Москва, 2005. - 155 с.
Бахов Ф.Н. Формирование органофильных слоев на Na+-монтмориллоните и влияние их структуры на совместимость полиолефинов с наполнителем в нанокомпозитах / Дис… канд. хим. наук: 02.00.06. - Москва, 2007. - 182 с.
Герасин В.А., Зубова Т.А., Бахов Ф.Н., Баранников А.А., Мерекалов Н.Д., Королев Ю.М., Антипов Е.М. Структура нанокомпозитов полимер/монтмориллонит полученных смешением в расплаве // Российские нанотехнологии. - 2007. - № 1-2. - С. 90-105.
Герасин В.А., Гусева М.А., Мерекалова Н.Д., Гаришин О.К., Свистков А.С., Антипов Е.М. Создание полимер-силикатных нанокомпозитов. Структура и деформационные свойства // IV Международная научно-практическая конференция «Новые полимерные композиционные материалы»: Труды. - Нальчик, 2008. - С. 97-100.
Xie W., Gao Z., Liu K., Pan W.-P., Vaia R., Hunter D., Singh A. Thermal characterization of organically modified montmorillonite // Thermochimica Acta. - 2001. - V 367-368. - P. 339-350. DOI
Бахвалов Н.С., Панасенко Г.П. Осреднение процессов в периодических средах. Математические задачи механики композиционных материалов. - М.: Наука, 1984. - 352 с.
Эйнштейн А. Новое определение размеров молекул // Собр. науч. тр. - М.: Наука, 1966. - Т. 3 - С. 75-91.
Кристенсен Р. Введение в механику композитов. - М.: Мир, 1982. - 334 с.

###

Cvalun S.N. Polimernye nanokompozity // Priroda. - 2000. - No 7.- S. 22-30.
Shepherd P.D., Golemba F.J., Maine F.W. Clay layers // Adv. Chem. Ser. - 1974. - V. 41. - P. 134-141.
Fengge G. Clay/polymer composites: the story. Materials Today. - 2004. - No 11. - P. 50-55.
Sheng N., Boyce M.C., Parks D.M., Rutledge G.C., Abes J.I., Cohen R.E. Multiscale micromechanical modeling of polymer/clay nano-composites and the effective clay particle // Polymer. - 2004. - V. 45. - P. 487-506. DOI
Mikitaev A.K., Kaladzan A.A., Lednev O.B., Mikitaev M.A. Nanokompozitnye polimernye materialy na osnove organoglin // Elektronnyj zurnal <>. - http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/083.pdf (data obrasenia: 17.07.2009).
Mikitaev A.K., Kaladzan A.A., Lednev O.B., Mikitaev M.A., Davydov E.M. Nanokompozitnye materialy na osnove organoglin s povysennoj ognestojkost’u // Elektronnyj zurnal <>. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/129.pdf (data obrasenia: 17.07.2009).
Garisin O.K., Svistkov A.L., Gerasin V.A., Guseva M.A. Modelirovanie uprugo-plasticeskogo povedenia poliolefinovyh nanokompozitov s razlicnoj strukturoj sloistogo napolnitela // Vysokomolek. soed. - Ser. A. - 2009. - T. 51, No 4. - S. 610-619.
Guseva M.A. Struktura i fiziko-mehaniceskie svojstva nanokompozitov na osnove nepolarnogo polimera i sloevogo silikata / Dis... kand. fiz.-mat. nauk: 01.04.07. - Moskva, 2005. - 155 s.
Bahov F.N. Formirovanie organofil’nyh sloev na Na+-montmorillonite i vlianie ih struktury na sovmestimost’ poliolefinov s napolnitelem v nanokompozitah / Dis... kand. him. nauk: 02.00.06. - Moskva, 2007. - 182 s.
Gerasin V.A., Zubova T.A., Bahov F.N., Barannikov A.A., Merekalov N.D., Korolev U.M., Antipov E.M. Struktura nanokompozitov polimer/montmorillonit polucennyh smeseniem v rasplave // Rossijskie nanotehnologii. - 2007. - No 1-2. - S. 90-105.
Gerasin V.A., Guseva M.A., Merekalova N.D., Garisin O.K., Svistkov A.S., Antipov E.M. Sozdanie polimer-silikatnyh nanokompozitov. Struktura i deformacionnye svojstva // IV Mezdunarodnaa naucno-prakticeskaa konferencia <>: Trudy. - Nal’cik, 2008. - S. 97-100.
Xie W., Gao Z., Liu K., Pan W.-P., Vaia R., Hunter D., Singh A. Thermal characterization of organically modified montmorillonite // Thermochimica Acta. - 2001. - V 367-368. - P. 339-350. DOI
Bahvalov N.S., Panasenko G.P. Osrednenie processov v periodiceskih sredah. Matematiceskie zadaci mehaniki kompozicionnyh materialov. - M.: Nauka, 1984. - 352 s.
Ejnstejn A. Novoe opredelenie razmerov molekul // Sobr. nauc. tr. - M.: Nauka, 1966. - T. 3 - S. 75-91.
Kristensen R. Vvedenie v mehaniku kompozitov. - M.: Mir, 1982. - 334 s.

Downloads

Published

2009-07-01

Issue

Section

Articles

How to Cite

Garishin, O. K., & Korlyakov, A. S. (2009). Modeling of mechanical interaction between filler particles and binder in polymer-silicate nanocomposites under finite macrodeformation. Computational Continuum Mechanics, 2(3), 25-33. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2009.2.3.20