Способ определения коэффициента теплового расширения полимерных материалов Советский патент 1979 года по МПК G01N25/16 

Изобретение относится к испытанию материалов, в частности к определению теплофизических свойств полимерных тел и может быть использовано в исследовательских целях. Дилатометрические измерения имеют большое научное и практическое значение в современном. материаловедении и физик твердого тела, так как являются одним из наиболее распространенных методов исследования физико-химических процессов. Известны различные способы определения коэффициента теплового расширения твердых тел 1 , основное отлич.ие которых заключается в методе определения малых изменений длины и объема тела. К ним относятся пикнометрические, оптические, кварцевые, различные радиотехнические, акустические и другие способы. Однако реализация указанных способов в большинстве случаев требует использования специальных сложных йств и дру гого вспомогательного оборудоввния. , Известен компараторный способ измерения линейного расширения 2, согласно которому о величине коэффициента теплового расширения судят по смещению заданных точек (меток, образца в процессе его нагревания), Однако его чувствительность () низкай, а точность существенно зависвст от длины образца. Кроме того, примен сне известного способа для изучения анизотропии теплового расширения делает процесс измерения длительш.1м и не дает достаточной информации при наличии анизотропии в неориентированных локальных областях,чтохарактерно для кристаллизующихсяполимеров. Следует отметить, что имеется некоторая возможность интенсифнкашш процесса измерения путем нанесения большого числа меток в различных частях поверхности образца. Однако полную, дифференцированную информацию можно получить, если заведомо известна структура материала, расположение и ориентация кристаллических областей, что возможно только после 36 проведения дополнительных исследова1шй. Кроме того, появляются некоторые трудно ти в создании однородного теплового поля, -так как иэвестньгй способ предполагает использование образцов больших раз меров для обеспечения достаточной точности измерений. В связи с этим в ряде случаев образцы термостатируют длительное при заданной температуре. Целью изобретения являются игятенсификашгя процёсйа измерения теплового расширения полимерныхматериалов и, повышение чувствительности способа. Поставленная цель достигается тем, чтх на поверхность-исследуемого материала меток наносят тонкий, толщиной не более JLOO нм слой ввцества, тепловое расширение которого хорбшо изучено (например металла, его окисла и т.д.). Слой наносят при температуре, меньшей или равной температуре стеклования (Тстпекл. )полимерного материала, затем проводят термообработку напыленного слоя при температуре, большей температуры стётслования, после чего по длине образца создают градиент температур. .в процессе нагрева или охлаждения образцй изменение размера и рас пределёние мшфотрет1ин, образовавшихся б напыленном слое в процессе термообработки из-за различных коэффициентов гепЛоЁоРо расширения полимера и нанесен нЬго слоя, получают полную информацию ; о теплорасширении исследуелЛэго материала. При определении коэффициента теплового расширения, а в области термообработку образца проводят -в проце се создания градиента температур, а при определении А в области высоких те ператур (значительно выше комнатной) после создания градиента образец охлаждают До комнатной температуры со скоростью TSs. 120 град/мин. -. Благодари нанесению слоя вещества на образец при Т4 Tcwevj. обеспечивается %fo невысокая адгезионная прочность и погрешность измерений, вносимая напыленнь1М слоем, сводится до минимума. Термообработка при Т Tcmewjt. рзво Яяет наиболее эффШтйвно выявить микрогетерогенность нанесенного слоя и уменьвоить его сплошность, т.е. обеспечить оп .тимальные условия образования сйсте МБ1 микротрещин. Создание градиента температур позволяет в течение непродолжительного времени определить : температурную зявисиО4мость коэффициента теплового расширения исследуемого материала, т.е. интенсифицировать процесс. При определении теплового расширения по дaнньnv изменегшя размера М1гкротрещин в процессе изменения температуры появляется возможность провести измере НИН в условиях наиболее четкого разрешрння кристаллических областей полимерного материала. Так как размеры трещин малы, то появляется возможность, использования для наблюдения за изменетшем их размеров высокоразрешающих приборов, например, электронных микроскопов, что существенно (на 2-3 порядка) повышает чувствительность. Возрастает и точность определения коэффициента теплового расширения,. ибо в этом случае измере1шя размеров микротрещин соизмеримы с их размером. Методика определения oi по данньгм наблюдения заключается в следующем. На микрофотографю поверхности образца в необходимых направлении и участках поверхности проводится базовая линия длиной L . Если при температурах TI и Т базовая лшшя пересекает некоторое количество трещин ,и их суммарная ширина в направлении базовой линии составляет соответственно Ej и tg , то коэффициент теплового расширения рассчитывается по формуле: ., где сСд - коэффициент теплового расшире-. 1-шя наностлого на образец материала; , , Таким образом, для проведения измерений предлагаемым способом достаточно микроучастка и поэтому нет необходи-. мости в обеспечении равномерности температурного поля во всом образце. П р и м ,е р. Определялся коэффициент теплового расширения ориентированной пленки из полиэтилена высокого давления. Пленка размером, 10x3 мм помещалась в вакз умную камеру поста и охлаждалась до температуры - . Затем на поверхность пленки накосился слой свинца толщиной 20 нм испарением в вакууме, после чего пленка полиэтллена термообрабатывалась при комнатной температуре, что приводило к нарушешпо 56 сплошности тонкого слоя свтща и образованию большого числа микротрешин. Далее образец пометапся на градиентный термостол растрового электронного микроскопа, чувствительность которого - 10 с и по длине образца создавался градиент температэгры в диапазоне ,60-100 С. При этом регистрировались изменения в распределении микротрещин йих раамеpax, Коэффициент линейного теплового рас ширения определялся по формуле (1). Изучение распред1аления микротрещин показало, что преимущественное их нагфавление совпадает с направлением ориентаШЕЙ пленки полиэтилена. Кроме того, распределение микротрещин чувствительно и к наличию в образце структурных и примесных неоднородностей. Для получения сравнительных данных проводилось; определение температ фной зависимости а(. в указанном диапазоне температур известшзтм способом при двух положениях образца из полиэтилена вдоль и поперек Направления ориентации. При этом минимальные размеры образца, достаточные для точного измерений ot , составляли 60x20 мм. Предложенный способ позволяет повысить чувствительность измерения коэффициента теплового расшире шя. { ормулаизобретения 1. Способ определешгн коэффициента теплового расширения полимерных мате0риалов, заключающийся в нанесении на поверхность образца меток, термическом воздействии и регистрации иетлененнЙ во взаиморасположении меток, отличающийся тем, что, с цепью повышения чувствительности и интенсификации процесса, на поверхюсть образца при температуре, меньшей или равной т&лпературё dtisKftOBiSiagiB, наносит тойкий слой воцества, например металла, толияной не более 100 нм, затем, проводят термообработку слоя при температуре, большей температуры стеклования, после чего создают градиент температур по длине образца..„: 2,,Способ по п. 1, о т л я ч а ю щ и и с я тем, что при определении коэффициента теплового расширения в области Температур, превышающих температуру термообработки, градиент темпераTjrp создают в процессе термообработки. 3, Способ по пп. 1ц2, отличаю щ и и с я тем, что определении коэ4фициента теплового расширения в области температур, близких к темпера-i туре плавления материала образца, пбсле термообработки и создания градиента температур образец охлаждают до Комйатной температуры со скоростью, превьппающей jfflH равной 120 град/мин. Источнихи информации, принятые во вншанне при э&спёртизе 1.Новиков С, И, Тепловое расширение твердых тел. Наука, М., 1974, с. 4490.. .. . 2.Заявка Японии № 50-17274, кл. Gr 01К 25/16, 1975.