Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Свойства компонентов полимерных композиционных материалов. Лабораторный практикум
.pdf
6. Определить степень продольного набухания Ндл (%) из соот-
ношения длины отрезков элементарных волокон до и после выдержки
в смоле или воде по формуле
, (1.2)
где l
– начальная длина волокна, мм; lн – длина волокна после вы-
исх
держки в смоле или воде, мм.
7. Аналогично исследовать все образцы разных элементарных
волокон.
Получаемые результаты
Результаты испытаний и расчетов занести в таблицу 1.2. По полученным данным построить графическую зависимость степени набухания волокон Нт и Н
от продолжительности выдержки t в смоле
дл
и воде.
Таблица 1.2
Свойства волокнистого наполнителя
№
Материал
образца
Смачивающая
жидкость
t,
мин
ρ
раст
г/см
,
d
,
dн,
Н
исх
3
мм
мм
, % 1
т
исх
мм
,
1н,
Н
дл
мм
%
,
1
…
20
40
60
20
40
60
11
2. Определение показателей механических свойств
элементарных волокон
Цель работы – определить механические свойства элементарных
волокон.
Материалы и оборудование
1. Стекловолокно.
2. Углеродные волокна.
3. Полиамидные волокна.
4. Рамки из плотной бумаги для крепления образцов.
5. Ножницы.
6. Пинцет.
7. Клей.
8. Прибор для определения упругих и прочностных характери-
стик материалов .
9. Катетометр.
10. Окулярный микрометр.
Теоретическая часть
Определение механических характеристик элементарных волокон выполняется по ГОСТ 6943.5–79 [3]. Для испытаний применяют
образцы из отрезков элементарных волокон, закрепленных в рамки.
Рамки вырезают из плотной бумаги с длиной прорези (базой) 10 мм и
шириной 5-6 мм (рис. 1.1а и 1.1в).
Нагружение образцов до разрушения производят на специальном
приборе (рис. 1.2). Максимальную нагрузку F фиксируют по шкале
динамометра, а изменение длины волокна ∆l – по шкале деформации
или с применением горизонтального микроскопа (катетометра).
Приращение длины ∆l рассчитывается как разность конечных и
начальных значений длины волокнистого наполнителя по формуле
∆l = l0 – l, (1.3)
где l – конечная длина волокна, мм; l0 – начальная длина волокна, мм.
12
Рис. 1.1. Стадии изготовления образцов (а-д) для механических испытаний
элементарных волокон:
4 – элементарное волокно; 5 – клей; 6 – надрез; 7 – зажимы
1 – прорези; 2 – линии отреза; 3 – линия сгиба;
Рис. 1.2. Установка для определения разрушающего напряжения и
модуля упругости волокон:
стойка; 6 – маховик со шкалой деформаций
5 –
1 – динамометр; 2 – рычаг; 3 – зажимы; 4 – волокно;
13
Последовательность выполнения работы
2.1. Определение разрушающего напряжения
при растяжении волокон
1. Нанести на одну половинку рамки клей и пинцетом уложить
волокно параллельно краю рамки (рис. 1.1б), не касаясь рабочей части волокна. Рамку сложить пополам и склеить.
2. При помощи окулярного микрометра определить диаметр волокна d, закрепленного в рамке.
3. Склеенную рамку надрезать с одной стороны (рис. 1.1г) и установить в зажимы прибора для определения разрушающего напряжения и модуля упругости волокон (рис. 1.2). После установки образца в прибор разрезать вторую сторону рамки (рис. 1.1д).
4. Вручную начать вращать маховик. В момент разрушения образца зафиксировать максимальную нагрузку по показаниям динамометра.
5. Рассчитать разрушающее напряжение волокна при растяжении
σ
(МПа) по формуле
р
, (1.4)
где F – разрушающая нагрузка, Н; d – диаметра волокна, мм.
6. Провести исследования не менее чем 3-х образцов одного и то-
го же элементарного волокна. Рассчитать среднее арифметическое
значение измеряемых и рассчитанных показателей.
7. Аналогично исследовать все образцы разных элементарных
волокон.
2.2. Определение модуля упругости
при растяжении волокон
1. На рабочей части волокна для замера его удлинения сделать
две метки на расстоянии 25 мм ниже и выше середины образца.
14
2. Рамку с волокном (рис. 1.1г) установить в зажимы прибора для
определения разрушающего напряжения и модуля упругости волокон
(рис. 1.2).
3. Разрезать стороны рамки (рис. 1.1д) и подать предварительную
нагрузку на образец (10-15 % от разрушающей) для равномерного натяжения.
4. Катетометром измерить расстояние между метками.
5. Постепенно повышать нагрузку, регистрируя удлинение образца l при различных усилиях.
6. Рассчитать модуль упругости волокна Ер (МПа) для каждого
замера удлинения:
, (1.5)
где ∆F – приращение нагрузки, Н; ∆l – приращение удлинения, мм;
d - диаметр волокна, мм.
Приращение нагрузки рассчитывается как разность конечных и
начальных значений нагрузки волокнистого наполнителя по формуле
, (1.6)
где F0 – начальная нагрузка, Н, Fn – нагрузка при различных удлинениях образца, Н.
7. Провести исследования не менее чем 3-х образцов одного и того же элементарного волокна. Рассчитать среднее арифметическое
значение измеряемых и рассчитанных показателей.
8. Аналогично исследовать все образцы разных элементарных
волокон.
Получаемые результаты
Результаты испытаний и расчетов занести в таблицу 1.3.
15
№
образца
Таблица 1.3
Испытания на растяжение волокон по ГОСТ 6943.5–79 [3]
№
l0,
F,
l,
∆F, Н ∆l,
d,
σр,
Материал
опыта
мм
Н
мм
мм
мм
МПа
1
Е
,
р
МПа
1
2
3
Среднее арифметическое
значение
1
…
2
3
Среднее арифметическое
значение
3. Определение угла смачивания поверхности
элементарного волокна
Цель работы – определить влияние характера обработки поверх-
ности элементарных волокон на их смачивание жидкими полимерными связующими.
Материалы и оборудование
1. Стекловолокно.
2. Углеродные волокна.
3. Полиамидные волокна.
4. Ненасыщенная полиэфирная смола.
5. Эпоксидная смола.
6. Термошкаф.
7. Кювета для определения смачиваемости по методу «сидячей»
капли.
8. Прибор для определения угла смачивания методом Адама-
Шютте.
9. Микроскоп.
16
10. Пинцет.
11. Ножницы.
12. Шприц.
Теоретическая часть
Эксплуатационные характеристики композиционных материалов
существенно зависят от поверхностных взаимодействий в системе
наполнитель - полимер.
Взаимодействие элементарных волокон с полимерными материалами определяется процессами смачивания их олигомерными композициями и характеризуется скоростью смачивания.
О способности к смачиваемости наполнителя судят по равновесному краевому углу смачивания Θ. В зависимости от угла Θ разли-
чают несмачивание, частичное и полное смачивание (рис. 1.3) поверхности.
Для получения качественных композиционных материалов краевой угол смачивания должен находиться в пределах от 0° до 80°, то
есть происходит частичное или полное смачивание. Чем меньше угол
смачивания, тем лучше проходит процесс смачивания и тем более качественной оказывается связь в системе наполнитель - полимер.
а) б) в)
Рис. 1.3. Краевой угол смачивания:
а) полное несмачивание; б) частичное смачивание; в) полное смачивание
Для определения краевого равновесного угла смачивания элементарных волокон наибольшее распространение получили два метода:
17
1. Метод «сидячей капли». Этот метод основан на определении
геометрических параметров малой капли, находящейся на волокне.
Капля считается малой, если она удовлетворяет условию
, (1.7)
где rm – радиус капли, мм; γ – поверхностное натяжение жидкости,
Н/м; ρ – плотность жидкости, г/см3; g – ускорение свободного паде-
ния, Н/кг.
Радиус капли rm должен находиться в пределах 2r0< rm < 3r0 (где
r0 – радиус волокна). Малые размеры капли и незначительная протяженность периметра смачивания обеспечивают возможность быстрого достижения равновесия.
При проведении эксперимента используют специальную кювету
(рис. 1.4). Геометрические размеры капли (рис. 1.5), необходимые для
расчета угла смачивания, определяют под микроскопом.
Рис. 1.4. Схема прибора для определения угла смачивания
по методу «сидячей капли»:
1 – капля смачивающей жидкости; 2 – покрывное стекло; 3 – кювета;
4 – волокно; 5 – смачивающая жидкость
2. Метод Адама-Шютте. Этот метод основан на явлении выро-
ждения мениска у плоского или цилиндрического образца, наклонно
погруженного в жидкость. Явление вырождения предполагает изменение формы мениска под воздействием внешних воздействий
(рис.1.7б). Для измерения углов смачивания жестких волокон (стеклянных, углеродных и т.п.) применяется специальное устройство (рис.
1.6), позволяющее определять угол смачивания Θ непосредственным
отсчетом в пределах 25-120°.
18
Рис. 1.5. Геометрические параметры капли полимера на волокне:
r0 – радиус волокна; rm – радиус капли; z* – расстояние между точками,
определяющими радиус капли и половинное значение радиуса капли
Для изучения влияния термообработки поверхности элементарных волокон на их смачиваемость используются две группы наполнителей. В первой группе обработка волокна не производилась, она
остается в первоначальном виде (без обработки). Вторая группа волокон подвергается термической обработке для удаления замасливателя
(вещества, нанесенного на волокна или нити для склеивания элементарных волокон и защиты поверхности волокон от механических повреждений в процессе переработки). Стеклянные волокна помещают-
ся в термошкаф и выдерживаются при температуре 300 °С в течение
30 мин, а углеродные выдерживаются при 400 °С в течение 1 часа.
Последовательность выполнения работы
3.1. Определение угла смачивания
по методу «сидячей капли»
1. В углубление кюветы 3 с помощью шприца залить смачиваю-
щую жидкость (смолу) 5 (рис. 1.4).
2. Волокно 4 аккуратно разместить в пазах кюветы.
3. Для образования капли 1 кювету 3 встряхнуть, чтобы смачи-
вающая жидкость 5 «осела» на волокне 4.
19
4. Установить кювету на предметный столик микроскопа, на-
строить изображение и определить радиус между точками z*, радиус
волокна r0 и радиус капли rm (рис. 1.5).
5. Убедиться, что выполняется соотношение 2r0 < rm < 3r0.
6. Вычислить соотношения ξ* и Xm по формулам
, (1.8)
(1.9)
и с помощью таблиц из приложения 1 определить значения угла смачивания Θ. Так как в расчетные формулы входят безразмерные вели-
чины, увеличение микроскопа и размерности не важны.
7. Провести исследования не менее чем 3-х образцов одного и то-
го же элементарного волокна. Рассчитать среднее арифметическое
значение измеряемых и рассчитанных показателей.
8. Аналогично исследовать все образцы разных элементарных
волокон.
Рис.1.6. Схема устройства для определения угла смачивания
элементарных волокон по методу Адама-Шютте:
1 – корпус; 2 – кювета со смачивающей жидкостью; 3 – смачивающая жидкость;
4 – винт для фиксирования кюветы по вертикали; 5 – зажим;
6 – волокно 7 – коленчатый держатель; 8 – валик; 9 – головка;
стопорный винт; 11 – шкала отсчета; 12 – катетометр
10 –
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]