Способ определения температуры стеклования полимерных материалов

 

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 .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 3(51) 6 01 и 33/44 (--МС7„

) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1: 7 м, -77»77.»

Т С

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3434943/18-25 (22) 05.05.82 (46) 15.12.83. Бюл. Р 46 (72) Ю. А. Койнаш и A. Н. Журавлев (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт транспортного строительства (53) 536.42(088.8) (56) 1. Метод фотоупругости. Под ред. Г. JI, Хесина. М., Стройиздат, .1975, т. 1, с. 365.

2. Койнаш Ю. A. Определение температуры фиксации оптикомеханических, эффектов в модели при "замораживании". — "Заводская лаборатория", 1980, Р 11, с. 1035 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАГУРЫ СТЕКЛОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, включающий нагрев образца, сжатого в металлической обойме, до температуры высокоэластического состояния материала и последующее его охпаждение, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа и расширения класса исследуемых по- лимеров, 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, являющуюся температурой стеклования полимерного материала.

1061049

Изобретение относится к исследованию физических свойств полимерных материалов, а точнее к определению температуры перехода полимеров с линейной или пространственной молекулярной структурой из высокозластического 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 напряженного состояния . конструкций поляризационно-оптическим методом с применением ™заморажи вания" деформаций для определения температуры фиксации деформаций и оптической анизотропии в модели конструкции.

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

Известен термодилатометрический способ исследования физико-механических свойств полимеров, позволя- . ющий определить температуру стеклования материала по его деформациям в процессе нагрева. В этом способе используется 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 измерительной 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 свойстно 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 образец нагревают 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 мин охлажцают образец до комнатйой температуры, измеряя для каждой температуры оптическую разность хода в

l0 данной точке образца. После построен;;я зависимости оптической разности хода от температуры образца, температура стеклования материала определяется по точке перегиба на . графике изменения оптической разности хода при охлаждении (2) .

Недостатком способа является то, что он применим только к оптически чувствительным, прозрачным полимерам, требует точного измерения оптической разности хода в процессе эксперимента на поляризационной устанонке с компенсационным устройством .и термостата со стеклянными окнами.

Цель изобретения - упрощение процесса определения температуры стеклования.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения температуры стеклования полимерных материалов, нключающему нагрев образца, сжатого винтами в металли ческой обойме, до температуры высокоэластического состояния материала и последующего охлаждения его, образец включают в сигнальную -цепь. регистрирующую момент размыкания и замыкания образца с обоймой, определяют минимальный интервал температур, в верхнем пределе которого сиг-"

40 нальная цепь замыкается, а в нижнемразмыкается, и определяют среднюю температуру. интервала, являющуюся температурой стеклования полимерного материала.

4 .температурный интервал стеклования определяется путем периодического повышения и понижения темпера-. туры в термостате с последующей выдержкой при этой температуре таким

5О образом, чтобы при понышении температуры происходило замыкание сигнальной цепи образцом, а при понижении — размыкание. Амплитуда изменения температур носит затухающий характер и уже после 3-4 циклов колеблется в пределах 1-2 С.

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

<0 схема устройства для определения температуры стеклования.

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

1061049. 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,, помещает,ся в термостат и нагревается до температуры высокоэластического состояния материала. Электрическая цепь при этом замкнута и сигнальная лампочка горит.

Затем температуру в термостате понижают до тех пор, Пока сигнальная лампочка электрической цепи не погаснет. После этого температуру в термостате поднимают на 5-10 С до температуры, при которой сигнальная цепь замкнется и лампочка загорится. Эта температура поддерживается в термостате 10 мин для достижения равномерного прогрева образца и обоймы. Затем температуру в тер-. мостате постепенно понижают до

3-7 C до момента размыкания сигналь

Ф ной цепи и также выдерживают образец при температуре размыкания сети около 10 мин. Цикл повторяют несколько раэ, постепенно уменьшая. амплитуду изменения температур в термостате. Время выдержки образца при каждом цикле увеличивают до 10

15 мин. После 5-6 цикла температура: замыкания и размыкания сигнальной цепи происходит в интервале темпео

:ратур 0,5-1,5 С 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 стеклований 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 ма- териала в стеклообраэном и в высокоэластическом состояниях.

При нагреве образца в нем возникают. упругие деформации стеклообразного состояния материала, которые в переходной области переходят в высокоэластические деформации и воз растают при дальнейшем нагревании образца пропорционально температуре нагрева.

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

При температуре перехода полимерного образца в стеклообразное состо« яние, оставшиеся деформации в образце фиксируются, после чего свободный

106 80С

Tcò Тер

Температура стеклования материала, определенная способом измерения .оптической разности хода в образце согласно прототипу, составляет 105 С. Расхождение результатов экспериментов объясняется погрешностями графи60 ческой обработки. результатов по известному способу.

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

$5 стеклования его равна 102,6 С. конец образца отделяется .от винта

10 обоймы за счет теплового сокращения материала. Сигнальная цепь при .этом размыкается и момент размыкания регистрируется. При повышении тем.тературы на несколько градусов де)5 формации 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 эпоксид40 ного материала с размерами 100х10х х5 мм, сжатый винтом в .алюминиевой обойме, (фиг. 2),включается в электрическую цепь с сигнальной лампочкой, помещается в термостат и нагревается 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:

1061049

Составитель Ю. Койнаш

Редактор Л. Авраменко ТехредЛ.Микеш Корректор M- lllapoum

Заказ 10032/47 Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, Температура образца, определенная по показаниям термопары в конце

6-го цикла, отличается от температуры в термостате в среднем на 1 С, поэтому при практическом использовании способа определения температуры стеклования полимерного материала можно использовать значения температур, определяемые по показаниям кон 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

35 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 котором происходит стеклование .полимерного материала.