Отчёт по лабораторной работе Стеклование

Министерство образования и науки РФ

МИРЭА - РОССИЙСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт тонких химических технологий им. М.В.Ломоносова Кафедра физики и химии материалов имени Догадкина Б.А.

Отчёт по лабораторной работе “ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ НАГРУЖЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ НА ДЕФОРМАЦИЮ ПОЛИМЕРОВ”

Выполнила:

студентка группы ХЕБО-11-18 Ефремова О.Б.

Проверил: Емельянов С.В.

Москва 2020

Оглавление

1. Введение

Термомеханический метод

Термомеханический метод основан на определении величины деформации в зависимости от температуры, при этом характер прилагаемой нагрузки может быть различным: нагрузка может быть постоянно действующая или периодически прилагаемая на определенный промежуток времени, при этом фиксируется деформация полимерного тела при каждой температуре и выбранном времени действия силы. Этот метод является наиболее распространенным методом экспериментального определения температуры стеклования и температуры текучести, что помогает определить температурный интервал, в котором имеет смысл переработка полимера, и температурный интервал работы изделия из данного материала . Графическая зависимость деформации образца от температуры называется термомеханической кривой. [4]

Рис. 1. Термомеханическая кривая аморфного полимера I – стеклообразное состояние полимера; II – высокоэластическое состояние полимера; III – вязкотекучее состояние полимера

Температура стеклования - температура, при которой не кристаллизующееся или не успевающее закристаллизоваться вещество становится твердым, переходя в стеклообразное состояние, обозначается Тс.

Температура стеклования также является одной из основных характеристик полимеров. Полимеры при температурах выше температуры стеклования находятся в пластичном состоянии, а при температурах ниже температуры стеклования- в твердом и достаточно хрупком состоянии. [3]

Цель работы: построение термомеханической кривой для полиметилметакрилата (ПММА) в режиме деформации сжатия. Влияние режимов нагревания и охлаждения

2. Объекты и методы исследования Объекты исследования:

Полиметилметакрилат - синтетический виниловый полимер метилметакрилата, термопластичный прозрачный пластик.

Плотность: 1,18 г/см³ Температура плавления: 160°C

Формула: (C5O2H8)n

Название ИЮПАК: Poly(methyl 2-methylpropenoate)

Хим. формула: (С5O2H8)n

Размягчается при температуре стеклования Тс = 1100С, в вязкотекучее состояние переходит при температурах выше 160-180 °С, при 300-400 °С в вакууме практически количественно деполимеризуется. [5]

Метод исследования:

Данный образец исследовался методом динамической термомеханометрии

(ДТМ).

Кривые ДТМ получают на приборе Александрова-Гаева, работающем в режиме деформации сжатия (точнее – динамической ползучести при сжатии) и температурах от –180 до +200°С. Прибор предназначен в основном для испытания сшитых эластомеров (или очень высокомолекулярных линейных полимеров) в стеклообразном и высокоэластическом состояниях. Основные его узлы схематически изображены на рис. 1.

Образец полимера в форме цилиндра помещается между нижним столиком, вертикальное положением которого фиксировано гайкой, и верхним подвижным штоком. Синусоидально изменяющаяся нагрузка создается вращающимся эксцентриком, деформирующим верхнюю

пластину мягкой рессоры. Усилие с нижней пластины рессоры через соединенный с ней верхний шток передается на образец. Подобная конструкция рессоры обеспечивает постоянную амплитуду напряжения и "мягкое"воздействие на образец, исключающее его разрушение в стеклообразном состоянии.

Устройство регистрации амплитуды деформации образца состоит из зеркальца, закрепленного на нижней пластине рессоры, лампыосветителя и шкалы с делениями, на которой видно отраженное зеркалом световое пятно. Поскольку зеркальце через шток контактирует с образцом, то амплитуда его деформации прямо пропорциональна амплитуде (размаху) перемещения светового пятна по шкале прибора.

Частоту вращения эксцентрика (0,015; 0,15; 1,5 или 15,0 с−1 ) выбирают установкой штифта фиксатора в одно из четырех отверстий на кожухе 4- ступенчатого редуктора (на рис. 1 не показаны). В ходе данной лабораторной работе использовались частоты 0,15 и 15 с−1 .

Температурный режим испытания задают с помощью термостата, представляющего собой соответствующий сосуд с хладагентом (для отрицательных температур) или трубчатую печь,надеваемую на блок образца и фиксируемую с помощью платформы на вертикальной штанге. Температуру образца регистрируют с помо термопары и градуированного миллиамперметра. Для данного прибора программируемое линейное во времени повышение температуры не предусмотрено. Скорость повышения температуры устанавливают с помощью ЛАТРа подачей на обмотку печи соответствующего напряжения(обычно не более 60 В). [2]

Рис. 2. Прибор Александрова-Гаева

1 - эксцентрик

2 - шток

3 - мягкая рессора

4 - испытуемый образец

5 - столик

6 - термопара

7 - зеркальце на призме

3. Результаты и их обсуждения

В ходе работы, были получены следующие значения деформации при заданных частотах в ходе нагревания и охлаждения.

Табл. 1. Измерения

Рис. 3 Зависимость деформации от температуры для ПММА

На данном графике показан переход ПММА из стеклообразного в высокоэластическое состояние, т.е. зависимость деформации от температуры при Тс. Стеклование – релаксационный переход, определяемый величиной отклика системы на внешнее воздействие.

Различие зависимостей на графике (рис. 3) обусловлено различием в частоте воздействия силы на образец. Если время воздействия силы на

образец намного больше времени релаксации материала , то

силы рел,

система успевает отреагировать на нагрузку (рис. 3, кривая =0,15 Гц).

Если время воздействия силы на образец намного меньше времени

силы

релаксации материала , то система не успевает отреагировать на

рел,

нагрузку (флуктуационная сетка не успевает перегруппироваться) (рис. 3,

кривая =0,15 Гц). Температура стеклования образца при различных видах нагружения и режима воздействия (нагрев/охлаждение) различна. После цикла нагрева образец обладает энергией запаса и не успевает отреагировать. На графике зависимости деформации от температуры, температуры стеклования разные в различных режимах (нагрев\охлаждение) при одной величине действия силы.

Полимер, находящийся в высокоэластическом состоянии, может потерять способность к большим деформациям, если уменьшить продолжительность действия силы (ω=0,15 Гц). Полимер становится малодеформируемым, как бы стеклообразным, не только при охлаждении до Тс , но и при более высокой постоянной температуре с уменьшением продолжительности действия силы или с ростом действия силы (ω=15Гц). При этом наблюдается механическое стеклование. Структурное стеклование наступает при Т=Тс, механическое при τ=t, т.е. когда критерий Деборы D=1. При механическом стекловании структура полимера не фиксируется, тепловое движение сегментов не прекращается. Однако скорость теплового движения оказывается меньше скорости действия силы, и заметные деформации не успевают развиваться. Полимер ведет себя как застеклованный. [1]

Табл. 2. Зависимость Тс от частоты воздействия силы и от режима (нагрев/охлаждение)