Статья опубликована в журнале "Заводская Лаборатория"  N11 1997г.

УДК 620.172:532.111:678.01

ВЛИЯНИЕ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ НА СТЕПЕНЬ ВЫТЯЖКИ И СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ

c

О.Е.Ольховик,Е.О.Ольховик1      mailto:olhovick@chat.ru

Санкт-Петербургский Институт Машиностроения

Статья поступила 23 апреля 1996 г.
 
 

Описано устройство для вытяжки образцов из полимеров под действием гидростатического давления. Показано, что подобная гидростатическая обработка приводит к повышению прочностных характеристик. Исследования проведены на полиэтилене высокой плотности и фторопласте-4.

Среди важнейших проблем материаловедения следует отметить не только изучение свойств материала, но и поиск путей улучшения его свойств, поскольку, как правило, техническая прочность составляет несколько процентов от теоретической.

Одним из способов повышения механических свойств гибкоцепных полимеров является их вытяжка при температурах несколько ниже температуры плавления [I]. Неоднократно высказывались предположения [2] о том, что если этот процесс вести под давлением, то возможно получение более существенных результатов. Известно [З], что совместное воздействие на полимер высокого гидростатического давления и деформации сдвига способствует значительному улучшению его свойств. Однако известные методы исследования и получения полимера [3] (наковальни Бриджмена) не позволяют изучать его механические свойства.

В данной работе описана экспериментальная установка, позволяющая осуществлять процесс ориентационной кристаллизации под давлением и изучить влияние гидростатического давления на степень вытяжки некоторых полимеров в широком диапазоне варьирования температуры, а также оценить свойства получаемого таким образом волокна.

Для исследования использовали установку, предназначенную для механических испытаний под давлением [4], которую дополнили устройством для вытяжки образцов. Модернизированная часть установки показана на рис. 1. Внутри камеры 3 (внутренний диаметр 60 мм), запираемой сверху обтюратором 2, расположено устройство для вытяжки образцовлопаток. Устройство включает в себя трубу 9, внутри которой расположен неподвижный захват 18. Последний с помощью стоек 13 и гаек 10 соединен с фланцем 15, по центру которого с помощью пластинки 14 закреплен вал 12. Вал ввода мощности в камеру 7 с помощью муфт 8 и 11, а также стержней 7 соединен в валом 12. Сверху камера герметизирована с помощью фторопластовых уплотнений 4 и 5. Уплотнение 4 первоначально поджимается при затяжки шпилек затвора [4], а уплотнение 5 - с помощью кольца 6. Предварительное поджатие исключает утечку давления.Электроконтактное устройство 20 [4] используется только при каких-либо измерениях в камере.

Устройство для вытяжки полимеров (ориентационной кристаллизации) позволяет одновременно испытывать восемь образцов. В качестве объекта исследования был выбран полиэтилен высокой плотности.

Рис. 1. Схема устройства для вытяжки образцов под давлением

Рис. 2. Влияние температуры вытяжки полиэтилена высокой плотности при давлениях 0,1 (/, 3 ) и

200 МПа (2, 4 ) на предел прочности (/, 2 ) и степень вытяжки (3, 4 )

Образцы в форме лопатки вырубали из листа толщиной порядка одного миллиметра. Длина рабочей части исходного образца составляла 6,5 мм, ширина - 4 мм. При вращении вала 15 захват / 7 перемещается вверх на 130 мм, т.е. установка обеспечивает степень вытяжки порядка 20. При максимальной температуре порядка 380 К, которую получали путем нагрева всей камеры, достичь давления более 250 МПа не удавалось из-за ненадежной работы уплотнений 4 и 5.

Испытания проводятся следующим образом. Образцы 19 размещаются в пазах (по два образца в каж-дом) глубиной два миллиметра, выполненных фрезерованием, неподвижного 18 и подвижного / 7 захватов (два паза на передней и два на задней части захватов). Затем образцы закрываются металлическими планками /б с помощью винтов. При вращении вала / захват 17 перемещается вверх, удлиняя образцы. Их деформирование производится со скоростью один миллиметр в минуту в среде кремнийорганической жидкости ПЭС-5. Следует отметить, что в камере нет места для установки датчиков усилий или деформаций без значительного уменьшения хода активного захвата. По окончании испытания (вытяжки) ориентированные образцы охлаждаются в камере под давлением.

На рис. 2 представлены результаты исследований в виде зависимостей наибольшей кратковременной прочности ориентированного полиэтилена и величины максимальной вытяжки при атмосферном давлении и Р = 200 МПа от температуры. При всех температурах и давлениях активный захват перемещался на 120мм. Практически во всех опытах образцы разрушались. Измеренная после извлечения образца из камеры длина из-за некоторого ее сокращения на величину высокоэластической деформации являлась несколько заниженной, а следовательно, заниженными были и величины степени вытяжки.

Как следует из рис. 2, повысить степень вытяжки можно благодаря переходу в ориентированное состоя-ние под давлением, увеличив при этом такую важную

 

Рис.3. Термомеханические кривые исходного (/) и ориентированного при давлении 200 МПа (2) полиэтилена

характеристику, как прочность. Причем наблюдается качественное различие в поведении данного полимера при атмосферном и повышенном давлениях. Так, при атмосферном давлении степень вытяжки, как и прочность ориентированного полиэтилена, монотонно увеличивается с ростом температуры в исследованном температурном диапазоне. При давлении 200 МПа степень вытяжки и прочность в функции температуры увеличиваются более интенсивно, достигая максимума при температуре 343 К. При дальнейшем росте температуры наблюдается интенсивный спад степени вытяжки и, соответственно, снижение прочности ориентированного полиэтилена, максимальная величина которой составляет 390 МПа. При температуре в 343 К часть образцов не разрушалась, и они охлаждались до комнатной температуры в ориентированном состоянии; прочность их достигала 650 МПа. Следует отметить, что исходные размеры образцов не являются оптимальными, поскольку отношение рабочей длины к ширине чуть больше единицы и по этой причине напряженное состояние ближе к двухосному, чем одноосному, растяжению. Однако выполненные исследования позволяют утверждать, что свойства ориентированного полиэтилена при давлении 200 МПа существенно выше, чем при атмосферном. Таким образом, можно построить новый технологический процесс, позволяющий получить полимер с улучшенными механическими свойствами.

На рис. 3 показана типичная термомеханическая кривая I исходного полимера, полученного при испытании образца-лопатки при величине растягивающего напряжения, равной 0,14 МПа. Этот образец в процессе нагревания, как и следовало ожидать, удлинялся и при температуре 400 К разрушился.

Термомеханическая кривая 2 (см. рис. 3) ориентированного образца (ст = 1 МПа) наглядно иллюстрирует эффективное влияние гидростатического давления на улучшение свойств исследуемого полимера по величине температуры плавления, которая очень близко приближается к теоретической, равной 418 К.

Авторами исследовано также влияние гидростатического давления на процесс вытяжки политетрафторэтилена (ПТФЭ) и поливинилиденфторида (ПВДФ). Первый полимер (ПТФЭ) изучали по программе, аналогичной описанной выше. Однако в этих исследова-

Рис.4. Диаграммы растяжения ПТФЭ при давлениях 0,1 МПа (/, 2 ) и 200 МПа (3 - б) для температур 293 (/, 3 ),393 (2), 304 (4), 320 (5) и 350 К (6)

ниях пассивный захват 18 (см. рис. 1) был разрезан на две части, между которыми установлен динамометр, т.е. для ПТФЭ удавалось контролировать величину усилия. На рис. 4 в качестве примера приведены диаграммы растяжения для двух давлений и нескольких температур. Следует отметить высокий уровень напряжений в момент, предшествующий разрушению, причем величина разрушающего напряжения, в отличие от степени вытяжки, не зависит от температуры. Однако в диапазоне температур от комнатной до 373 К при двух давлениях (атмосферном и 200 МПа) влияние давления и температуры на степень вытяжки и прочность ориентированного полимера носит очень сложный характер, и эти закономерности установлены не в полном объеме. Так, в диапазоне температур от 293 до 323 К с ростом давления степень вытяжки уменьшается, особенно это сильно проявляется при 293 К. При всех давлениях с увеличением температуры наблюдается рост степени вытяжки. Кроме того, относительное удлинение полимера или степень вытяжки существенно зависит от геометрии образца. Для указанных выше образцов-лопаток степень вытяжки при давлении в 200 МПа увеличивалась с ростом температуры от 293 К до 323 К с 1,8 раза до семи раз. При комнатной температуре и атмосферном давлении степень вытяжки ПТФЭ составляла 2,5 раза.

Предел прочности ориентированного при температуре 383 К и давлении 200 МПа волокна ПТФЭ составил 98 МПа при относительном удлинении, равном 27,5%. Образцы разрушались хрупко путем отрыва. Исходный ПТФЭ при испытании образцов-лопаток имел временное сопротивление, равное 22 МПа. Вытяжка ПТФЭ при атмосферном давлении всегда сопровождалась резким уменьшением плотности и побелением рабочей части образца, что связано с разрыхлением и появлением дефектов. Образцы, ориентированные при давлении в 200 МПа, становились почти прозрачными, и их трудно отличить от исходных образцов полиэтилена высокой плотности.

Поведение ПВДФ изучали на отпрессованных пленках толщиной 0,2 мм при температуре 348 К на двух режимах. В первом случае образцы длиной 5 и

шириной 25 мм вытягивались, как и для полиэтилена. При этом с увеличением давления от атмосферного до 200 МПа степень вытяжки повышалась с 4 до 12 без разрушения ориентированной пленки. Во втором режиме вытяжку пленки шириной 50 мм производили с помощью валкового вытяжного устройства путем перемотки с одного валка на другой с коэффициентом вытяжки, равным 2,64. Пленку подогревали с помощью промежуточного валка, внутри которого находились нагреватели. На данном устройстве пленку из ПВДФ удавалось ориентировать дважды, достигая степени вытяжки порядка 7.

Сверхпластичность наблюдается также и у полимеров сетчатого строения, например у отвержденной эпоксидной смолы (ЭД-20 + малеиновый ангидрид), используемой в качестве модельного материала в фотоупругости. При осевом растяжении круглого образца, полученного токарной обработкой, при давлениях выше 150 МПа на диаграмме растяжения происходит резкий спад (почти на 50%) растягивающей силы -.на образце образуется шейка.

Считается [5], что влияние гидростатического давления на свойства полимеров эквивалентно охлаждению, поскольку в обоих случаях происходит уменьшение свободного объема и, следовательно, под давлением должна снижаться способность к пластической деформации. Такая точка зрения не только не поддерживается экспериментальными данными, но и противоречит некоторой логике. Если уменьшение свободного объема и вызывает снижение интенсивности молекулярной подвижности в полимере, то при этом оно же (уменьшение свободного объема) не только препятствует образованию новых дефектов типа микротрещин, но и способствует залечиванию старых дефектов. В процессе течения полимера под давлением происходит его вынужденная переупаковка. Однако не исключено, что при очень высоких величинах гидростатического давления из-за перехода полимера в стеклообразное состояние его способность к пластической деформации может уменьшаться.

Таким образом, для ряда полимеров в определенном температурном диапазоне экспериментально установлено проявление сверхпластичности при ориентационной вытяжке под высоким гидростатическим давлением. На основе установленного эффекта может быть построена технология получения волокон и пленок с улучшенными механическими свойствами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баранов В. Г. 1 Химические волокна. 1977. ╪ 3. С. 14.

2. Wunderlich В. I Pure a. Appl. Chem. 1972. V. 31. ╪ 1 - 2. P. 49.

3. Айнбиндер С. Б., Тюнина Э. Л., Цируле К. И. Свойства поли-меров в различных напряженных состояниях. - М.: Химия, 1981.-232с.

4. Ольховик О. Е. 1 Проблемы прочности. 1986. ╪ 1. С. 108.

5. Волынский А. Л., Бакеев Н. Ф. Высокодисперсное ориенти-рованное состояние полимеров. - М.: Химия, 1984. - 189 с.


Chat.ru рекомендует: товары из Китая на сайте Asia.ru!