3.1 Исследование деформационно-прочностных свойств полимеров

В данной работе используется разрывная машина РМ-5. Для характеристики прочности образца замеряется нагрузка Р (г), действующая на образец с постоянной скоростью. Если дополнительный груз, весом в 5 кг на маятнике прибора не закрепляется, то отсчеты необходимо производить по круглой шкале прибора с индексом А. Если этот груз закрепляется, то отсчеты производятся по шкале В разрывной машины.

Для характеристики деформации образцов полимеров измеряется их увеличивающаяся длина по линейке прибора в сантиметрах и заносится в таблицу 8, графу 2.

Перед студентами ставится задача снять кривую зависимости напряжения опытных образцов от деформации через каждый сантиметр удлинения. Для этого конец подготовленного образца необходимо закрепить в верхнем неподвижном зажиме разрывной машины. Осторожно! Можно сломать самый чувствительный элемент прибора – призму! Второй конец образца закрепляется в нижнем подвижном зажиме разрывной машины.

Нужно так закрепить образец в зажимах разрывной машины, чтобы длина его рабочего участка соответствовала точно 4 см. Если закрепление пленки произведено правильно, то нагрузка по круглой шкале прибора (индикаторе нагрузки) должна быть равна нулю. Это первое показание необходимо занести в графы 1, 2, таблицы 8.

Таблица 8. Результаты испытаний образца полимера (название) на разрывной машине РМ-5

Длина образца (ι), см	Удлинение образца (Δι), см	Нагрузка образца (ρ)			Относительное удлинение (ε), %		Напряжение образца (υ), МПа
		г	Н
1	2	3	4	5		6
4	0	0	0	0		0
5	1
6	2
…	…

И т.д. до разрыва образца. Длина таблицы может составить примерно 20-25см.

Теперь можно приступать к непосредственным измерениям зависимости напряжения от деформации. Включайте мотор машины РМ-5 и записывайте значения нагрузки Р после удлинения пленки на каждый сантиметр. Одновременно ведите наблюдения за изменением ширины образцов пленок при растяжении. У пленок, полученных из аморфных полимеров (например, из поливинилхлорида) ширина убывает постепенно в процессе растяжения. Если полимер обладает кристаллической структурой, то при растяжении ширина его пленки резко уменьшается с образованием «шейки». В тексте отчета необходимо отметить появление «шейки», если оно было выявлено.

Пример расчета. Допустим. после растяжения образца до 5 см, нагрузка образца составила 1500 г. Записываем это значение в графу 3 табл. 8 для образца 1. Теперь необходимо выразить эту нагрузку в Н. Известно, что 1 кгс = 9,81 Н или 1 кгс ≈ 10Н, поэтому, в начале нагрузку выражают в кгс, а затем в Н. Пример: Необходимо выразить значение 1500г в Н: 1500г – 1,5 кгс = 15Н. Расчетное значение нагрузки в Н записывайте в графу 4, таблицы 8.

Подобные наблюдения, измерения и их регистрацию продолжайте вплоть до разрыва образца. Все результаты заносите в таблицу 8.

Обработка экспериментальных данных.

Удлинение образцов выразите в относительных единицах по формуле (2):

= (2)

где – относительное удлинение, %

- удлинение образца, см

- исходная длина образца, см

Напряжение образцов рассчитывается по формуле (3):

, Па (3)

где - напряжение образца, Па (или МПа, т.е. Па 10⁶)

S – площадь поперечного сечения образца, м² (из графы 7, табл.7)

- нагрузка образца, Н

Полученные данные следует занести в таблицу 8, графы 5, 6.

Пример расчета. Если длина образца ( ) после растяжения рабочая длина составила 5 см, а исходная длина образца ( ) всегда 4 см, то удлинение ( ) будет: При этом относительное удлинение составит:

Теперь рассчитаем значение напряжения образца ( ), толщиной 0,1мм (площадь поперечного сечения составляет 1 10^-6м² ) при нагрузке, равной 1500 г (15Н):

Необходимо выполнить подобные расчеты для всех значений удлинения образцов вплоть до разрыва и внести в таблицу 8, графы 5, 6.

Далее следует выписать значение толщины образца, разрушающего напряжения и относительного удлинения, т.е значения последней строки в таблице 8, (если образец при растяжении разорвался) и сравнить их со значениями этих показателей в соответствующих стандартах. Необходимо сделать вывод о соответствии (несоответствии) испытуемых пленок по данным показателям требованиям стандарта. Желательно назвать возможную причину несоответствия, если оно обнаружено.

Далее по данным таблицы 8 (граф 5, 6) необходимо построить кривую зависимости напряжения ( ) от деформации ( ). Прежде всего, нужно правильно выбрать масштаб рисунка. Рекомендуется выбрать масштаб для максимального значения относительной деформации ( ) примерно вдвое больше по сравнению с масштабом максимального значения напряжения ( ), тогда кривая вытянется вдоль оси ординат и примет типичный вид.

Пример расчета. Допустим, разрывное напряжение образца пленки составляет 23МПа, а относительное удлинение – 385%, то рекомендуется по оси абсцисс отложить 6 см с масштабом 2 см = 10МПа, а по оси ординат 16 см с масштабом 4 см = 100%. После чего нужно нанести на рисунок в виде точек все опытные данные, начиная с нулевой отметки. Рисунок следует подписать, как показано в примере (см. рисунок). Впрочем, можно выбрать и другой масштаб.

На одном рисунке можно совместить кривые для ряда исследуемых полимеров.

100 200 300 ,%

Рисунок. Деформационная кривая (указать название полимерной пленки)

Далее необходимо из учебной литературы [4, с 145 (146), 151; 5, с 453, 456] привести данные о характере структуры исследуемых полимеров (кристаллическая или аморфная). Для аморфных полимеров следует указать возможное физическое состояние пленок (стеклообразное, высокоэластическое) и перенести в отчет рисунки типовых кривых их растяжения (физико-механических кривых), для тех состояний полимеров, которые характерны для испытуемых образцов.

Далее следует сравнить вид типовых кривых, как правило, кристаллических или высокоэластических с экспериментально построенной кривой и сделать вывод об их подобии или различии. Если выявлено существенное различие типовой и экспериментальной кривых растяжения аналогичных по структуре полимеров, то следует углубиться в изучение темы «Надмолекулярные структуры полимеров» [4, с 137; 5, с 425] высказать версию о причинах этого различия. Оформить этот анализ в виде обсуждения результатов, либо вывода.