Способ определения температуры стеклования полимерных материалов Советский патент 1983 года по МПК G01N33/44 

Изобретение относится к исследований физических свойств полимерных материалов, а точнее к определению температуры перехода полимеров с линейной или пространственной молекулярной структурой из высокоэластического состояния в стеклообразное (стеклование полимера), и может быть использовано для определения температурного интервала, в котором полимерные, материалы сохраняют прочностные характеристики стеклообразного состояния, при изготовлении изделий из полимеров, а также при моделировании напряяСённого состояния конструкций прляризационно-оптическим методом с применением замораживания деформаций для определения температуры фиксации деформаций и оптической анизотропии в модели конструкции. .

Исключение составляют полимерные материалы, не имеющие развитой высокоэластической области и плавящиеся при .нагреве выше температуры стеклования, например, поликарбонат, полистирол и др.

Известен термодилатометрический способ исследования физико-механических свойств полимеров, позволяющий определить температуру стеклрвания материала по его деформациям в процессе нагрева. В этом способе 11спользуетс9 тонкостенный цилиндрический .образец, с предварительно замороженными деформациями, который помещается в печь дериватографа и нагревается ступенями. По деформациям образца в процессе нагревания строится термомеханическая кривая, по которой определяется искомая температура Щ .

Для реализации этого способа требуется проведение трудоемкого экспе.римента, наличие специальной изме.рительной аппаратуры и вспомогательного оборудования.

.Наиболее близким к предлагаемому является способ определения температуры стеклования, включающий нагрев Образца, сжатого винтами в металлической обойме, до температуры высокоэластического состояния материала и последующее охлаждение его с обоймой до комнатной температуры, В этом способе используется свойство деформированного оптически чувствительного материала фиксировать при температуре стеклования оптическую разность хода, вызванную температурными деформациями, возникающими за счет различия коэффициентов линейного расширения материалов полимерного образца и металлической обоймы при нагревании и последующем охлаждении.

Сжатый в обойМе образецнагревают до температуры .высокоэластического состояния материала и измеряют оптическую разность хода в какойлибо точке образца при этой темпе5 ратуре. Затем ступенями через

10-15 С с выдержкой в течение 20 ми охлаждают образец до комнатной температуры, измеряя для каждой температуры оптическую разность хода в.

10 данной точке образца. После построения зависимости оптической разности хода от температуры образца, температура стеклования материала определяется пЬ точке перегиба на .:

f5 графике изменения оптической разности хода при охлаждении 2 . ;Недостатком способа является то, что он применим только к оптически чувствительным, прозрачным полиме2Q рам, требует точного измерения оптической разности хода в процессе эксперимента на поляризационной установке с компенсационным устройством и термостата со стеклянными окнами.

25 Цель изобретения - упрощение процесса определения температуры стеклования.

Поставленная цель достигается т.ем, что согласно способу определе)Ния температуры стеклования полимер ;ных материалов, включающему нагрев образца;, сжатого винтами в металлической обойме, до температуры высокоэластического состойния материала и послеХ|,у1рщего охлаждения его;обра35 зец вкл1рчают в сигнальную-цепь. регистрирующую момент размыканий и замыкания образца с обоймой, определяют минимальный интервал температур, в верхнем пределе которого сиг40 нальная цепь замыкается, а в нижнемразмыкается, и определяют среднюю температуру интервала, являющуюся температурой стеклования полимерного материала.

45 .Температурный интервал стеклования определяется путем периодического повышения и понижения темперагтуры в термостате с последующей выдержкой при этой температуре таким

CQ образом, чтобы при повышении температуры происходило замыкание сигнальной цепи образцом, а при понижении - размыкание. Амплитуда изменения температур носит затухающий характер и уже после 3-4 циклов ко леблется в пределах 1-2®с.

На фиг. 1 показан температурный режим предлагаемого способа и схема работы устройства для определения температуры стеклования; на фиг.2 60 схема устройства для определения температуры стеклования.

Устройство состоит из исследуемого полимерного образца 1 с вклееной 65 в него термопарой 2, прикрепленного

одним концом к обойме 3, упорного винта 4, сигнальной лампочки 5 с источником питания, включенной в электрическую цепь, один конец которой подключен к обойме, другой прикреплен к свободному концу образца, между упорным винтом и образцом.

Определение температуры стеклования полимера производится следующим образом. Образец сжимается в обойме с помощью упорного винта, помеадает.ся в термостат и нагревается до температуры высокоэластического состояния материала. Электрическая цепь при этом замкнута и сигнальная лам-, почка горит. : Затем температуру в термостате понижают до тех пор, пока сигнальная лампочка электрической цепи не погаснет. После этого.температуру в термостате поднимают на до температуры, при которой сигнальная цепь замкнется и лампочка эагорится. Эта температуру поддерживается в термостате 10 мин для достижения равномерного прогрфа образца и обоймы, Затем температуру в тер-, мостате постепенно понижают до 3-.7®С до момента размыкания сигнальной цепи и также выдерживают образец притемпературе размыкания сети около 10 мин. Цикл повторяют несколько раз, постепенно уменьшая: амплитуду изменения температур в термостате Время вьщержки образца при Iкаждом .цикле увеличивают до 10- 15 мин. После 5-6 цикла температуразамыкания и размыкания сигнальной депи происходит в интервале температур О, и лампочка периодически мигает. В это время по показанию термопары регистрируют температуру образца в моменты размыкания и замыкания сигнальной цепи и находят среднее значение, которое-соответствует температуре стеклования полимера..

При нагревании образца, сжатого в металлической обойме, до температуры высокоэластического состояния материала, в нем возникают температурные деформации, пропорциональныеразности коэффициентов линейного расширения металла и полимерного материала в стеклообразном и в высокоэластическом состояниях. .

При нагреве образца в нем возни- кают, упругие деформации стеклообразного состояния материала, которые в переходной области переходят в высокоэластические деформации и .ают при дальнейшем нагревании образца пропорционально температуре нагрева.

При охлаждении образца с обоймой в области температур высокоэластического состояния полимерного материала высокоэластические деформаций образца, соответственно, линейно уменьшаются за счет разных коэффициентов линейного расширения материалов образца и обоймы.

При температуре перехода полимерного образца в стеклообразное состояние, остайшиес деформации в образце фиксируются, после чего свободный конец образца отделяется .от винта

обоймы за счет теплового сокращения материала. Сигнальная цепь при -этом размыкается и момент размыкания регистрируется. При повышении тем.тературы на несколько градусов дёформации образца восстанавливаются, образец удлиняется и замыкает сигнальную цепь. Температура стеклования полимера заключается в интервале температур, при которых происходит размыкание и замыкание электрической сигнальной цепи.Преимущество предлагаемого способа определения температуры стеклования состоит в том, что для его

реализации не требуется специальной измерительной аппаратуры, нагрузочных устройств и вспомогательного оборудования. Способ применим к линейным и пространственным полимерам,

не обладающим оптической чувствительностью, а также к непрозрачным полимерам. Исключение составляют полимеры,, не обладающие областью высокоэластического состояния. .

Экспериментальная проверка предлагаемого способа проведена на полимерном материале из отвержденной метилтетрагидрофталиевым, ангидридом ЭПОКСИДНОЙ смолы и полиметилметакри лате. Линейный образец из эпоксидного материала с размерами 100x1Ох х5 мм, сжатый винтом в .алюминиевой обойме, (фиг. 2)..включается в электрическую цепь с си-гнальной лампочкой, помещается в термостат И нагредается до 140°С. После проведения Образца в обойме согласно.температурному режиму (фиг. 1) , температура стеклования эпоксидного материала определяется по следующим значениям температур образца в интервале после 7 цикла:

т . . 106,

Т

ст

температура стеклования материала, определенная способом измерения оптической разности хода в образце, согласно прототипу, составляет 105с.

Расхождение результатов экспериментов объясняется погрешностями графической обработки, результатов по известному способу.

Аналогично проведенный экспери- , мент с образцом из полиметилметакрилата показывает, что температура

стеклования его равна 102-, .

Температура образца, определенная по показаниям термопары в конце цикла, отличается от темпер|туры в термостате в среднем на 1 С, поэтому при практическом использовании способа определения температуры стеклования полимерного материала можно использовать Значения температур, определяемые по показаниям ко тактного термометра, что еще более упрощает постановку эксперимента.

При реализации предлагаемого способа определения температуры стеклования полимерных материалов время проведения эксперимента сокращается в 2-3 раза по сравнению с известными способами, так как отсутствует необходимость проведения полного цикла нагревания образца и охлаждения его до комнатной температуры, производить какие-либо измерения в процессе эксперимента и графически обрабатывать результаты измерений. Кроме того, постановка эксперимента существенно упрощается, так как для его-реализации не требуется специальной измерительной аппаратуры для измерения физико-механических свойств материала в процессе эксперимента, как в известных способах.

Способ легко автоматизируется за счет включения устройства образец обойма в стандартную цепь управления нагревателями термостата, например цепь контактного термометра, и в этом случае сводится лишь к регистрации температуры в термостате в моменты размыкания и замыкания сигнальной цепи- и нахождения их среднего значения .после 5-6 циклов, происходящих автоматически и не требующих присутствия экспериментатора при нахождении минимального интервала температур, в которомjipoHcxoflHT стеклование полимерного материала.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАГУРЫ СТЕКЛОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, включающий нагрев образца, сжатсго в металлической обойме, до температуры высокоэластического состояния материала и последующее его охПаждение, о тл и чающийся тем, что, с целью упрощения способа и расширения класса исследуемых полимеров, образец включает в сигнальную цепь, регистрирующую момент размыкания и замыкания образца с обоймой, определяют минимальный интервал температур, в верхнем пределе которого сигнальная цепь замыкается, а в нижнем - размыкается, и определяют среднюю температуру интервала, яв- j ляющуюся температурой стеклования (Л полимерного материала. Ю Выс1}коэл1 П1ииеско состояние Стеклообразное, свапояиие и 5 .. 4 .. , V ХХ//У .