Исследование прочности полимерной матрицы под влиянием температурно-временного фактора

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Исследованиям временной зависимости пластических масс посвящено достаточно много научных трудов отечественных и зарубежных ученых. Основателем термофлуктуационной теории твёрдых тел можно считать С.Н. Журкова [1]. Дальнейшее развитие этой теории получило в фундаментальном труде В.А. Петрова, А.Я. Башкарева, В.И. Веттегреня [2], В.В. Носова [3] и других отечественных ученых [4–8], которые проводили исследования применительно пар трения, на таких материалах, как полиамид ПА6, полиамид ПА66, полиамид ПА12, полиамид ПА54, полиамид ПА610.

В связи с интенсивным развитием водных и воздушных беспилотных изделий высокую востребованность получил спирторастворимый полиамид ПА-6/66-3. Он представляет собой продукты поликонденсации капролактама и соли АГ в различных соотношениях. Он устойчив к воздействию углеводородов (керосин, бензин и др.), кетонов, эфиров масел и щелочей. В виде порошка может быть использован в качестве покрытий на металлические поверхности.

Однако, для указанного полиамида ПА6/66-3, в литературе имеется ограниченное количество информации об использования его в виде покрытий, получаемых из дисперсного порошка. Причем известные исследования посвящены вопросам адгезии. В тоже время недостаточно изученным остается вопрос поведения полиамида ПА6/66-3 в виде покрытия под влиянием температурно-временного фактора при наличии сил адгезии.

Методика исследований

Для экспериментального определения предела прочности полиамида ПА6/66-3 под влиянием температурно-временного фактора необходимо соблюдение выполнения следующего алгоритма:

• изготовление кассетных матриц, при использовании которых можно было получать шесть образцов, для разрушения;
• просеивание полимерного порошка с целью получения одинаковых размеров частиц для всех образцов;
• преднамеренная выдержка в печи образцов при заданной температуре;
• экспериментальное установление предела прочности каждого образца;
• использованием CAE программ для обработки полученных результатов, в частности для получения предела прочности.

Особенность конструкции кассеты заключается в том, что она состоит из тонкой медной пластины, алюминиевой фольги, калибратора размера образца и двух фиксаторов. Сборка кассеты осуществлялась в следующей последовательности. На медную пластину укладывалась алюминиевая фольга и затем присоединялась к калибратору. Все три детали скреплялись фиксаторами. Далее в отверстия калибратора засыпался полимерный порошок, излишки которого удалялись. Таким образом, каждый образец формировался из одинакового количества порошка, что обеспечивало одинаковую толщину расплавленного покрытия. С целью повышения производительности проведения экспериментов осуществлялась интеграция образцов в одну структурную единицу — устройство, показанное на рис. 1, как это было сделано в работах [5, 9]. Повышение точности исследований обеспечивалось за счет многократного разрушения одинаковых образцов, при этом, предел прочности находился в виде среднеарифметического от испытания шести образцов. Полученное значение соответствовало одной точке на графике.

Рис. 1. Структурная единица — устройство для объединения образцов: a — устройство с медной пластиной; b — устройство с медной пластиной и алюминиевой фольгой; c — устройство с оплавленным полимером; d — образцы после испытаний.

Fig. 1. Base unit (device used to combine samples): a, device with a copper plate; b, device with a copper plate and aluminum foil; c, device with molten polymer; d, samples after testing.

Определение численных значений скорости синтеза и деструкции прочности полимера под действием теплового поля осуществлялось путем выдержки образцов в печи при следующих значениях температуры 200, 230, 260, 290, 320, 350°С. Неизменное значение температуры поддерживалось встроенной в печи вентиляцией, которая позволяла достигать разницу температур менее одного процента. Например, при температуре 230°С отклонение значений в любом месте печи не превышало 2°С. Продолжительность пребывания образцов в печи регистрировалось цифровым хронометром.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Целью данного этапа эксперимента являлось обнаружение этапа синтеза прочности полимера и построение соответствующей кривой, определение точки перегиба и кривой термодеструкции. Для температур 360, 320, 290, 260 и 230°С достаточно было двенадцать интервалов температур выдержки образцов в печи для получения графиков синтеза и деструкции прочности полимера. Особые условия эксперимента потребовались для температуры оплавления полимера 200°С. В частности, для построения графика синтеза прочности достаточно было три интервала времени нагрева образцов в то время, как для определения графика деструкции полимера потребовалось 18 диапазонов термонагрузки. В целом за одну серию экспериментов разрушению подвергалось 480 образцов. Повышение точности экспериментов обеспечивалось трехкратным повторением опытов.

Численные значения роста и падения прочности, полученные в результате опытов, сделали возможным построение графиков зависимости прочности полимера при различных температурах оплавления порошка ПА 6/66-3 в зависимости от времени выдержки в печи представлены на рис. 2.

Рис. 2. Графики изменения прочности во времени при различных температурах спекания полимера П 6/66-3.

Fig. 2. Graphs of strength behavior in time at different sintering temperatures of polymer P 6/66-3.

Анализ полученных зависимостей, представленных в виде графиков, позволяет установить физическую сущность процессов, протекающих в полимерном слое при оплавлении порошка. Для создания математических моделей, описывающих процессы изменения прочности от времени действия температуры, потребовались дополнительные опыты в диапазоне времени от 0 до 30 с выдержки образцов в печи. В указанном диапазоне времени наблюдается синтез (рост) прочности полимера

По результатам эксперимента были получены данные, представленные в виде графических зависимостей. Для более полного изучения полученных результатов, необходимо было провести подробное математическое описание процесса изменения прочности в зависимости от времени выдержки образцов в печи. Здесь необходимо напомнить, что покрытие формировалось на тонкой алюминиевой фольге. Это осуществлялось умышленно с целью определения предела прочности полимера при наличии адгезионных связей. Этапы роста и падения предела прочности полимерного покрытия нужно рассматривать в отдельности.

Долговечность — срок службы полимерного покрытия зависит от процесса синтеза прочности, поэтому математическое описание следует начать с этого процесса. На рис. 3 показаны результаты экспериментальных исследований. В диапазоне температур от 230 до 350°С, при которых протекает процесс оплавления частиц полимера, время синтеза — роста прочности составляет от 30 до 90 с. Фактически за это время полимерное покрытие приобретает максимальное значение предела прочности. Для построения линии тренда достаточно двух точек. Отдельно следует рассмотреть период оплавление полимера при температуре 200°С. Для получения качественной картины синтеза прочности и математической модели потребовалось четыре точки на графике в первые минуты нагрева образцов.

Приведенный график (рис. 3) показывает, что закон роста-синтеза прочности можно представить как линейную зависимость прочности на этапе оплавления порошка. Для математического описания периода синтеза прочности полимера требуется рассмотреть графики, представленные на рис. 4, характеризующие рост прочности. Для построения графиков во внимание принимались два численных значения при каждой температуре, одна из которых соответствовала нулевому значению предела прочности. Вторая точка соответствовала минимальному численному значению предела прочности, полученному за минимальное время оплавления порошка. Здесь за минимальное время оплавления принимается интервал времени, соответствующий началу пленкообразования, соответствующий процессу поперечной сшивки полимерных связей [5, 9].

Рис. 3. Изменение прочности полимерного материала в диапазоне времени от 0 до 350 с.

Fig. 3. Polymer strength behavior in the time range from 0 s to 350 s.

Рис. 4. Зависимости роста прочности полимера от времени оплавления при разных температурах.

Fig. 4. Dependences of polymer strength growth on melting time at different temperatures.

Передача тепла полимерному порошку, как и многие процессы теплопередачи носит нестационарный характер. В связи с чем получение значений максимальной прочности полимерного покрытия требует знания минимального значения времени, в течение которого протекает этот процесс. Под наименьшим временем оплавления следует понимать такой интервал, который соответствует формированию пленкообразования за счет образования новых структурных групп и макромолекул [5, 9]. Наименьшее время, в процессе проведения эксперимента, устанавливалось методом последовательных приближений. Данный метод основан на установлении времени, соответствующего не всеобъемлющему расплавлению частиц полимера. Партии образцов помещались в печь через определенные промежутки времени. Сначала на первых образцах определялось время полного оплавления полимерного порошка. Долее следующие образцы извлекались из печи раньше на 15–20 с. Применение метода последовательных приближений позволило получить точки, расположенные на прямой роста.

Уравнения прямых прочность — время, для разных температур оплавления полиамида приведены ниже:

температура 350°С

${\sigma }_{в}=2,4048t$, (1)

температура 320°С

${\sigma }_{в}=1,6993t$, (2)

температура 290°С

${\sigma }_{в}=1,4033t$, (3)

температура 260°С

${\sigma }_{в}=1,0753t$, (4)

температуры 230°С

${\sigma }_{в}=0,8654t$, (5)

температура 200°С

${\sigma }_{в}=0,3885t$, (6)

где σ_в — предел прочности, МПа; t — время спекания, с. Коэффициент при времени спекания имеет размерность — МПа/с, что соответствует скорости роста-синтеза прочности.

Угол наклона прямых, согласно рис. 4, зависит от температуры. В свою очередь тангенс угла наклона прямой соответствует скорости роста прочности полимера при расплавлении отдельных частиц. График зависимости тангенса угла наклона прямой (скорости роста прочности) от времени спекания, приведен на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость скорости роста прочности от температуры спекания.

Fig. 5. Dependence of strength growth rate on the sintering temperature.

На рис. 5 вместе с экспериментальной зависимостью построена аппроксимирующая прямая, уравнение которой можно принять в виде:

$V\sigma =0,0123T-2,0754$, (7)

где Vσ — скорость роста прочности МПа/с; T — температура оплавления.

Таким образом, оказалось, что скорость роста прочности имеет линейную зависимость от температуры оплавления.

Используя данные математическим выкладки можно сделан вывод о том, что температура оплавления полимерного порошка обусловливает скорость роста прочности. Зависимость скорости роста прочности от температуры представляет явно выраженный линейный характер.

Изменение коэффициентов в уравнениях прямых скорости роста прочности, подлинно показывают зависимость от температуры плавления.

Обобщая полученные результаты и делая вывод относительно этапа роста, можно сказать, что процесс роста прочности поддается достаточно простому математическому описанию.

Переходя к рассмотрению периода падения прочности, обратимся к графикам, построенным на основании опытов и изображенных на рис. 6.

Рис. 6. Графики зависимости падения предела прочности от времени нахождения в печи при различных температурах спекания.

Fig. 6. Dependence graphs of tensile strength loss and the time spent in the furnace at different sintering temperatures.

На рис. 6 показаны графики зависимости предела прочности от времени спекания при различных температурах, а также произведена аппроксимация экспериментальных кривых. Первоначально, аппроксимация производилась экспоненциальными контурами тренда, т.е. характер изменения прочности во времени казалось, носил экспоненциальную выраженность, но после проведения уточняющих стадий эксперимента, пришли к мнению, что целесообразнее перейти к линейному характеру.

По экспериментальным данным были построены аппроксимирующие прямые описывающие зависимость изменения предела прочности от времени спекания полимера, которые могут быть описаны следующими выражениями:

При температуре 350°С

${\sigma }_{в}=-0,0840909t+79,5414780$, (8)

При температуре 320°С

${\sigma }_{в}=-0,0234812t+70,2245071$, (9)

При температуре 290°С

${\sigma }_{в}=-0,0072032t+72,0640143$, (10)

При температуре 260°С

${\sigma }_{в}=-0,0018547t+73,4126772$, (11)

При температуре 230°С

${\sigma }_{в}=-0,0006742t+75,1000949$, (12)

При температуре 200°С

${\sigma }_{в}=-0,0009374t+74,7189685$, (13)

где σ_в — предел прочности полимера; t — время нахождения образцов в печи.

Для построения математической модели процесса падения прочности, как и в случае ее роста, необходимо определить зависимость тангенса угла наклона прямой (скорости падения прочности) от температуры спекания. Остается вопрос, как объяснить, предел прочности при температуре 200°С падает больше, чем при температуре 230°С. Необходимо более тщательно проанализировать участок падения предела прочности.

Проведение дополнительных, уточняющих экспериментов участка падения прочности рис. 7 показали ранее не обнаруженные результаты.

Рис. 7. Уточняющие графики.

Fig. 7. Refinement graphs.

Оказывается, термическая деструкция полимера протекает до обусловленных значений предела прочности и имеет выраженную точку перегиба. Причем как до неё, так и после графики описываются линейными зависимостями. Однако точка перегиба имеет численные значения, находящиеся ниже допустимых предельных значений.

При рассмотрении уточняющих графиков, наблюдаются участки, на которых уже практически не наблюдается падения прочности полимера. Таким образом, можно считать, что падение предела прочности достигает какого-то значения, в нашем случае это порядка 32–35 МПа.

Из уравнений прямых (см. рис. 7) видно, что свободный член уравнения для температуры спекания 350°С (102,39 МПа) отличается от свободных членов других линейных уравнений (≈ 73 МПа). Такое отличие можно объяснить тем фактом, что на реальных графиках изменения предела прочности во времени переход с участка роста на участок падения происходит плавно. Кроме того, можно сказать, что имеется участок, на котором предел прочности фактически не меняется. Данный участок при различных температурах имеет свои временные рамки существования, но при построении математической модели пренебрегаем этим участком, вследствие его малого существования по времени спекания. Из-за пренебрежения этим участком, в теоретической модели происходит смещение по временной оси прямой падения прочности, что приводит к уменьшению значения свободного члена линейного уравнения прямой падения. После проведения уточняющих мероприятий, можно построить график зависимости скорости падения прочности от температуры спекания. Данная зависимость приведена на рис. 8.

Рис. 8. График зависимости скорости падения прочности от температуры спекания.

Fig. 8. Dependence graph of strength loss rate and the sintering temperature.

Из рис. 8 видно, что зависимость скорости падения предела прочности от температуры спекания носит экспоненциальный характер и описывается выражением:

$V{\sigma }_{п}=6е-12{е}^{0,0698}Т$, (14)

где Vσ_п — скорость падения прочности МПа/с; T — температура спекания.

Относительно экспоненциального закона зависимости скорости падения прочности — деструкции полимера от температуры спекания, можно сказать следующее: на экспоненциальной кривой можно выделить два участка, на которых поведение скорости падения прочности существенно отличаются. Так для температур спекания меньше 300–310°С, скорость падения прочности достаточно мала, а для температур ниже 240–250°С скорость падения прочности вообще близка к нулю.

ВЫВОДЫ

Таким образом, установлено, что закон роста-синтеза прочности можно представить как линейную зависимость от температуры спекания образцов. Указанная температура определяет скорость роста прочности, причем зависимость скорости роста прочности от температуры носит явно выраженный линейный характер.

Касаясь вопроса об изменении коэффициентов в уравнении прямой скорости роста прочности, можно сказать, что они достоверно зависят от температуры плавления.

На основании проведенных экспериментов можно дать рекомендации применительно технологии изготовления изделий из дисперсного полиамидного материала по достижению оптимальным режимов переработки его в изделия. Например, если учесть, что температура плавления составляет порядка 170°С, то оптимальные рамки для осуществления температурных воздействий на полимерное изделие составляют 200–240°С.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Автор статьи одобрил ее рукопись (версию для публикации).

Источники финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Оригинальность. При создании настоящей работы авторы не использовали ранее опубликованные сведения (текст, иллюстрации, данные).

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали один рецензент, член редакционной коллегии и научный редактор издания.

ADDITIONAL INFORMATION

Author contributions: The author approved the version of the manuscript to be published.

Funding sources: No funding.

Disclosure of interests: The author has no relationships, activities, or interests for the last three years related to for-profit or not-for-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality: No previously obtained or published material (text, images, or data) was used in this study or article.

Generative AI: No generative artificial intelligence technologies were used to prepare this article.

Provenance and peer review: This paper was submitted unsolicited and reviewed following the standard procedure. The peer review process involved one reviewer, a member of the editorial board, and the in-house scientific editor.

Об авторах

Александр Александрович Соловьев

Автор, ответственный за переписку.
Email: asolneva@mail.ru
SPIN-код: 9393-1497

старший преподаватель кафедры деталей машин и подъемно-транспортных механизмов, аспирант

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Структурная единица — устройство для объединения образцов: a — устройство с медной пластиной; b — устройство с медной пластиной и алюминиевой фольгой; c — устройство с оплавленным полимером; d — образцы после испытаний.

Скачать (375KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Графики изменения прочности во времени при различных температурах спекания полимера П 6/66-3.

Скачать (138KB)

Метаданные

4. Рис. 3. Изменение прочности полимерного материала в диапазоне времени от 0 до 350 с.

Скачать (135KB)

Метаданные

5. Рис. 4. Зависимости роста прочности полимера от времени оплавления при разных температурах.

Скачать (166KB)

Метаданные

6. Рис. 5. Зависимость скорости роста прочности от температуры спекания.

Скачать (99KB)

Метаданные

7. Рис. 6. Графики зависимости падения предела прочности от времени нахождения в печи при различных температурах спекания.

Скачать (164KB)

Метаданные

8. Рис. 7. Уточняющие графики.

Скачать (174KB)

Метаданные

9. Рис. 8. График зависимости скорости падения прочности от температуры спекания.

Скачать (116KB)

Метаданные