СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ МГНОВЕННОГО ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ АРМИРОВАННЫХ ПЛАСТИКОВ НА ОСНОВЕ ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ ПОЛИМЕРОВ Российский патент 2006 года по МПК G01N25/18 

Данное изобретение относится к области теплофизики, в частности к определению мгновенного значения коэффициента теплопроводности армированных пластиков на основе термореактивных полимеров, и может быть использовано при экспериментальном определении теплофизических характеристик новых типов армированных пластиков в области температур термодеструкции связующего.

При проведении тепловых расчетов и экспериментальной отработке теплозащитных конструкций из армированных пластиков на основе термореактивных полимеров стоит задача определения температурной зависимости мгновенного значения коэффициента теплопроводности в области температур термодеструкции связующего. Армированные пластики на основе термореактивных полимеров представляют собой композиционные материалы с многослойным наполнителем в виде, например, асбестовой, кремнеземной или стеклоткани, пропитанных в качестве связующего смолой, например, эпоксидной, эпоксифенольной, фенольной, фенолформальдегидной и прошедших полимеризацию при формовании. Особенностью данного класса материалов является существенная зависимость их плотности, а соответственно и коэффициента теплопроводности от степени завершенности процесса термодеструкции связующего. При этом плотность и соответственно коэффициент теплопроводности армированного пластика при данной температуре изменяется в зависимости от скорости нагрева до этой температуры от значения, соответствующего предельному (равновесному) состоянию разложения, до мгновенного значения плотности (теплопроводности). Это связано с временем нагрева, необходимым для разрушения полимерных связей, характеризуемых различной энергией активации реакции термодеструкции связующего.

Предельное состояние разложения реализуется при очень медленном нагреве пластика или выдержке при данной температуре до прекращения изменения его плотности. Мгновенное значение плотности реализуется при быстром нагреве и характеризуется скоростью нагрева, выше которой дальнейшего изменения плотности термореактивного полимера не происходит.

Известен способ определения температурной зависимости мгновенного значения коэффициента теплопроводности армированных пластиков на основе термореактивных полимеров, заключающийся в нагреве образца исследуемого пластика со скоростью, соответствующей мгновенному значению его плотности, определении по результатам термогравиметрических испытаний степени завершенности процесса термодеструкции, по которым, используя расчетную зависимость теплопроводности, судят об искомой температурной зависимости мгновенного значения коэффициента теплопроводности. (О.Ф.Шленский. Тепловые свойства стеклопластиков. - М.: Химия, 1973 г., стр.118-125).

Недостатком данного способа являются низкая точность и сложность определения температурной зависимости мгновенного значения коэффициента теплопроводности. Это связанно с тем, что на основании большого количества косвенных экспериментов определяется расчетная температурная зависимость коэффициента теплопроводности, которая аппроксимируется на мгновенные значения с учетом данных термогравиметрических испытаний, что также достаточно трудоемко и не однозначно, так как температурные зависимости коэффициента теплопроводности и плотности взаимосвязаны, но имеют разную природу и характер.

Известен также способ определения температурной зависимости мгновенного значения коэффициента теплопроводности армированных пластиков на основе термореактивных полимеров (О.Ф.Шленский. Тепловые свойства стеклопластиков. - М.: Химия, 1973 г., стр.155-156), принятый авторами за прототип, заключающийся в нагреве образцов исследуемого материала с постоянной скоростью в области температур термодеструкции, близкой к скорости, соответствующей мгновенному значению плотности, определении при заданной скорости нагрева известным методом температурной зависимости коэффициента теплопроводности λ(T) и термогравиметрическим методом температурной зависимости плотности ρ(T), нагреве тонких образцов исследуемого материала со скоростью, соответствующей мгновенному значению плотности, и определении термогравиметрическим методом температурной зависимости мгновенных значений плотности ρ_M(T), нагреве тонких образцов с произвольной скоростью до заданных температур, термостатировании их при этих температурах и определении термогравиметрическим методом температурной зависимости равновесного значения плотности ρ_∞(T), используя вышеперечисленные температурные зависимости и формулу (III.28), представленную на стр.122 (О.Ф.Шленский. Тепловые свойства стеклопластиков. - М.: Химия, 1973 г.):

(где ρ_тв - плотность материала твердой фазы), судят об искомой температурной зависимости мгновенного значения коэффициента теплопроводности λ_M(T).

Недостатком данного способа являются низкая точность и сложность определения температурной зависимости мгновенного значения коэффициента теплопроводности на основании расчетной зависимости, основанной на достаточно приближенной физической модели, предполагающей образование в материале в процессе термодеструкции большого количества сферических пор, и использовании результатов большого количества термогравиметрических измерений, имеющих при больших скоростях нагрева также значительные погрешности. Кроме того, экспериментальное определение нестационарным методом температурной зависимости коэффициента теплопроводности λ(T) при высоких скоростях нагрева, в области температур термодеструкции связано с большими погрешностями за счет существенных перепадов температур и тепловых эффектов термодеструкции при интенсивном газовыделении.

Задачей данного изобретения является уменьшение погрешности определения температурной зависимости мгновенного значения коэффициента теплопроводности армированных пластиков на основе термореактивных полимеров в области температур термодеструкции связующего.

Техническим результатом изобретения является получение более точных экспериментальных данных по температурной зависимости мгновенного значения коэффициента теплопроводности армированных пластиков на основе термореактивных полимеров в области температур термодеструкции связующего, необходимых для проведения тепловых расчетов требуемой толщины теплозащитной конструкции.

Технический результат достигается тем, что в способе определения температурной зависимости мгновенного значения коэффициента теплопроводности армированных пластиков на основе термореактивных полимеров, заключающемся в определении температурной зависимости коэффициента теплопроводности образца исследуемого материала, нагреваемого с постоянной скоростью в области температур термодеструкции, нагреве образца исследуемого материала со скоростью, соответствующей мгновенному значению плотности, в момент достижения заданной температуры образец быстро охлаждают до нормальной температуры в среде инертного газа, после чего повторно нагревают образец в среде инертного газа с произвольной скоростью до температуры, не превышающей 75% от заданной, и при этом измеряют известным способом температурную зависимость коэффициента теплопроводности, экстраполируют эту зависимость на заданное значение температуры и определяют мгновенное значение коэффициента теплопроводности образца, соответствующее этому значению температуры, продолжают нагрев образца исследуемого материала в среде инертного газа со скоростью, соответствующей мгновенному значению плотности, до нового более высокого заданного значения температуры, повторяя вышеперечисленные операции во всем температурном диапазоне термодеструкции, определяют искомую температурную зависимость мгновенного значения коэффициента теплопроводности.

На чертеже для исследуемого армированного пластика представлены температурные зависимости коэффициента теплопроводности образца, предварительно нагретого со скоростью, соответствующей мгновенному значению плотности, до заданного значения температуры (сплошная линия - экспериментальные данные в диапазоне 75% от заданного значения температуры, пунктирная - экстраполяция на заданное значение температуры):

1 - 300°С,

2 - 400°С,

3 - 600°С,

4 - 800°С,

5 - 1000°С,

6 - искомая температурная зависимость мгновенного значения коэффициента теплопроводности (сплошная линия - экспериментальные данные).

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. Исследуемый образец нагревают в среде инертного газа со скоростью, соответствующей мгновенному значению плотности данного термореактивного полимера, и в момент достижения заданной температуры быстро охлаждают до нормальной температуры, например, путем обдува холодным инертным газом. Быстрое охлаждение образца необходимо для прекращения продолжающегося при постоянной температуре процесса термодеструкции, т.е. его «замораживают» с сохранением свойств, соответствующих степени его разложения при данной скорости нагрева. Значение скорости, соответствующей мгновенному значению плотности для данного термореактивного полимера, определяется известным термогравиметрическим методом. Необходимость нагрева и охлаждения в среде инертного газа связана с тем, что в условиях натурного нагрева теплозащитный материал находится в среде выделяющихся газообразных продуктов термодеструкции и не контактирует с атмосферным кислородом. Присутствие кислорода в процессе высокотемпературного нагрева образца приведет к окислительной термодеструкции поверхностных слоев и изменению коэффициента теплопроводности образца. Затем образец повторно нагревают также в среде инертного газа до различных температур не выше температуры, при которой продолжится процесс термодеструкции. Эта температура при медленном повторном нагреве будет всегда ниже, в среднем на 25% от заданной температуры, до которой был нагрет образец до «замораживания». В процессе повторного нагрева измеряют известными методами - стационарным или методом монотонного нагрева - зависимость теплопроводности от температуры. Значение температуры, при которой продолжится процесс термодеструкции, можно определить по появлению газообразных продуктов термодеструкции или по данным термогравиметрического анализа данного класса материалов. На практике при нагреве отожженного образца до температуры, не превышающей 75% от заданной температуры, при которой был «заморожен» образец, термодеструкция протекать не будет (см., например, кривые разложения различных армированных пластиков на основе термореактивных полимеров (рис.II.6 на стр.60, рис.II.7 на стр.61, рис.II.11 на стр.64. О.Ф.Шленский. Тепловые свойства стеклопластиков. - М.: Химия, 1973 г.).

Из многочисленных экспериментальных исследований известно, что температурная зависимость коэффициента теплопроводности предварительно отожженного материала всегда монотонно возрастает. На основании этого мгновенное значение коэффициента теплопроводности определяем путем экстраполяции полученной температурной зависимости коэффициента теплопроводности на заданную температуру (оставшиеся 25% температурного диапазона). После этого образец снова помещают в печь и продолжают его нагрев со скоростью, соответствующей мгновенному значению плотности, до более высокого значения заданной температуры. Повторяют вышеперечисленные операции для других заданных более высоких значений температуры в области термодеструкции связующего. По полученным температурным зависимостям коэффициента теплопроводности для отожженных при заданных температурах образцов путем экстраполяции получают мгновенные значения коэффициента теплопроводности при этих температурах, по которым строят искомую температурную зависимость мгновенного значения коэффициента теплопроводности.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Проводили определение температурной зависимости коэффициента теплопроводности армированного пластика, изготовленного из кварцевого полотна (70% по объему) и фенолформальдегидной смолы (30% по объему). Образец исследуемого материала диаметром 70 мм и толщиной 4,5 мм нагревали с двух сторон в камере высокотемпературной печи, заполненной газообразным азотом, со скоростью 7-8°С/с. По результатам проведенных термогравиметрических исследований определено, что это значение скорости нагрева соответствует мгновенному значению плотности для данного армированного пластика. В момент достижения температуры 300°С образец быстро извлекли из печи и охладили до нормальной температуры путем обдува потоком холодного газообразного азота. После этого образец поместили в испытательную камеру высокотемпературной установки, предназначенной для определения коэффициента теплопроводности твердых материалов известным стационарным методом «плоского слоя» - наиболее точным из существующих методов. Измерили значения коэффициента теплопроводности образца при различных температурах не выше 225°С (75% от 300°С) и построили экспериментально определенную температурную зависимость коэффициента теплопроводности (сплошная линия 1). Экстраполировали эту зависимость на заданное значение температуры - 300°С (пунктирная линия 1) и тем самым определили мгновенное значение коэффициента теплопроводности образца, соответствующее этой температуре. Снова поместили образец в печь и нагрели в среде газообразного азота со скоростью 7-8°С/с до температуры 400°С, повторили вышеперечисленные операции, построили температурную зависимость коэффициента теплопроводности (сплошная линия 2) и определили мгновенное значение коэффициента теплопроводности образца, соответствующее температуре 400°С. Повторили вышеперечисленные операции с шагом 200°С во всем температурном диапазоне термодеструкции (при 600, 800 и 1000°С), построили температурные зависимости коэффициента теплопроводности (сплошные линии 3, 4 и 5) и определили мгновенные значения коэффициента теплопроводности образца при этих температурах. По полученным мгновенным значениям коэффициента теплопроводности определили, например, путем интерполяции искомую температурную зависимость мгновенного значения коэффициента теплопроводности в области температур термодеструкции (штрихпунктирная линия 6).

Использование: для определения температурной зависимости мгновенного значения коэффициента теплопроводности армированных пластиков на основе термореактивных полимеров. Сущность: заключается в том, что нагревают образец исследуемого материала в области температур термодеструкции с постоянной скоростью, соответствующей мгновенному значению плотности, при этом в момент достижения заданной температуры образец быстро охлаждают до нормальной температуры в среде инертного газа, после чего повторно нагревают образец в среде инертного газа с произвольной скоростью до температуры, не превышающей 75% от заданной, и при этом измеряют известным способом температурную зависимость коэффициента теплопроводности, экстраполируют эту зависимость на заданное значение температуры и определяют мгновенное значение коэффициента теплопроводности образца, соответствующее этому значению температуры, продолжают нагрев образца исследуемого материала в среде инертного газа со скоростью, соответствующей мгновенному значению плотности, до нового более высокого заданного значения температуры, повторяя вышеперечисленные операции во всем температурном диапазоне термодеструкции, определяют искомую температурную зависимость мгновенного значения коэффициента теплопроводности. Технический результат: получение более точных экспериментальных данных по температурной зависимости мгновенного значения коэффициента теплопроводности армированных пластиков на основе термореактивных полимеров в области температур термодеструкции связующего. 1 ил.

Способ определения температурной зависимости мгновенного значения коэффициента теплопроводности армированных пластиков на основе термореактивных полимеров, заключающийся в определении температурной зависимости коэффициента теплопроводности образца исследуемого материала, нагреваемого с постоянной скоростью в области температур термодеструкции, нагреве образца исследуемого материала со скоростью, соответствующей мгновенному значению плотности, отличающийся тем, что в момент достижения заданной температуры образец быстро охлаждают до нормальной температуры в среде инертного газа, после чего повторно нагревают образец в среде инертного газа с произвольной скоростью до температуры, не превышающей 75% от заданной, и при этом измеряют известным способом температурную зависимость коэффициента теплопроводности, экстраполируют эту зависимость на заданное значение температуры и определяют мгновенное значение коэффициента теплопроводности образца, соответствующее этому значению температуры, продолжают нагрев образца исследуемого материала в среде инертного газа со скоростью, соответствующей мгновенному значению плотности, до нового более высокого заданного значения температуры, повторяя вышеперечисленные операции во всем температурном диапазоне термодеструкции, определяют искомую температурную зависимость мгновенного значения коэффициента теплопроводности.