книги / Механика композитных материалов. 1982, т. 18, 4
.pdfслучай будет соответствовать полностью |
са |
|
COSMp |
|
|
|
|
|
|
|||||
разориентированному |
состоянию, |
обус |
|
|
|
|
|
Jr |
|
. 1 - ' |
i |
|||
ловленному переходом |
от |
«парамагнит |
0,39 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ного» к «диамагнитному» |
направлению |
0,36 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
ориентации сегментов ПС. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Экспериментальная проверка подтвер |
0,33 |
|
|
|
|
£• ^ ■ |
|
|
||||||
дила результаты анализа. Разбавленный |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
раствор атактического ПС в дихлорэтане |
0,30 |
|
|
|
|
|
|
|||||||
выливали на стеклянную подложку, под |
|
|
|
|
4 |
|||||||||
вешенную в межполюсном зазоре посто |
0,27 |
0 |
|
300 |
|
600 |
__ ■ |
LEi |
||||||
янного магнита пермеаметра сильных по |
|
|
|
|
900 |
|
1200 |
|||||||
лей БУ-3, гдо он выпаривался при одно |
Экспериментальные точки и теоре |
|||||||||||||
временном воздействии ОПМП. Получен |
||||||||||||||
тические |
кривые |
зависимости |
сте |
|||||||||||
ные пленки ПС исследовались на ИК |
пени |
|
ориентации |
сегментов |
поли |
|||||||||
спектрометре UR-20 с поляризатором. |
мерной |
цепи |
cos2 ср |
от |
времени |
|||||||||
Значения оптических плотностей /ц |
и / ±, |
воздействия |
магнитного |
поля |
t |
|||||||||
определяющих дихроизм /?, измерялись в |
при |
|
различных |
напряженностях |
||||||||||
максимуме полосы 2851 см-1 от базовой |
поля: |
О |
(---------- ) |
— |
2910 |
Э; |
||||||||
• (--------- ) — 4600 Э; Д (-------- ) — |
||||||||||||||
линии. Экспериментальные |
точки |
cos2cp, |
|
|
|
|
5000 Э. |
|
|
|
|
|||
полученные при различных временах воз |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
действия и напряженностях ОПМП, приведены на рисунке. |
|
|
|
|
||||||||||
По формулам (25), |
(33), |
(34) на ЭВМ «Хыолетт Паккард» был про |
веден по методу наименьших квадратов расчет зависимостей cos2<p (Н, t), значения которых мало отличаются от экспериментальных. Эти кривые также приведены на рисунке. Среднее квадратичное отклонение между экспериментальными и теоретическими значениями составило 0,268%.
При расчете теоретических зависимостей cos2cp(Я,/) (в системе СГСМ) в качестве постоянных задавались лишь следующие величины: грамм-моль звена ПС Мз=Ю5 г, который использовался при определе
нии молекулярной массы |
сегмента МС= ЬМ3; молярная магнитная |
вос |
приимчивость бензольного |
кольца х з= —55*10-6 [9], концентрация |
с= |
= 0,1 г/см3, температура |
Г=293К; постоянная Больцмана £=1,38Х |
ХЮ"16 эрг/К> число Авогадро УУА=6*1023. С помощью ЭВМ на основе минимизации теоретической функции cos2cp были рассчитаны значения
следующих |
постоянных: %\ = 0,74316-10“5; тц = 0,080600-101 П; ri2 = |
= 0,65878* 105 |
П; р, = 0,19057* 101; р2 = 0,76127* 101; 6= 0,79899-101; |
М = 0,98903105.
Обсудим обоснованность полученных величин. %i — значение магнит ной восприимчивости ПС, данные о котором в литературе отсутствуют. Согласно [11] магнитная восприимчивость поливинилхлорида, опреде ленная по методу Гуи, 3,5* 10~6. В силу наличия бензольных колец в ПС приведенное выше значение %i является для ПС вполне реальным. Ц1 — вязкость дихлорэтана. Согласно [12] при 20° С rji = 0,83 П, что очень близко к указанному значению гц. т]2 — «внутренняя» вязкость ПС, характеризующая вращение сегментов внутри клубка. Значение, приведенное выше, соответствует вязкости расплава при 160° С [13] или вязкости концентрированного раствора, содержащего 0,2 массовых час тей ПС при М= 105 [14]. Р1 — отношение полуосей клубка, как эллип соида вращения. Согласно [3] рi=2, что также близко к расчетному зна чению. р2 — соотношение полуосей сегмента; b — число элементарных звеньев в сегменте. Согласно [3] для ПС в 0-растворителе Ь = 7,9, что близко к полученному значению. Значение М — молекулярная масса ПС, приведенное выше, также соответствует возможному средневесо вому значению молекулярной массы для блочного ПС [13].
Таким образом, значения постоянных, полученные из эксперимен тальных и теоретических зависимостей, соответствуют известным в лите ратуре данным, что подтверждает жизнеспособность модели, предло женной нами для описания поведения макромолекул ПС в магнитном поле. Применение подобной модели позволяет вскрыть сущность процес
сов, происходящих в гибкоцепных полимерах при воздействии магнит ных полей и приводящих к изменению макросвойств полимеров, а также определить те структурные элементы, которые ответственны за эти из менения.
СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы
I.Молчанов Ю. М., Кисис Э. Р., Родин Ю. Я. Структурные изменения полимер
ных материалов в магнитном поле. — Механика полимеров, 1973, № 4, с. 737—738.
2.Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей. Л., 1975. 592 с.
3.Цветков В. Н., Эскин В. Е., Френкель С. Я. Структура макромолекул в раство
рах. М., 1964. 720 с.
4.Дорфман Я. Г. О специфике воздействия магнитных полей на диамагнитные
молекулы в растворах. — Биофизика, 1962, т. 7, N° 6, с. 733—734.
5.Най Дж. Физические свойства кристаллов. М., 1960. 385 с.
6.Збинден Р. ИК-спектроскопия высокополимеров. М., 1966. 355 с.
7. Журков С. Н., Сучков В. А., Новак И. И З о си н Л. П. Молекулярная ориента
ция и разрывная прочность полистирола. — Механика полимеров, 1969, № 4, с. 612—615.
8. |
Габараева А. Д., Милагин М. Ф., Шишкин А. И. Экспериментальное определение |
предельного двойного лучепреломления ориентированных полимеров.. — Механика поли |
|
меров, |
1967, № 6, с. 1105— 1109. |
9. |
Дорфман Я. Г. Диамагнетизм и химическая связь. М., 1961. 232 с. |
10. |
Глестон С., Лейдлер К Э йринг Г. Теория абсолютных скоростей реакций. М., |
1948. 583 с.
II. Грифель Б. Ю., Абдуллаев Н. А. Изучение релаксационных переходов в поли
мерах при воздействии магнитных полей. — Азерб. хим. журн., 1972, № 2, с. 105— 107.
12.Справочник химика. М.; Л., 1962, т. 1, 1071 с.
13.Полистирол. М., 1975. 288 с.
14.Хувинк Р., Ставерман А. Химия и технология полимеров. М., 1965. Т. 2. 508 с.
Институт механики полимеров |
Поступило в редакцию 02.11,81 |
АН Латвийской ССР, Рига |
|
УДК 678.2:620.1
/С. Василиу-Опреа, М. Попа
ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА ПРИ ВАЛЬЦЕВАНИИ В ПРИСУТСТВИИ ПОЛИУРЕТАНОВОГО КАУЧУКА
Поливинилхлорид (ПВХ) имеет выраженную полярную химическую структуру, которая придает ему как повышенную жесткость, так и низ кую ударную вязкость. Увеличить ударную вязкость можно путем введе ния в цепь полимера некоторой упругой компоненты, путем сополимеризации полихлорвинила с диэновым мономером и обработкой полимера в присутствии некоторых эластомеров. Часто прибегают ко второму пути, который, однако, приводит к уменьшению прочности на растяжение и тем самым ограничивает возможности использования получаемых про дуктов.
Одновременное улучшение ударной вязкости и прочности может быть достигнуто путем контроля сшивания полимера, чтобы чрезмерно не из менять гибкость фрагментов цепи между двумя поперечными связями [1]. При обработке смесей ПВХ с некоторыми эластомерами, такими, как, например, нитриловый каучук (с 18% содержанием акрилонитрила) [2], такой эффект может быть достигнут путем стимулирования реакций при вивки и блок-сополимеризации, сопровождаемых слабым сшиванием по лучаемых продуктов. Целью данной работы является изучение влияния температуры и продолжительности вальцевания на прочность при растя жении и на ударную вязкость материала (ПВХ, модифицированный эластомером полиуретанового типа) для выявления оптимальных усло вий обработки.
Исследованию подвергался суспензионный поливинилхлорид типа «Драй бленд» CKw=70, в составе которого преобладает фракция размером 80 мкм. Полиуретан был синтезирован из дибензил-диизоцианата, глицерина и адипиновой кислоты со структурой
—C - NH - C6H4 - C6H4- N H - C -O - сн2 -сн-сн2 - о- с-(сн2) 4 - с--
о о он о 6
Смеси этих двух полимеров обрабатывали на лабораторных вальцах. В качестве основ ной рецептуры использовали состав, соответствующий выходу жестких продуктов: 100 г ПВХ-С, 1,5 г стеариновокислого свинца, 1,5 г сернокислого трехосновного свинца, 0,3 г стеарина. Согласно экспериментальной программе, количество вводимого полиуретана изменяли в пределах 1—5% от количества основного полимера (ПВХ-С), температуру обработки изменяли в пределах 150— 190° С, а продолжительность обработки — в пре делах 7—21 мин. Пластины толщиной 1 и 4 мм, применяемые для определения механи ческих свойств материала, были спрессованы под давлением 170 ат в течение 10 мин при температуре 175° С.
Определение прочности па растяжение аР кгс/см2 проводили при скорости нагруже ния 100 мм/мин. Ударную вязкость ак кгс/см2 определяли методом Шарли на образцах
с надрезом, используя маятник массой 0,04 кг. Образцы испытывали сериями по пять штук для каждого определения.
Предварительные эксперименты показали, что на механические свойства модифици рованного ПВХ-С влияют такие параметры, как количество эластомера Х\> температура обработки х2 и продолжительность обработки х3. Были установлены также приемлемые пределы изменения указанных параметров, а именно! Х\ — 0—5%; х2 — 150— 190°С;
*3 — 7—21 мин. Эта область изменения параметров соответствует условиям обработки ПВХ-С вальцеванием.
Кодирование переменных
|
|
Кодирование переменных |
|
||
Реальные переменные |
|
|
|
|
|
|
-U 68 |
•-1 |
0 |
1 |
1,68 |
Добавки полиуретана х и % |
0 |
1 |
2,5 |
4 |
5 |
Температура обработки х2, % |
150 |
158 |
170 |
182 |
190 |
Продолжительность обработки х3, мин |
7 |
9,8 |
14 |
18,2 |
21 |
Для изучения влияния величин хи х2, *з на механические свойства ма териала необходимо определить корреляционную функцию типа [3] у = = ao+ l iaiXi + '2aijXiXj\ i ^ y , где у — измеряемое свойство (функция от клика); Xi — переменные величины, представляющие собой рассматри ваемые параметры; а* — коэффициенты регрессии. Для сокращения числа опытов, необходимых для определения коэффициентов регрессии, использовали центрированный рототабельный композиционный план второго порядка [4]. Кодирование рассматриваемых переменных дано в табл. 1.
Экспериментальная программа, составленная для определения иско мых корреляционных функций и включавшая 20 экспериментов, а также экспериментальные значения прочности на растяжение и ударной вяз кости приведены в табл. 2. Экспериментальные данные обрабатывали методом множественной регрессии [5] при помощи ЭВМ; незначимые ко эффициенты регрессии исключали с помощью теста t при доверительной вероятности 95%.
В результате было получено, что зависимость прочности на растяже
ние ар от рассматриваемых параметров выражается уравнением |
|
стр = 635,88 +14,83*! + 8,64*2*!. |
(1) |
Очевидно, что на ар в первую очередь влияет количество введенного в
исходную смесь полиуретана х\, в то время как влияние температуры х2 сказывается в меньшей мере. На рис. 1 показано изменение прочности на растяжение ар в зависимости от количества полиуретана при различных значениях температуры вальцевания. За исключением температуры
|
|
|
|
|
Табл. 2 |
|
Экспериментальная программа и полученные значения ар и а* |
||||
|
Экспериментальная |
программа |
Функция |
отклика |
|
№ опыта |
|
|
|
прочность на |
ударная |
|
|
|
|
растяжение ар, |
вязкость ак |
|
|
|
|
кгс/см2 |
(кге • см/см2) |
1 |
,- 1 |
— 1 |
- 1 |
630,9 |
0,0339 |
2 |
1 |
- 1 |
- 1 |
647,7 |
0,0385 |
3 |
- 1 |
1 |
- 1 |
643ь3 |
0,0540 |
4 |
1 |
1 |
- 1 |
674,3 |
0,0397 |
5 |
- 1 |
- 1 |
1 |
641,2 |
0,0288 |
6 |
1 |
- 1 |
1 |
631,1 |
0,0486 |
7 |
- 1 |
1 |
1 |
630,6 |
0,0361 |
8 |
1 |
1 |
1 |
672,5 |
0,0296 |
9 |
—1.68 |
0 |
0 |
586,5 |
0,0245 |
*10 |
1,68 |
0 |
0 |
654,8 |
0,0322 |
11 |
0 |
-1 ,6 8 |
0 |
634,7 |
0,0310 |
12 |
0 |
1,68 |
0 |
641,7 |
0,0455 |
13 |
0 |
0 |
-1 ,6 8 |
622,1 |
0,0423 |
14 |
0 |
0 |
1,68 |
623,6 |
0,0328 |
15 |
0 |
0 |
0 |
629,2 |
0,0351 |
16 |
0 |
0 |
0 |
644,7 |
0,0342 |
17 |
0 |
0 |
0 |
632,2 |
0,0371 |
18 |
0 |
0 |
0 |
6347 |
0,0341 |
19 |
0 |
0 |
0 |
638,0 |
0,0369 |
20 |
0 |
0 |
0 |
635,5 |
0,0354 |
150° С, прочность на растяжение линейно увеличивается с увеличением в составе количества полиуретана. Линейная зависимость сгр от темпера туры проявляется при всех уровнях концентрации полиуретана (рис. 2), однако в зависимости от концентрации полиуретана значение Ор при увеличении температуры падает или увеличивается. Это объясняется химическими реакциями между двумя полимерами (прививка—блок-со- полимеризация), которые могут быть инициированы обработкой. Во время вальцевания полимеры подвергаются сильным механическим и тепловым воздействиям, результатом которых является гомолитическое расщепление их главных цепей. Возникающие свободные макрорадикалы активизируют реакции, приводя к деструкции полимеров (с уменьше нием их молекулярной массы) или к сшиванию цепей и укреплению структуры.
Появление блочных и привитых структур определяется также ско ростью деструкции обоих реагирующих веществ. Так, полиуретан, содер жащий в своей структуре ароматические кольца, является более тепло стойким, и его гомолитическое расщепление происходит при относи тельно высоких температурах. Следовательно, до значений температуры, равных приблизительно 170° С, можно ожидать, что макрорадикалы по явятся главным образом за счет ПВХ-С. Тогда при малых количествах полиуретана (<2,5% ) будет преобладать реакция деструкции, проте кающая тем активнее, чем выше температура, что приводит к снижению прочности на растяжение.
С увеличением количества полиуретана возрастает возможность про текания реакции прививки и блок-сополимеризации (особенно при тем пературах >170° С) и усиливается степень участия в этой реакции макро радикалов данного полимера. Следовательно, прочность на растяжение увеличивается при введении в цепи винилхлорида компонента с резко полярными заместителями. Тогда можно предположить, что структуры, получаемые при совместной обработке этих двух полимеров, являются структурами типа
••• -CH,-CH-CH2-CH-0-C-NII-CeH4- C,.H4- |
NH- с- 0 - CH,—сн —СИ, |
О -с - |
|||||
Cl |
CI |
О |
|
|
6 |
о н |
о |
|
|
— сн„ - сн - с н , - с н ~ с н , - с н - |
|
|
|||
|
|
- I |
- |
I |
I |
|
|
|
|
С( |
|
j |
С! |
|
|
|
|
|
- 0 - C - N - C . H . - С , Н - N H - C — |
(11) |
|||
|
|
|
:: |
6 |
4 6 4 |
, |
|
|
|
|
О |
|
|
о |
|
Существование этих структур подтверждаются ИК спектроскопией и турбидиметрическим титрованием, показывающими наличие лишь од-
Рис. 1. Зависимости прочности на растяжение от концентрации полиуретана при разных
значениях температуры вальцевания (указаны на рисунке).
Рис 2 Зависимости прочности на растяжение от температуры вальцевания при разной
концентрации полиуретана (указана на рисунке).
ного компонента в продукте реакции, а также косвенно измерениями вяз кости. Эти измерения показывают, что при концентрациях полиуретана >2,5% и при температурах обработки 170—182° С молекулярная масса увеличивается [6]. Наблюдаемая здесь наибольшая прочность на растя жение, полученная при температуре 190° С и содержании полиуретана 5%, объясняется также реакцией сшивания, развивающейся главным об разом с участием функциональных групп, принадлежащих полиуретану. Реакция сшивания, результатом которой является резкое увеличение жесткости структуры, может быть схематически представлена следую щим образом:
|
|
соон |
|
и |
он |
соо - |
.ССЭИ |
|
|
|
I |
|
|
/ |
|
|
/ |
с=о |
|
|
\ |
|
|
|
|
|
|
/ |
он |
он |
\ |
|
он |
он |
^>-он |
HOOC— / |
|
/ |
|
||
|
\ |
-о—С—' |
|
|||
\ |
|
|
|
|||
|
|
/ |
|
II |
|
|
/ |
|
|
\ |
|
о |
|
\ |
|
|
/ |
|
|
|
но - <^ |
|
|
\ |
|
|
|
|
■-> |
н о - \ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
\ |
|
|
/ |
|
|
|
/ |
|
|
\ |
|
|
|
-соон |
|
|
/ |
|
|
|
|
|
|
\с |
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
С) |
|
|
|
|
|
- о н |
/ \ / |
|
|
Наличие такой структуры подтверждается экспериментальными дан ными, полученными при исследовании растворимости этих веществ. При граничных условиях данной экспериментальной программы (добавка полиуретана = 5%; Г=190°С) выделяются нерастворимые продукты с ог раниченным набуханием в обыкновенных растворителях ПВХ (циклогек санон) [6].
Выдвинутые ранее предположения о природе химических реакций подтверждаются при рассмотрении взаимосвязи между показателями ударной вязкости и параметрами процесса обработки. Зависимость удар ной вязкости аъ. от некоторых переменных *ь *2, *з выражается как
ah= 0,03575 + 0,0028*2 —0,0052*1*2—0,0046*2*3. |
.(2) |
Рис. 3. Зависимости ударной
вязкости от концентрации по лиуретана при различных тем пературах (указаны на ри сунке).
Можно заметить, что концентрация полиуре тана влияет на величину а/г меньше, чем на со противление растяжению. Для ударной вязко сти более ощутимым является совместное влияние концентрации полиуретана и темпера туры обработки *2.
На рис. 3 приведена зависимость ударной вязкости от концентрации полиуретана при различных значениях температур и продолжи тельности вальцевания. Оказалось, что важ ным параметром процесса обработки, опреде ляющим ударную вязкость, является темпера тура. Установлено, что при температуре <170° С ударная вязкость возрастает с увели чением добавки полиуретана. Так как в этих условиях прочность на растяжение сохраня ется постоянной (см. рис. 1), можно предпола
гать, что реакции сшивания отсутствуют и реакции прививки и блок-со- полимеризации протекают неинтенсивно. В результате увеличиваются показатели ударной вязкости полиуретана.
С увеличением температуры реакция между компонентами идет бо лее интенсивно, что должно, казалось бы, привести к увеличению удар ной вязкости. Но так как в этих условиях создаются благоприятные условия для реакции сшивания, то наблюдается обратное явление: по казатели ударной вязкости уменьшаются с увеличением концентрации полиуретана (при Г=190°С) или же сохраняются неизменными (при Т= 170°С), что в свою очередь указывает на относительно слабое сши вание продукта реакции.
При температуре 150° С увеличение продолжительности вальцевания приводит к линейному росту ударной вязкости а/*, тем более очевидному, чем выше содержание полиуретана (рис. 4). Это объясняется тем, что при относительно низких температурах реакция сшивания, вызывающая повышение жесткости структуры, не протекает. В то же время созда ются благоприятные условия прививки и блок-сополимеризации, что и обусловливает возрастающую частоту ввода остатков полиуретанового типа в виде линейных отрезков или ответвлений от главной цепи. Судя по данным эксперимента, увеличение продолжительности обработки благоприятствует указанным реакциям.
При увеличении температуры обработки наблюдается обратное явле ние: с повышением концентрации полиуретана и продолжительности об работки показатели ударной вязкоупругости уменьшаются. По-види мому, при достаточно высоких температурах создаются благоприятные условия для протекания реакций сшивания, обусловленных главным об разом присутствием полиуретана. Чем его больше и чем больше продол жительность вальцевания, тем выше степень сшивания, что и приводит к повышению жесткости структуры и к увеличению прочности на растяже ние (см. рис. 2).
Следовательно, существует некоторая взаимосвязь между характе ром изменения прочности на растяжение и ударной вязкостью. Получен ные экспериментальные данные подтверждают высказанное предположе ние об основных принципах структурообразования.
Уравнения (1) и (2), выражающие взаимосвязь между механиче скими свойствами полученного материала и параметрами, характеризую щими технологический процесс, позволяют установить оптимальные условия последнего. Для этого необходимо определить собственные зна чения матрицы коэффициентов регрессии второго порядка [4], и если все они, без исключения, отрицательны, то в исследуемой нами эксперимен тальной области существует абсолютный максимум.
Анализ уравнений показывает, что поверхность отклика полученных функций не имеет абсолютного максимума в исследуемой нами области,.
Рис. 4. Влияние продолжительности обработки на ударную вязкость при температуре 150 (а) н 190°С (б) и различном содержании полиуретана (указано на рисунке).
|
|
на что указывают также данные ри |
||||||
|
|
сунков. Однако |
можно установить |
|||||
|
|
значения технологических |
парамет |
|||||
|
|
ров, позволяющих существенно уве |
||||||
|
|
личить значения одной из двух ме |
||||||
|
|
ханических характеристик, не изме |
||||||
|
|
няя при этом величины второй ха |
||||||
|
|
рактеристики (рис. 5). Если нужен |
||||||
|
|
материал с повышенной прочностью |
||||||
|
|
на растяжение |
(для |
изготовления |
||||
|
|
изделий, на которые не будут воз |
||||||
|
|
действовать ударные нагрузки), то в |
||||||
|
|
исходную смесь |
необходимо ввести |
|||||
|
|
до 5% полиуретана и подвергнуть |
||||||
|
|
смесь относительно непродолжитель |
||||||
Рис. 5. Оптимальная область обработки |
ному вальцеванию |
(~ 7 |
мин) |
при |
||||
относительно высокой |
температуре |
|||||||
смесей ПВХ-С с полиуретаном. 1,2 — |
||||||||
а Р; 3, 4 — ah. Режимы: 1,3 |
— 190° С, |
(190°С). Материал |
с |
повышенной |
||||
7 мин; 2, 4 — 150° С, 21 |
мин. |
ударной вязкостью |
и |
с |
хорошими |
|||
|
|
показателями прочности |
на растя |
|||||
жение изготовляли при высоких концентрациях полиуретана |
(до |
5%), |
но при другом режиме обработки: время обработки увеличивается, но температура уменьшается до 150° С. И, наконец, относительно большая ударная вязкость и прочность на растяжение, близкая к обычной для ПВХ-С, характерны для материала, полученного в режимах с малой продолжительностью вальцевания (7 мин), высокой температурой обра ботки (190°С) и с небольшой добавкой полиуретана (1%).
Следует добавить, что для практических целей наибольший интерес представляют материалы, получаемые по второму варианту.
Выводы. 1. Интенсивные тепловые и механические воздействия, кото рым подвергаются во время вальцевания смеси ПВХ-С и полиуретана, способствуют протеканию химических реакций между этими двумя поли мерами.
2.Присутствие отрезков полиуретана в цепи ПВХ-С определяет из менение механических свойств последнего.
3.Параметры режима обработки существенным образом влияют на механические свойства получаемых продуктов: увеличение температуры, способствующее протеканию реакций сшивания, ведет к увеличению прочности на растяжение сгр, в то время как увеличение продолжитель ности обработки при небольших значениях температуры способствует протеканию реакций прививки — блок-сополимеризации и ведет к уве личению ударной вязкости а/г.
4.Наилучшим сочетанием механических свойств — сгр, аь — обладает материал, получаемый при относительно высоких концентрациях поли
уретана (5%) путем обработки в течение 21 мин при температуре 150° С.
СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы
1.Deanin R. D. Polymers. Structure, Properties and Applications. Colmer’s Practical
Plastics Series. 1972. 365 p.
2.Vasiliu-Oprea Cl., Popa M. Mechano-chemische Reaktionen des Poly(Vinylchlorids).
II. Optimisierung einiger mechanischen Eigenschaften des |
PVC-S modifiziert durch |
walzen zusammen Nitrylkautschuk. — Colloid a. Polymer Sci.: |
(оттиск). |
3. Onpea К., Петрован С., Попа M. Оптимизация прочности на растяжение поливи
нилхлорида с добавкой бензидииа. — Механика композитных материалов, 1979, № 6,
с.977—981.
4.Cochran W. G.t Сох G. М. Experimental Designs. New York; London; Sydney,
1968.611 р.
5.IBM System В 60 (360A-CM-03 X) Scientific Subroutine Packager. Programmer’s Manuel, Version III. H20-0205-3, 1968, 428 p.
6. Simionescu Cr., |
Vasiliu-Oprea C., Negulianu C. Mechanochemical Synthesis. — |
J. Polymer Sci. Polym. |
Symp., 1978, vol. 64, p. 164. |
Ясский политехнический институт, CPP |
Поступило в редакцию 06.07.81 |
МЕХАНИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ, 1982, № 4, с. 685—689
УДК 611.08:620.1
В. А. Касьянов, Д. Д. Мунгалов, В. М. Витиньш, Д. Э. Паблак
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЕПЕСТКОВ АОРТАЛЬНОГО КЛАПАНА ЧЕЛОВЕКА ПРИ ПЕРИОДИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
1. В настоящее время ведутся поиски оптимальной конструкции и наиболее соответствующих материалов для изготовления надежных и долговечных искусственных клапанов сердца. Все известные клапаны сердца могут быть разделены на три основных типа — шариковые, дис ковые и лепестковые. Последние в свою очередь подразделяются на искусственные клапаны из синтетических материалов, аллоклапаны, ксеноклапаны и клапаны из различных биологических материалов.
Лепестковые биологические клапаны имеют несомненное преиму щество перед остальными типами искусственных клапанов вследствие сохранения центрального потока крови через клапан, свободы от тром боэмболии, отсутствия внезапного разрыва лепестков клапана, бесшум ного их закрытия. Поскольку в настоящее время долговечность алло клапанов и ксеноклапанов недостаточна [1]. актуальной проблемой является создание надежного и долговечного искусственного лепестко вого клапана сердца из синтетического материала. Для успешной раз работки такого искусственного клапана необходимо знание не только гемодинамических характеристик природного аортального клапана [2], но и механических свойств материала лепестков. Необходимость изу чения механических свойств природного материала для правильного подбора его заменителя подчеркивалась неоднократно [3, 4].
Изучению механических свойств лепестков аортального клапана че ловека посвящено всего несколько работ. Исследование характера за висимости напряжение—деформация при одноосном растяжении образ цов проведено в работах [4—6]. Но поскольку аортальный клапан in vivo работает в динамическом режиме нагружения, интерес пред ставляет знание динамических характеристик материала при периоди чески изменяющемся напряженно-деформированном состоянии лепе стка. Поэтому настоящая работа посвящена изучению динамической упругости аортального клапана сердца человека в условиях, близких к физиологическим, с целью определения изменения механических свойств материала при различных частотах нагружения.
2. Для линейного вязкоупругого материала, подверженного действию напряжения, изменяющегося по определенному закону (например, синусоидальному), при установившемся режиме результирующие де формации также будут изменяться по этому закону, но будут запазды вать на определенную фазу Дфд, величина которой зависит от механи ческих свойств исследуемого материала. Комплексный динамический модуль упругости для такого материала может быть определен как Е*ъШ1 = Е' + jE" Здесь Ег — упругий модуль, а Е" — модуль потерь, определяемые по известным формулам E'=(o*/el)cosAcp./<. и Е" = = (a7e*)sin Дф/i, где а* и в* — максимальное напряжение и деформа ция соответственно. Следовательно, если а*, в* и Дфд для данного за кона нагружения могут быть определены экспериментально, то упругая и вязкая части динамического модуля упругости могут быть найдены для заданной частоты изменения нагрузки.
Для этой цели был создан стенд (рис. 1), на котором проводили испытания образцов 1 аортального клапана человека по методу выдувания мембран. Диаметр
отверстия определялся размером лепестка аортального клапана и был равен 0,7 см.
6 |
Форма зажимного |
лабиринта 2 была изго |
|
товлена с учетом требований, предъявляе |
|
|
мых к фиксации образцов из мягкой био |
|
|
логической ткани, |
и обеспечивала полную |
|
герметизацию, отсутствие выскальзывания и |
|
повреждения лепестка клапана. |
|||
|
Изменение |
давления, |
действующего на |
|
|
образец по |
данному закону, осуществляли |
||
|
с помощью электромагнитного пульсатора 3, |
|||
|
питаемого от генератора инфранизких час |
|||
|
тот ГЗ-16 4 через усилитель постоянного |
|||
|
тока УБ-2 5. Величина нижней границы |
|||
|
гидравлического |
давления |
поддерживалась |
|
Рис. 1. Схема испытательного комплекса. |
с помощью |
водяного столба 6 и обратного |
||
Пояснения в тексте. |
клапана 7. |
В процессе эксперимента прово |
дили измерения величины прогиба мембраны h с помощью телевизионного площадемера 8 по величине перемещения флажка 9,
опирающегося на центр мембраны. Масса флажка составила 0,5 г. В качестве измери тельного элемента использовали телевизионную камеру КТП-67 10 с ахроматическим объективом от микроскопа ОМ-12 11 и набором удлинительных колец 12 для получе
ния 50—70% перекрытия поля измерения на экране видеоконтрольного устройства ВК50В60 13. Одновременно проводили измерение давления, действующего на образец /, с помощью тензометрического манометра ТМ-1 14. Преобразование аналогового сигнала от тензометрической модульной системы М-1000 15 проводили с помощью цифрового вольтметра Ф-203 16, синхронно телевизионному площадемеру [7]. Точность
измерения давления составила 0,066 кПа, время одного измерения 20 мс. Весь испы тательный комплекс позволяли проводить двухпараметровую синхронную запись экспе риментальных данных на ЭВМ.
В качестве экспериментального материала использовали лепестки аортального кла пана человека, взятые при аутопсии у лиц в возрасте от 40 до 50 лет, погибших от различных травм, не связанных с сердечными заболеваниями. Эксперименты проводи лись не позднее, чем через 6 ч после забора материала, который хранился в физиоло гическом растворе при / = 20±Г С . Исследовали четыре аортальных клапана. Образцы подвергали периодическому нагружению по закону, близкому к физиологическому за кону изменения давления. Нагружение образцов проводили с частотой до 3,5 Гц.
При периодическом нагружении мембранных образцов изменение давления находилось в пределах от 10,7 до 21,3 кПа. При приложении максимального давления визуально наблюдали, что выдуваемый пу зырек имеет сферическую поверхность. Толщину лепестка измеряли с помощью катетометра К.М-6 с точностью 0,001 мм. Для определения амплитудно-фазовых характеристик материала использовали метод дискретного преобразования Фурье (ДПФ). Ограниченный по полосе сигнал x(t) преобразованием Фурье Р(ы) можно описать эквидистант ной последовательностью отсчетов х(пТ), где Т — интервал дискрети зации по времени, п — номер отсчета сигнала [8]. Эта последователь ность определяет периодически продолженный спектр FT(ш) как его разложение в ряд Фурье:
-Н» |
+оо |
Г(ш) = J * ( 0 exp (-jat)dt; FT(co) = ^ х ( п Г ) exp ( —/ипГ);
+ЯIT |
(/W)«W2n; |
|
J рт(ы) exp |
|F(co)|=0; | <o | > ~ [2л/Т]; |
|
—Л/Г |
|
^ |
Fr (<o)=F(o>); |(0| < i [ 2 Jt/7’].