Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Механика композитных материалов 2 1980

..pdf
Скачиваний:
6
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
11.16 Mб
Скачать

УДК 611.08:678.067

Н. И. Острецова, А. Н. Неверов

ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ ЖИВОГО ОРГАНИЗМА НА ВУЛКАНИЗАЦИЮ СИЛИКОНОВОГО КАУЧУКА*

Одним из перспективных способов эндопротезирования является инъ­ екционный, при котором композиция в жидком виде вводится в ткани организма, где и происходит ее отверждение. Такие композиции на ос­ нове полисилоксанов используются, например, для объемной пластики мягких тканей [1, 2].

Подбор алломатериалов для исправления определенных дефектов контуров тела человека до сих пор проводился на основании изучения физико-механических свойств полимерных материалов, полученных вул­ канизацией на воздухе при комнатной температуре. Так как при инъек­ ционном введении полимера структурирование его происходит внутри ор­ ганизма, такой подбор алломатериалов не всегда правомерен. Поэтому представляло практический интерес исследовать кинетику вулканизации и динамику изменения свойств материала, образующегося при отверж­ дении полимера непосредственно в организме.

Исследования проводили на ненаполненных вулканизатах полидиметилсилоксанового каучука СКТН. В качестве сшивающего агента использовали тетраэтоксисилан (ТЭС). Катализаторами служили октоат олова (0 0 ) или диоктилдилаурат олова (ДОДЛО), обладающие низкой токсичностью [3]. Соотношение катализатора и сшиваю­

щего

агента во всех

опытах составляло 1 1. Концентрация вулканизующей системы

(ВС)

во всех опытах

не превышала 2 мае. ч. на 100 мае. ч. СКТН. Вулканизацию кау­

чука осуществляли в живом организме, на воздухе и во влажной среде при разных тем­ пературах. Определяли вязкость отверждающихся композиций и степень сшивки поли­ мера на разных стадиях вулканизации с момента инъекции до достижения предельной степени структурирования полимера. Условную вязкость определяли методом падаю­ щего шарика [4]. Величину степени сшивки полимера рассчитывали, исходя из данных по равновесному набуханию образцов в толуоле или по равновесному модулю. Метод набухания использовали при исследовании твердых резиноподобных материалов. Геле­ образные материалы испытывали методом релаксации напряжения при сжатии. Из кри­ вых релаксации определяли величину равновесного модуля. Биологический эксперимент проведен на 39 морских свинках. Композиции инъецировали подкожно.

Известно, что одним из факторов, определяющих пригодность отверж­ дающейся жидкой полимерной композиции для введения в организм инъ­ екционным способом, является ее жизнеспособность, которая определя^- ется временем, необходимым для достижения системой определенной вязкости. На основании клинического опыта мы считаем, что композиция должна сохранять текучесть в течение не менее 15—20 мин. При этом значение предельной вязкости, позволяющей инъецировать композицию обычным хирургическим шприцем, составляет 0,02 м2/с, что в наших опытах соответствовало условной вязкости 200 с.

На рис. 1 представлены данные по изменению вязкости композиций с разными количествами ВС. Как видно из рисунка, композиция с

* Доклад, представленный на II Всесоюзную конференцию по проблемам бномеха ники (Рига, апрель 1979 г.).

2 мае. ч. ОО + ТЭС обладает низкой жизнеспособностью, отверждение ее происходит быстро, и при введении такой композиции в организм про­ цесс сшивания полимера начинается уже на воздухе, а в организме лишь заканчивается. В результате свойства материала, образующегося в орга­ низме, сходны со свойствами материалов, полученных на воздухе. Так, при испытании на сжатие величина модуля упругости образцов, вулка­ низованных на воздухе, составляла 1,57 ±0,01 МПа, а в подкожной клет­ чатке — 1,52±0,03 МПа. В случае получения конечных продуктов в виде гелей, которые по механическим свойствам наиболее подходят для заме­ щения жировой и мышечных тканей [5], процессы сшивания полимера почти полностью протекают в организме.

Исследование вязкости композиций, отверждающихся на воздухе при разных температурах (рис. 2), позволило нам рассчитать энергию акти­ вации процесса вулканизации СКТН, которая составляла 30,5 кДж/моль. Такое относительно невысокое значение величины энергии активации свидетельствует о слабой температурной зависимости процесса и позво­ ляет пренебречь разницей в температуре тела человека (37° С) и мор­ ских свинок (39° С) при анализе результатов эксперимента.

На рис. 3 представлены кривые релаксации напряжения для гелеоб­ разных материалов, полученных вулканизацией в течение 24 ч на воздухе при 22° С, 37° С и в живом организме.

Процесс отверждения каучука СКТН вулканизующей системой ОО + ТЭС достаточно хорошо оценивается по кривым изменения равно­ весного модуля (рис. 4). Как видно из рисунка, скорость процесса струк­ турирования каучука существенно зависит от температуры, концентра­ ции ВС и окружающей среды: Так, у композиции с 1,2 мае. ч. ОО + ТЭС начальная скорость структурирования каучука по изменению величины

равновесного модуля

составляет при 22° С 0,78 МПа-ч и при

37° С

1,7 МПа-ч (кривые 2,

3). В физиологическом растворе сшивания

кау­

чука не происходит. Предельное значение равновесного модуля мате­ риалов не зависит от температуры, хотя при более высокой температуре оно достигается быстрее. При вулканизации каучука в живом организме начальная скорость процесса сшивания ниже, чем при той же темпера­ туре на воздухе, и составляет всего 0,5 МПа- ч (кривая 1). Кроме того максимальная степень сшивки полимера в организме ниже, чем при вул­ канизации аналогичной системы на воздухе. Особенно заметное разли-

Рис. 1. Изменение условной вязкости СКТН в процессе вулканизации на воздухе. Кон­ центрация ОО + ТЭС, мае. ч./100 мае. ч. СКТН: 1 — 0,8; 2 — 1,0; 3 — 1,5; 4 — 2,0. Рис. 2. Влияние температуры на скорость вулканизации СКТН на воздухе. Концентра­ ция ОО+ТЭС — 0,8 мае. ч./ЮО мае. ч. СКТН. Температура, СС: 1 — 6; 2 — 22; 3 — 37; 4 — 53.

Рис. 3. Кривые релаксации напряжения гелей, полученных вулканизацией СКТН в тече­ ние 24 ч в разных средах. /, 2 — живой организм; 3, 4 — воздух, 22° С; 5 — воздух 37° С. Концентрация ОО + ТЭС: 1, 3, 5 — 1,2 мае. ч., 2, 4 — 0,9 мае. ч.

чие в механических свойствах материала наблюдается при получении в организме слабосшитых гелей (кривые 4, 5). Процесс отверждения композиции с низким содержанием ВС (0,9 мае. ч.), приводящий на воздухе к образованию мягкоэластического материала, напоминающего жировую ткань, в подкожной клетчатке либо выражен очень слабо, либо вообще не идет.

Такая разница в свойствах материалов может объясняться влиянием на процесс вулканизации факторов среды живого организма, из которых первостепенным можно считать более высокую по сравнению с атмосфер­ ной влажность среды. Так как в живом организме всякое инородное тело сразу же после имплантации окружается тканевой жидкостью, можно считать, что полимерный материал in vivo находится в условиях 100% влажности. Данные по изменению степени сшивки каучука (рис. 5) по­ казывают, что вулканизация композиций с 0 0 на воздухе проходит быст­ рее, чем в живом организме, и при этом достигается более высокая сте­ пень сшивки (кривые 1, 2). Поскольку 0 0 очень нестоек к гидролизу, можно предположить, что в живом организме, так же как при избытке влаги на воздухе, часть катализатора гидролизуется. Это приводит к снижению его активности и, как следствие, к уменьшению степени сшивки полимера. Если катализатора в системе было мало, он полностью теряет свою активность, и сшивания полимера в организме не про­ исходит.

Одновременно с опытами по вулканизации СКТН с применением в качестве катализатора соединения двухвалентного олова нами были по­ ставлены эксперименты с ДОДЛО, в котором олово проявляет валент­ ность, равную четырем. ДОДЛО проявляет большую стабильность к гид­ ролизу, чем 0 0 , и в противоположность последнему катализирует про­ цесс вулканизации СКТН только при контакте с влагой. Поэтому мы предположили, что в живом организме вулканизация композиции с ДОДЛО будет протекать интенсивнее. Результаты наших исследований по вулканизации каучука системой ДОДЛО + ТЭС представлены в таб­ лице и на рис. 5 (кривые 3—5).

Даже визуальные наблюдения показывают (см. табл.), что среда жи­ вого организма оказывает инициирующее влияние на процесс вулкани­ зации. Так, композиция, содержащая 0,9 мае. ч. ВС, не отверждающаяся на воздухе даже во влажной среде, в организме превращается в гель. Этот факт еще раз подтверждает тезис: никакая модельная среда не мо­ жет полностью заменить опыты in vivo. Возможно, вследствие того, что ранее влияние среды организма на химические процессы в полимере не учитывалось, до сих пор в медицинскую практику предложены для инъ­ екции лишь единичные композиции.

Рис. 4. Изменение равновесного модуля в процессе вулканизации СКТН: 1, 4 •— живой организм; 2, 5 — воздух, 22° С, 3 — воздух, 37° С. Концентрация ОО + ТЭС: 1 3

1,2 мае. ч.; 4, 5 — 0,9 мае. ч.

Рис. 5. Влияние среды и катализатора на структурирование СКТН: 1 ,3 — жнвон орга­ низм; 2, 4 — воздух, 22° С; 5 — вода, 22° С. Катализатор: 1, 2 — ОО + ТЭС; 3 5

ДОДЛО + ТЭС.

Время

 

Концентрация ДОДЛО+ТЭС, мае. ч. на 100 мае. ч. каучука

 

 

 

0,9

 

 

 

2.0

 

с начала

 

 

 

 

 

 

вулканизации,

 

воздух

вода,

 

воздух

вода,

ч

Ж И В О Й

Ж И В О Й

 

 

 

 

 

организм

22° С

37° С

22° С

организм

22° С

37° С

22° С

3

ж

Ж

Ж

Ж

р

ж

ж

Ртс

22

с г

Ж

Ж

Ж

р

с г

сг

Ртс

27

с г

Ж

Ж

Ж

р

с г

сг

Ртс

46

г

Ж

Ж

Ж

р

г

г

Ртс

92

г

Ж

Ж

Ж

р

г

г

Ртс

96

г

Ж

Ж

Ж

р

г

г

Ртс

200

г

Ж

Ж

Ж

р

р

р

Ртс

Примечания: ж — жидкость; сг — слабый гель; г — гель; р — резина; ртс — ре­ зина, образующаяся в тонком слое.

Результаты определения по набуханию числа элементарных звеньев макромолекул между узлами вулканизационной сетки показывают (см. рис. 5), что вулканизация каучука системой ДОДЛО + ТЭС на воздухе при умеренной влажности (кривая 4) проходит очень медленно, хотя по густоте пространственной сетки конечный продукт реакции аналогичен продукту, образующемуся в тонком слое, контактирующем с водой (кри­ вая 5). В живом организме (кривая 3) достигается более высокая сте­ пень структурирования полимера (и притом по всей массе). Мы объяс­ няем это явление спецификой среды живого организма. Согласно пред­ ложенной схеме механизма вулканизации полидиметилсилоксана [6] структурирование полимера тетраэтоксисиланом в присутствии четырех­ валентного олова невозможно без наличия влаги. В присутствии влаги на первом этапе вулканизации происходит гидролиз оловоорганического катализатора с образованием кислоты и гидроксильного производного олова:

О

 

 

II

 

 

(СН3) (СН2) 10- С

 

 

\о

с8н17

 

\

х

+

 

Sn

X

\

 

о

С8Н17

 

X

 

 

(СНз) (СН2) 10- С

 

 

О

 

 

О

II

+ НОН ^ (СНз) (СН2),оСООН+ (СНз) (СН2) 10- С ч

I

С8н17

о

\ X Sn—ОН

X

с 8н 17

Последнее реагирует с ТЭС, образуя кремннйоловоорганическое соеди­ нение, которое фактически и является сшивающим агентом. В живом ор­ ганизме благодаря высокой влажности гидролиз ДОДЛО возможен. Од­

нако выделение кислоты в процессе реакций приводит к повышению кислотности в месте инъекции и вызывает ответную реакцию организма, которая заключается в нормализации pH буферными системами самого организма. Поскольку гидролиз ДОДЛО — реакция обратимая, посто­ янное удаление кислоты приводит к смещению равновесия в сторону образования гидроксильного производного олова вплоть до полного ис­ чезновения ДОДЛО. Это и способствует более быстрому и полному про­ теканию вулканизации в среде живого организма.

Таким образом, в результате исследований показано, что живой орга­ низм может являться и инициатором и ингибитором реакций сшивания полимеров. Этот факт необходимо учитывать при разработке полимер­ ных композиций, отверждающихся непосредственно в организме.

Выводы. Установлено, что процесс вулканизации жидкого силиконо­ вого каучука СК.ТН в живом организме существенно зависит от химиче­ ской природы катализатора. Организм ускоряет этот процесс, если сши­ вание каучука происходит в присутствии диоктилдилаурата олова (Sn+4) и замедляет, когда катализатором служит октоат олова (Sn+2).

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Д аурова Т. Т., Дыхно Ю. А., Острецова Н. И. Силиконовый каучук и его исполь­ зование в пластической хирургии. — Материалы 7-й конф. хирургов Сев. Кавказа. Став­

рополь, 1968, с. 285—286.

2. Д аурова Т. Т., Острецова Н. И., Неверов А. Н. Силиконы для объемной пластики мягких тканей, их свойства после имплантации. — Полимеры в медицине, 1976, т. 6,

3, с. 124— 133.

3.Токсические свойства оловооргапических соединений. (Рекомендации для разра­

ботчиков и потребителей.) М., 1978, с. 22, 34.

4. ГОСТ 8420—57. Методы испытаний. Определение условной вязкости.

5. Острецова Н. И., Н еверов А. Н. Изучение физико-механических свойств различ­ ных видов биотканей с целью подбора материала аллопротеза. ■— Механика полимеров,

1975, № 4, с. 744—747.

6. Северный В. В., Минасьян Р. М., М акаренко И. А., Бизюкова Н. М. Механизм «холодной» вулканизации низкомолекулярных полиорганосилоксановых каучуков. —

Высокомолекулярные соединения. Сер. А, 1976, т.

18, № 6, с. 1276— 1281.

Институт хирургии им. А. В. Вишневского

Поступило в редакцию 10.05.79

АМН СССР, М осква

 

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 539.3:677.5

К. Е. Перепелкин, А. Б. Геллер

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН

Все более широкое применение химических волокон в композитных материалах тре­ бует решения вопроса о возможности прогнозирования их свойств на основе данных о свойствах компонентов. Для использования углеродных волокон в материалах, работают щих в условиях переменных температур, в частности в тепловыделяющих слоях нагрева­ тельных элементов, необходимо иметь сведения о температурной деформации самих волокон. Имеющиеся немногочисленные сведения в этой области относятся в основном к температурным коэффициентам линейного расширения (ТКЛР) композитных материа­ лов на основе углеродных волокон [1—4]. Однако в работе [2] сделана попытка опреде­ лить ТКЛР углеродного волокна в высокотемпературной (500 К) области, а в работе [3] даны отдельные цифры по ТКЛР углеродных металлизированных волокон. Данные по температурным деформациям кристаллического графита [5—7] показывают ряд анома­ лий его термических свойств, которые, однако, не могут быть перенесены на углеродные волокна без соответствующих экспериментальных исследований.

Всвязи с изложенным были проведены более полные исследования особенностей по­ ведения углеродных волокон в процессе их температурной деформации.

Вкачестве объектов исследования были взяты углеродные волокна с различной сте­ пенью упорядоченности структуры (различной степенью графитизации), характеристики которых приведены в таблице.

Образец II имел значительно менее упорядоченную структуру.

На основании анализа ряда дилатометрических методов и приборов [8] был скон­ струирован вертикальный оптический дилатометр с базой 400 мм, обеспечивающий не­ обходимую точность измерений. Схема его приведена на рис. 1. Градиент температур по длине канала дилатометра замерялся восемью термопарами ХК и составлял 2° С в интервале температур —70—20° С и 1° в интервале температур до 250° С. Цена деления

каждого из горизонтальных микроскопов с окулярными микрометрами составляла 1,25 мм, что обеспечивало измерение деформаций порядка 6 - 10—с см на 1 см длины образца. Выбранная схема дилатометра является относительной, что исключает необхо­ димость калибровки по образцу с известным ТКЛР, однако при отработке методики были проведены измерения на нитях плавленного кварца и медной проволоке диаметром 0,25 мм. Полученные данные удовлетворительно совпали с литературными [8].

Измерения в интервале температур от —70 до 20° С проводили в режиме нагрева­ ния со скоростью подъема температуры 2 град/мин; в интервале температур 20—250° С — в режиме нагревания и охлаждения со скоростью 1 и 2 град/мин соответственно. На каждом образце измерения проводили пятикратно. Для удобства обработки результатов

измерения за базовую температуру была

принята температура 30° С. Опыты показали,

что в интервале температур от

—70 до

180° С температурная деформация углеродного

волокна с более упорядоченной

структурой (образец I) оказывается отрицательной и

практически линейной. При дальнейшем повышении температуры происходит уменыпе-

Обра-

Температура

Прочность,

Модуль упру-

Межплоскост-

зец

графитацнн,

кгс/мм2

гости,

ное расстояние,

 

°С

 

кгс/мм2

нм

I

1800

300

15 000

0,343

п

900

120

11 000

0,360

Рис. 1. Схема вертикального оптического дилатометра. 1 — ввод для жидкого азота; 2 _ латунный корпус; 3 — образец; 4 — горизонтальные микроскопы с окуляр-микрометрами; 5 — реперные от­ метки на образце; 6 — источник света; 7 — регистрирующая термопара; 8 — регистрирующий при­ бор; 9 — задатчик линейного подъема температуры; 10 — термопара задатчика температур; 11 _ нагревательный элемент.

Рис. 2. Температурная зависимость относительной деформации углеродных волокон с различной упорядоченностью структуры: I, II — образцы.

Рис. 3. Температурная зависимость ТКЛР кристаллического графита в направлении слоев (1) н углеродных волокон с большей — образец I (2) и меньшей — образец II (3) упорядоченностью.

ние скорости деформации, и при температуре порядка 250° С изменение деформации с температурой равно нулю (кривая I рис. 2).

Для углеродного волокна с менее упорядоченной структурой (образец II) абсолют­ ное значение величины температурной деформации меньше, чем для образца I, но со­ храняются линейность деформации, ее знак и температурные интервалы линейности (кривая II рис. 2). Для обоих образцов кривые нагревания и охлаждения практически идентичны, и гистерезис отсутствует.

Особенностью линейного расширения углеродных волокон оказалось то, что с по­ вышением температуры длина волокна уменьшается, т. е. возникает явление отрицатель­ ного линейного расширения — линейного сжатия. Само по себе подобное явление для твердых тел изучалось достаточно подробно. Известны металлы [9] и ионные кристаллы [10], обладающие всесторонним температурным сжатием, объясняющимся структурными превращениями. Имеется ряд работ [11— 14], в которых приводятся данные об отрица­ тельных коэффициентах линейного расширения кристаллитов ряда полимеров.

Для объяснения природы подобного явления ряд авторов прибегает к представле­ ниям об увеличении амплитуды вращения вокруг С—С связей с температурой. Такая трактовка не может быть применена для углеродных волокон, так как структура угле­ рода в плоскостях кристаллитов является циклической и каждый углеродный атом явля­ ется «троесвязанным».

Углеродное (графитированное) волокно имеет аморфно-кристаллическую структуру, причем кристаллиты представляют собой слоистые «микрокрнсталлы» графита [15]. Для слоистых кристаллов явление отрицательного линейного расширения в плоскости слоев может быть объяснено аномальностью закона дисперсии колебаний в енльноанизотропных средах [16], что феноменологически сводится к следующему.

В основе механизма линейного расширения гомодннамическнх твердых тел лежит явление увеличения среднего межатомного расстояния вследствие энгармонизма колеба­ ния атомов. В гетеродинамических структурах, в частности, в слоистых кристаллах, на­ ряду с продольными колебаниями, приводящими к росту линейных размеров слоя, возни­ кают изгибные колебания, уменьшающие эффективный размер слоя в его плоскости, но

увеличивающие его поперечные размеры.

Из данных по температурным деформациям углеродных волокон на рис. 2 видно, что для волокон с различной упорядоченностью структуры критерием величины которой могут служить приведенные выше данные по условиям графитации, величина модуля упругости и межплоскостное расстояние в кристаллитах, уменьшение упорядоченности структуры («аморфизация») приводит к уменьшению по абсолютной величине темпера­

турной деформации волокна.

Как указывалось [17], при сравнении свойств различных волокон желательно пользо­ ваться общим для этих волокон параметром, характеризующим исследуемые свойства.

Так, для явления температурной деформации таким параметром является температура Дебая. Поэтому критерием того, какой из механизмов линейного расширения определяет результирующую деформацию образца, служит отношение температуры Дебая к темпе­ ратуре опыта. Для углеродных волокон температура Дебая 0и превышает 1300 К, т. е. опыт удовлетворяет условиям, полученным в работе [16] для превалирования волн из­ гиба. Аналитическое выражение для ТКЛР слоистых структур в плоскости слоев приво­ дит к температурной зависимости а ~ — (770 д)'/2. В то же время для углеродных воло­ кон, только частично включающих участки слоистой структуры, эксперимент дает при­ мерно постоянные значения а в интервале температур от —70 до 180° С (200—350 К), что может быть объяснено превалирующей ролью ТКЛР неупорядоченных участков

волокон.

ТКЛР аморфного углерода положителен

и

имеет

значения порядка

2 0 - 1 0-6

1 /град [8], т. е. влияние неупорядоченных участков

структуры на ТКЛР

воло­

кон и должно быть значительным.

 

 

 

 

С целью сравнения изучаемых материалов (волокон)

на рис.

3 представлены

дан­

ные по температурной зависимости коэффициента линейного расширения кристалличе­ ского графита (кривая 1) по данным работ [5—7] и углеродных (графитированных) волокон с различной упорядоченностью структуры: более высокой — образец I (кри­ вая 2) и более низкой — образец II (кривая 3). Из этих данных хорошо видно, что по мере уменьшения упорядоченности структуры от кристаллического графита до образца II в рассматриваемом температурном диапазоне абсолютная величина ТКЛР уменьша­ ется, хотя он остается отрицательным. Следует заметить, что для еще менее упорядочен­ ной структуры аморфного углерода ТКЛР становится положительным [8].

Таким образом, проведенные исследования показали роль упорядоченности струк­ туры углеродных волокон в формировании хода температурной зависимости и величине их ТКЛР. Линейное расширение углеродных волокон, как и кристаллического графита в плоскости слоя, является отрицательным и достаточно малым по величине. Показано, что отрицательному ТКЛР может быть дано объяснение в рамках представления об аномальном законе дисперсии колебаний в сильно анизотропных структурах.

Авторы приносят благодарность Л. И. Фридману и А. А. Малкову за представлен­ ные для исследований образцы волокон.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Pirgon О., Wostenholm G. Н., Yates В. Thermal expansion at elevated tempera­

tures. IV. Carbon-fibre composites. — J. Phys. D: Appl. Phys., 1973,

vol 6,

p. 309—321.

2. Лукина Э. IO., Колесников С. А., Пекин В. М. Тепловое расширение углерод-уг-

леродных материалов. — Изв. АН СССР. Неорган. материалы,

1977,

т. 15, № 8,

с.1429'— 1433.

3.Кобец Л. П., Петров 10. Н., Гуняев Г М., Терентьева Л. М., Догадкин А. М., Нагорный Н. Д. Свойства металлизированных углеродных волокон и армированных ими пластиков. — В кн.: Авиационные материалы. М., 1977, с. 88—96.

4. Ishikaw a

Т., Koyama К-, Kobayashi S. Thermal expansion coefficients of

uni­

directional composites. — J. Composite Materials, 1978,

vol. 12, April, p. 153— 168.

Phys.

5. Riley D. P. The thermal expansion of graphite. II. Theoretical. — Proc.

Soc., 1945, vol. 57, p. 486—495.

 

 

 

6. Вяткин С. E., Д еев A. H., Нагорный С. Г Островский В. С., Сигарев А. М.,

Соккер Г. А. Ядерный графит. М., 1967. 280 с.

 

 

 

7. Ш улепов С. В. Физика углеграфитовых материалов. М., 1972. 256 с.

 

 

8. Новикова С. И. Тепловое расширение твердых тел. М., 1974. 292 с.

 

 

9. Фридман

Я ■ Б. Специальные стали, имеющие

аномалии теплового

расширения

и температурного

коэффициента модуля упругости. —

Качественная сталь,

1937,

№ 1,

с.47—54.

10.Хвольсон О. Н. Курс физики. Изд. 5-е. Т. 3. Берлин, 1923. 396 с.

11.Davis G. Т., Eby R. К., Colson J. Thermal expansion of polyethylene unit cell: effect of lamellar thickness. — J. App. Phys., 1970, vol. 41, p. 4316—4326.

12.Swan P. R. Polyethylene unit cell variations with temperature. — J. Polymer Sci., 1962, vol. 56, p. 403—407.

13.Гойхман А. Ш., Осокин Г. А., Конкин А. А. Исследование теплового расширения кристаллической решетки у-формы поликапроамида. — Высокомолекулярные соедине­ ния. Сер. А, 1968, т. 10, № 7, с. 1642— 1648.

14. Годовский Ю. К. Теплофнзнческне методы исследования полимеров. М.,

1976. 216 с.

15. Конкин А. А. Углеродные и другие жаростойкие материалы. М., 1974. 376 с.

16.Лифшиц И. М. О теплоемкостях тонких пленок и игл при низких температу­ рах. — Жури, эксперим. п теор. физики, 1952, т. 22, № 4, с. 475—486.

17.Перепелкин К. Е. Структурная обусловленность механических свойств высоко­ ориентированных волокон. М., 1970. 72 с.

Ленинградский филиал с экспериментальным заводом

Поступило в редакцию 20 07 79

Всесоюзного научно-исследовательского

'

и проектного института искусственного волокна

Механика композитных материалов,

 

1980, № 2, с. 350—353

УДК 539.6:678.01

И. В. Воронин, Э. К■Кондрашов

ВЛИЯНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОГО ИЗГИБА НА СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ

Многие современные конструкционные материалы работают в условиях цикличе­ ского нагружения и при воздействии агрессивных сред. Вместе с ними в аналогичных ре­ жимах работают и полимерные покрытия, применяемые для защиты конструкций от коррозии или для декоративных и специальных целей. От работоспособности полимер­ ных покрытий в этих случаях часто зависит работоспособность конструкций в целом.

В настоящей работе сделана попытка выявить некоторые закономерности влияния циклического изгиба на работоспособность полимерных покрытий.

В качестве критериев оценки работоспособности покрытий были выбраны прочность покрытий и склонность их к образованию трещин. Прочность покрытий определяли мето­ дом нормального отрыва. При этом к поверхности покрытия приклеивали штампнк и на разрывной машине определяли предел прочности покрытий при постоянной скорости де­ формации, равной 5 мм/мин. Один из зажимов машины был модифицирован для за­ крепления плоских образцов. Погрешность определения прочности составляла 15%. По­ явление трещин в покрытиях фиксировали под микроскопом и электрохимическим методом.

Образцы для испытаний были изготовлены из листового сплава Д16 с плакирующим слоем и без него. Поверхность образцов анодировали в серной кислоте и наполняли анодную пленку в хромпике. Затем образцы окрашивали грунтом ЭП-076 пульверизато­ ром в два слоя и сушили при температуре 90° С в течение 2 ч. Толщина покрытия со­ ставляла 40—50 мкм.

Окрашенные образцы подвергали воздействию симметричного циклического изгиба частотой v = 50—60 Гц. Максимальное напряжение в цикле о-i было различно и рав­ нялось 2— 16 кгс/мм2. Образцы нагружали при температуре 20° С в исходном состоянии, после погружения в 3% раствор NaCI в течение 360 ч, после термостарения при темпе­ ратуре 100° С в течение 500 ч.

При определении прочности покрытий было обнаружено, что разрушение грунта ЭП-076 происходит всегда по когезионному типу. При этом образования трещин в по­ крытиях после циклического нагружения не наблюдали.

Влияние числа циклов нагружения N на прочность покрытий о при о_[ = 10 кгс/мм2 представлено на рис. 1. Независимо от вида субстрата и дополнительного воздействия на образцы наблюдается резкое падение прочности покрытия уже в начальный момент циклического нагружения. Далее происходит стабилизация прочности, зависимость пере­ ходит в линейную с незначительным падением прочности при увеличении числа циклов нагружения. Зависимость прочности покрытий о от числа циклов симметричного изгиба

N можно выразить эмпирическим уравнением

 

 

о = а 0[1 — А ехр( — N0(N )],

О)

где (То — прочность покрытия при N = 0; No, А

константы. Константа

Nо характери­

зует скорость падения прочности и равна числу

циклов нагружения,

после которых