СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ ЭЛАСТОМЕРОВ Российский патент 2009 года по МПК G01N27/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при производстве высокомолекулярных соединений, а также для прогнозирования изменения физических свойств полимеров при различных условиях эксплуатации.

Известны способы измерения модуля упругости Е при растяжении материалов из пластических масс (см. ГОСТ 11262-81). Из материала, подлежащего испытанию, подготавливают образец (см. ГОСТ 11262-80). Модуль упругости Е определяют как отношение приращения механического напряжения к соответствующему приращению относительного удлинения (ГОСТ 9550-81) по формуле:

где F₂ - нагрузка, соответствующая относительному удлинению 0,3%; F₁ - нагрузка, соответствующая относительному удлинению 0,2%; l₀ - расчетная длина образца; А₀ - площадь начального поперечного сечения образца; Δl₂ - удлинение, соответствующее нагрузке F₂; Δl₁ - удлинение, соответствующее нагрузке F₁.

Основные недостатки такой методики заключаются в том, что результаты испытаний в сильной степени зависят от геометрической формы образца, способа создания поля механических напряжений в измерительном устройстве. Это обусловливает низкую точность определения упругих характеристик.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения модуля упругости при растяжении эластомеров (см. Ивановский В.А., Зеленев Ю.В., Отмахова Т.В., Григорьев В.В. Способ определения модуля упругости при растяжении эластомеров. - Патент РФ по классу G01N 25/00 от 27.05.2005 г. - Опубл. 27.05.2001. Бюл. №15).

Сущность изобретения заключается в том, что измеряют температуру Т_α, энергию активации W_α процесса α-релаксации для испытуемого образца дилатометрическим методом; исследуемый материал помещают в конденсаторный первичный измерительный преобразователь, измеряют - средний квадрат тока тепловых электрических флуктуации, соответствующую g_x - активную шумовую проводимость при температуре испытаний Т, вычисляют модуль упругости при растяжении Е по формуле:

где f_α - эффективная частота определения температуры Т_α - релаксации, k - постоянная Больцмана, ρ - плотность образца, Δf - полоса частот измерений флуктуационных напряжений, по которым определяются и g_x.

Недостатком данного способа является необходимость использования различных способов (дилатометрического и способа на основе электрофлуктуационных измерений) для достижения цели.

Техническим результатом изобретения является повышение информативности неразрушающего и энергетически не возмущающего определения модуля упругости при растяжении эластомеров, находящихся в высокоэластическом состоянии.

Сущность изобретения заключается в том, что помещают исследуемый образец полимерной системы плотности ρ в первичный измерительный преобразователь емкостного типа, производят нагрев образца при линейном повышении температуры Т со скоростью , измеряют и регистрируют на его зажимах в течение промежутка времени Δt напряжение тепловых электрических флуктуаций u(t), определяют максимальное значение среднего квадрата напряжения электрических флуктуаций, соответствующее температуре стеклования Т_α, при данной температуре определяют значение диэлектрической проницаемости без воздействия на испытуемый образец внешнего электромагнитного поля ε′_f, рассчитывают величину коэффициента жесткости σ, энергию активации W_α и время молекулярной релаксации τ_0α, по полученным данным рассчитывают модуль упругости при растяжении по формуле:

где

где k - постоянная Больцмана, R - универсальная газовая постоянная, ν_0α - частота измерений, А - константа, определяемая структурой полимера.

Сущность изобретения поясняется следующим образом. Известно, что свойства эластомеров, находящихся в высокоэластическом состоянии, во многом обусловлены процессами молекулярной подвижности их структурных элементов. В качестве кинетических, определяющих упругие свойства сетчатых полимеров выступают сегменты - участки полимерной цепи, содержащие N мономерных звеньев. При бесконечно малой деформации модуль упругости при растяжении определяется (см. Нарисава И. Прочность полимерных материалов / Под ред. проф. Т.Екобери. Пер. с японского к.ф.-м.н. Ю.Н.Товмасяна. - М.: Химия, 1987. - 400 с.) как:

где k - постоянная Больцмана, Т - термодинамическая температура, N₀ - количество кинетических единиц в единице объема между узлами полимерной сетки. Если среднюю молекулярную массу участков полимерной цепи между узлами обозначить М, то выражение (5) можно переписать в виде:

где ρ - плотность полимера, V - объем сегмента.

Методами релаксационной спектрометрии установлено, что объем сегмента V может быть найден при исследовании процесса α-релаксации и определен по следующей формуле:

где В - коэффициент, зависящий от объема кинетической единицы, и для сегментов имеет смысл периода колебаний τ₀ сегмента около положения равновесия (см. Бартенев Г.М., Зеленев Ю.В. Физика и механика полимеров. М.: Высшая школа, 1983, с.130). Характерное время τ₀ процесса α-релаксации зависит от температуры

где W_α - энергия активации, Т_α - температура проявления процесса α-релаксации, R - универсальная газовая постоянная. Тогда

В последнем выражении ν_α - эффективная частота определения температуры Т_α.

Поместим исследуемый образец эластомера толщиной d в конденсаторный первичный измерительный преобразователь. При нагреве образца при линейном повышении температуры Т со скоростью измеряют и регистрируют на его зажимах в течение промежутка времени Δt напряжение тепловых электрических флуктуаций u(t).

По полученным данным рассчитывают (см. Патент РФ №2216013, МПК G01N 27/22, 25/00. Опубл. 10.11.03. Бюл. №31):

- автокорреляционную функцию R(τ) сигнала u(t):

- время молекулярной релаксации

где R(0) - дисперсия сигнала u(t), τ - время, τ=0…Δt.

При температуре Т_α, соответствующей максимуму дисперсии сигнала R(0), равной максимальному значению среднего квадрата напряжения электромагнитных флуктуаций рассчитывают энергию активации процесса α-релаксации (см. Патент РФ №2216012, МПК G01N 27/00, 25/00. - Опубл. 10.11.03. Бюл. №31):

где ν_α - частота, соответствующая максимальной спектральной плотности напряжения электромагнитных флуктуаций:

τ_α - время молекулярной релаксации при температуре Т_α.

Между температурой стеклования полимера T_α и коэффициентом равновесной жесткости макромолекул σ существует соотношение (см. Привалко В.П. Молекулярное строение и свойства полимеров. - Л.: Химия, 1986. - С.87)

где А - константа, определяемая структурой полимера (Таблицы 1…6).

Для среднего квадрата напряжения электромагнитных флуктуаций полимерной системы, помещенной в первичный измерительный преобразователь емкостного типа, при том условии, что величина сигнала намного больше, чем шум измерительной системы, можно записать следующее выражение

где 1/R_x - активная проводимость первичного преобразователя, 1/R_ВХ - активная проводимость измерительной системы, k - постоянная Больцмана, ν - частота измерений, Δν - полоса частот, ε₀ - электрическая постоянная, D - диаметр дисковых электродов первичного преобразователя, d - толщина образца полимера, С₀ - емкость измерительной системы, ε′_f - диэлектрическая проницаемость полимера, определенная без воздействия на испытуемый образец внешнего электромагнитного поля.

Для некристаллических полимерных систем вид зависимости от температуры имеет вид кривой с максимумом (см. Авт. свид. №1742689 СССР, G01N 27/22. Способ определения температуры механического стеклования полимеров / В.А.Ивановский, Ю.В.Зеленев; заявитель и патентообладатель Тамбовское ВВАИУ. - №4801522; заявл. 01.05.1990; опубл. 23.06.1992. Бюл. №13. - 6 с). Максимум же может наблюдаться лишь в том случае, когда вещественная часть комплексной проводимости первичного преобразователя равна мнимой, т.е.

Для температуры стеклования выражение (5) может быть представлено в виде

Данный факт позволяет получить однозначную зависимость между диэлектрической проницаемостью ε′_f, максимумом среднего квадрата напряжения электромагнитных флуктуаций на зажимах первичного преобразователя при температуре стеклования Т_α, конструктивных параметров преобразователя D, d, C₀ и коэффициентом равновесной жесткости полимера

Диэлектрическая проницаемость ε′_f и коэффициент равновесной жесткости исследуемой полимерной системы определяются по известным способам (см. 1. Пат. 22295732 РФ, G01R 27/26. Способ определения диэлектрических характеристик полимеров / В.А.Ивановский; заявитель и патентообладатель Тамбовское ВВАИУ. - №2005119535; заявл. 23.06.05; опубл. 20.03.07. Бюл. №8. - 6 с; 2. Пат. 2298174 РФ, G01N 25/02. Способ определения коэффициента равновесной жесткости полимеров / В.А.Ивановский; заявитель и патентообладатель Тамбовское ВВАИУ. - №200610369; заявл. 17.01.06; опубл. 27.04.07. Бюл. №12 - 5 с.).

На основании соотношений (6), (7), (9), (14), (17) для модуля упругости при растяжении Е получаем следующее выражение

Предлагаемый способ определения модуля упругости при растяжении эластомеров позволяет существенно расширить экспериментальные возможности анализа высокомолекулярных соединений.

Изобретение может быть использовано при производстве высокомолекулярных соединений, а также для прогнозирования изменения физических свойств полимеров при различных условиях эксплуатации. Сущность изобретения заключается в том, что помещают исследуемый образец полимерной системы плотности ρ в первичный измерительный преобразователь емкостного типа, производят нагрев образца при линейном повышении температуры Т со скоростью , измеряют и регистрируют на его зажимах в течение промежутка времени Δt напряжение тепловых электрических флуктуаций u(t), определяют максимальное значение среднего квадрата напряжения электрических флуктуаций, соответствующее температуре стеклования Т_α, при данной температуре определяют значение диэлектрической проницаемости без воздействия на испытуемый образец внешнего электромагнитного поля ε′_f, рассчитывают величину коэффициента жесткости σ, энергию активации W_α и время молекулярной релаксации τ_0α, по полученным данным рассчитывают модуль упругости при растяжении по предложенной формуле. Изобретение обеспечивает повышение информативности неразрушающего и энергетически не возмущающего определения модуля упругости при растяжении эластомеров, находящихся в высокоэластическом состоянии. 6 табл.

Способ определения модуля упругости при растяжении эластомеров, заключающийся в том, что измеряют температуру стеклования Т_α, энергию активации W_α процесса α - релаксации для испытуемого образца, помещают исследуемый образец полимерной системы плотности ρ в первичный измерительный преобразователь емкостного типа, отличающийся тем, что производят нагрев образца при линейном повышении температуры Т со скоростью , измеряют и регистрируют на его зажимах в течение промежутка времени Δt напряжение тепловых электрических флуктуаций u(t), определяют максимальное значение среднего квадрата напряжения электрических флуктуаций, соответствующее температуре стеклования Т_α, при данной температуре определяют значение диэлектрической проницаемости без воздействия на испытуемый образец внешнего электромагнитного поля ε′_f, рассчитывают величину коэффициента жесткости σ, энергию активации W_α и время молекулярной релаксации τ_0α, по полученным данным рассчитывают модуль упругости при растяжении
,
где k - постоянная Больцмана, А - константа, определяемая структурой полимера.