Packing of Filler Particles of Different Sizes and Rheological Properties of Polymer Dispersions with Different Types of Structures

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The description of the structure of dispersion-filled polymer composite materials (DFPCM) and the main parameters characterizing it are considered. An analysis of a number of modern models used to describe the rheological properties of DFPCM is carried out. A generalized mathematical model is proposed that links relative viscosity with the parameters of the dispersion structure. Using the example of DFPCM with different average particle sizes (glass microspheres, marshalite, and white carbon), it is shown that the presented model allows, based on structural parameters, to describe the dependence of the effective viscosity of the studied dispersions over the entire range of filler content for all dispersed systems with different polymer matrices and fillers. The application of this approach in technological practice allows the viscosity values of melts to be estimated based on the parameters of a given type of structure of a dispersion-filled polymer composite material.

About the authors

I. D Simonov-Emelyanov

MIREA – Russian Technological University, Lomonosov Moscow State University of Fine Chemical Technologies

Moscow, Russian Federation

P. V Surikov

MIREA – Russian Technological University, Lomonosov Moscow State University of Fine Chemical Technologies

Email: surikov@mirea.ru
Moscow, Russian Federation

References

  1. Основы технологии переработки пластмасс: Учебник для вузов / С.В. Власов, Л.Б. Кандырин, В.Н. Кулезнев и др. М.: Химия, 2004.
  2. Vlasov S.V., Kandyryn L.B., Kuleznev V.N., et al. Fundamentals of Plastics Processing Technology: Textbook for Universities. M.: Chemistry, 2004. (In Russ.)
  3. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология / Под ред. А.А. Берлина. С.-Пб.: Профессия, 2008.
  4. Polymer composite materials: structure, properties, technology. Edited by A.A. Berlin. St. Petersburg: Profession, 2008. (In Russ.)
  5. Симонов-Емельянов И.Д. Структура и свойства дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалов. С.-Пб.: Изд-во ЦОП «Профессия», 2024.
  6. Simonov-Emelyanov I.D. Structure and Properties of Dispersion-Filled Polymer Composite Materials. St. Petersburg: COP Profession Publishing House, 2024. (In Russ.)
  7. Симонов-Емельянов И.Д., Суриков П.В. Обобщенная зависимость вязкости дисперсно-наполненных полимерных композиционных материалов с разными типами структур // Теорет. основы хим. технологии. 2023. Т. 57. № 4. С. 445.
  8. Simonov-Emelyanov I.D., Surikov P.V. Generalized Dependence of the Viscosity of Particulate-Filled Polymer Composite Materials with Different Types of Structures. Theor. Found. Chem. Eng. 2023. V. 57, № 4. P. 515.
  9. Симонов-Емельянов И.Д., Харламова К.И. Теоретические основы, модели и расчеты составов дисперсно-наполненных полимеров с разными типами структур и свойствами // Российский химический журнал. 2024. Т. 68. № 1. С. 58.
  10. Simonov-Emelyanov I.D., Kharlamova K.I. Theoretical foundations, models, and calculations of the compositions of dispersion-filled polymers with different types of structures and properties. Russian Chemical Journal. 2024, vol. 68, no. 1, p. 58. (In Russ.)
  11. Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. Теория протекания и проводимости сильно неоднородных сред // Успехи физических наук. 1975. Т. 117. № 3. С. 401.
  12. Shklovsky B.I., Efros A.L. Theory of flow and conductivity of highly heterogeneous media. Advances in Physical Sciences. 1975, vol. 117, no. 3, p. 401. (In Russ.)
  13. Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. Электронные свойства легированных полупроводников. М.: Наука, 1979.
  14. Shklovsky B.I. and Efros A.L. Electronic properties of doped semiconductors. M.: Nauka, 1979.
  15. Кербер М.Л., Виноградов В.М., Головкин Г.С. и др. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология / Под ред. Берлина А.А. СПб.: Профессия, 2023.
  16. Polymer composite materials: structure, properties, technology / Kerber M.L., Vinogradov V.M., Golovkin G.S. et al. Edited by Berlin A.A. St. Petersburg: Profession, 2023. (In Russ.)
  17. Баженов С.Л., Берлин А.А., Кульков А.А., Ошмян В.Г. Полимерные композиционные материалы / Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2010.
  18. Bazhenov S.L., Berlin A.A., Kulkov A.A., Oshmyan V.G. Polymer composite materials. Dolgoprudny: Intellect Publishing House, 2010. (In Russ.)
  19. Структурные механизмы формирования механических свойств зернистых полимерных композитов. Кол. Авторов. Екатеринбург: Уро РАН, 1997.
  20. Structural mechanisms of mechanical properties formation in granular polymer composites. Collective work. Yekaterinburg: Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 1997. (In Russ.)
  21. Oda M. Co-ordination number and its relation to shear strength of granular materials // Soils and Foundations.1977. V. 17. № 2. P. 547.
  22. Liu W., Jin Y., Chen S., Hernán A., Makse H.A., Li S. Equation of state for random sphere packing with arbitrary adhesion and friction // Soft Matter. 2017. V. 13. № 2. P. 421.
  23. An X.Z, Dong K.J., Yang R.Y., Zou R.P., Wang C.C., Yu A.B. Quasi-universality in the packing of uniform spheres under gravity // Granular Matter. 2016. V. 18. № 6. P. 1.
  24. Dyre J.C. Simple liquids’ quasiuniversality and the hard-sphere paradigm // J. Phys.: Condens. Matter. 2016 V. 28. № 32. P. 1.
  25. Павлючкова Е.А., Малкин А.Я., Корнев Ю.В., Симонов-Емельянов И.Д. Распределение наполнителя в полимерных композитах. Роль размера частиц и концентрации // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2023. Т. 66. № 1. С. 70.
  26. Pavlyuchkova E.A., Malkin A.Ya., Kornev Yu.V., Simonov-Emelyanov I.D. Distribution of filler in polymer composites. The role of particle size and concentration. High Molecular Compounds. Series A. 2023, vol. 66, no. 1, p. 70. (In Russ.)
  27. Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физическая мезомеханика. 1998. № 1. С. 5.
  28. Panin V.E. Fundamentals of physical mesomechanics. Physical mesomechanics. 1998, no. 1, p. 5. (In Russ.)
  29. Люкшин Б.А. и др. Компьютерное моделирование и конструирование наполненных композиций / Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2015.
  30. Люкшин Б.А. и др. Дисперсно-наполненные полимерные композиты технического и медицинского назначения / Под ред. Герасимова А.В. Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2017.
  31. Lyukshin B.A. et al. Computer modeling and design of filled compositions. Novosibirsk: Publishing House of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences. 2015. (In Russ.)
  32. Матвеенко В.Н., Кирсанов Е.А. Вязкость и структура дисперсных систем // Вестн. Моск. ун-та. Серия 2. Химия. 2011. Т. 52. № 4. С. 243.
  33. Matveyenko V.N., Kirsanov E.A. Viscosity and structure of dispersed systems. Vestnik Moskovskogo Universiteta. Series 2. Chemistry. 2011, vol. 52, no. 4, p. 243. (In Russ.)
  34. Кирсанов Е.А., Матвеенко В.Н. Неньютоновское поведение структурированных систем. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016.
  35. Kirsanov E.A., Matveyenko V.N. Non-Newtonian behavior of structured systems. M.: TEKHNOSFERA, 2016. (In Russ.)
  36. Mooney M. The viscosity of concentrated suspension of spherical particles // Journal of Colloid Science. 1951. V. 6. № 2. P. 162.
  37. Малкин А.Я., Куличихин В.Г. Дилатансия и динамическое стеклование концентрированных суспензий: состояние проблемы // Коллоидный журнал. 2016. Т. 78. № 1. С. 3.
  38. Malkin A.Ya., Kulichikhin, V.G. Dilatancy and dynamic glass transition of concentrated suspensions: state of the problem. Colloid Journal. 2016, vol. 78, no. 1, p. 3. (In Russ.)
  39. Харламова К.И., Дергунова Е.Р., Симонов-Емельянов И.Д. Олигомероемкость дисперсных наполнителей и расчет их максимального содержания в полимерных композиционных материалах // Пластические массы. 2022. № 3-4. С. 21.
  40. Kharlamova K.I., Dergunova E.R., Simonov-Emelyanov I.D. Oligomer capacity of dispersed fillers and calculation of their maximum content in polymer composite materials. Plastics. 2022, no. 3–4, p. 21. (In Russ.)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).