Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Свойства компонентов полимерных композиционных материалов. Лабораторный практикум
.pdf
Принципиальная схема пространственного расположения волокон
в ПАС типа 4Д показана на рис. 5.1д, а характеристика в таблице 5.1.
Таблица 5.1
Характеристики сбалансированных 3Д, 4Д, 6Д структур
из пучков волокон круглого сечения
Характеристика 3Д 4Д 6Д
Размещение
пучков волокон
Угол между пучками
стержней, градус
Квадратная
сетка
90,0 (в двух
направлениях)
В шахматном
порядке
70,5 (в трех
направлениях)
В шахматном
90,0 (в одном
направлении)
Компактность, % 59,0 68,0 49,4
Пористость Закрытая Открытая Открытая
Близкая к совер-
Изотропия Слабая Хорошая
Жесткость Слабая Хорошая Отличная
Расслоение Легкое Невозможно Невозможно
Минимальная
поверхность
19,7 34,0 24,7
стержней в срезе
плоскостью, %
порядке
шенству
В этой структуре волокна располагаются по четырем направлениям параллельно объемным диагоналям куба. В сбалансированной
4Д ПАС в вершине правильного тетраэдра сходятся четыре длинные
диагонали куба, где каждая из них с тремя другими образует угол
70,5°. ЭПАС располагается в виде треугольной сетки, каждый ЭПАС
имеет шестиугольное сечение и занимает 3/16 объема. Таким образом,
четыре ЭПАС занимают те же ¾ объема, как и в 3Д структуре, а оставшуюся ¼ часть объема занимают открытые макропоры. Структура
в этом случае более тонкая, так как поры чаще, чем в структуре 3Д
рассекаются нитями. Расстояние между центрами ЭПАС в 4Д структуре с пучками волокон диаметром 1 мм составляет 3,31 мм. В 4Д
структуре индекс размера зерен изменяется от 35,35 до 50 пучков во-
71
локон диаметром 1 мм на 1 см2. Это означает, что 4Д структура
тоньше, чем 3Д на 25 %.
В 5Д структуре пять направлений в параллепипеде определяются
четырьмя длинными диагоналями и одним из трех ребер (рис. 5.1з).
Практически это основной пучок волокон, заключенный в 4Д структуру. 5Д структура разработана для такого случая, когда нагрузка
действует в одном направлении, но без риска расслоения. У 5Д
структуры имеются те же преимущества, что и у 4Д: она проста в изготовлении и не дороже сбалансированной 4Д структуры. Как и 3Д
структура, она имеет осевую симметрию четвертого порядка относительно основного направления, что упрощает теоретические расчеты
механических и теплофизических свойств изделий из таких усиленных в одном направлении 5Д структур.
В 6Д структуре все ЭПАС расположены в направлении малых
диагоналей куба. Если нагрузка действует в двух направлениях, то
используют 6Д структуру, которая отличается от 5Д структуры тем,
что два основных пучка ориентированы под углом 90° в одной плоскости по ребрам куба (таблица 5.1) и связаны четырьмя более тонкими пучками, размещенными, как в 4Д структуре.
Материалы и оборудование
1. Медная проволока.
2. Линейка.
3. Ножницы.
4. Мерный стакан (мензурка).
5. Электронные весы.
6. Катетометр или штангенциркуль.
7. Стеклянная палочка.
Последовательность выполнения работы
1. Собрать из отрезков проволоки длиной не менее 100 мм моде-
ли ПАС типа 3Д и 4Д.
72
2. Определить объем модели ПАС типа 3Д по общей длине и
диаметру проволочек модели.
2.1. Катетометром или штангенциркулем измерить диаметр про-
волоки на разных участках.
2.2. Рассчитать средний диаметр проволоки dср (мм) по формуле
, (5.1)
где d1, d2, d3,…dn – диаметр проволоки на разных участках, мм; n –
количество измерений.
2.2. Рассчитать площадь сечения S (мм2) проволоки модели по
формуле
, (5.2)
где π = 3,14 – математическая постоянная, равная отношению длины
окружности к её диаметру.
2.3. Рассчитать объем проволоки Vд (см3) модели ПАС типа 3Д по
формуле
, (5.3)
где L – длина проволоки, мм.
3. Определить объем модели ПАС типа 3Д по массе и плотности
материала проволочек.
3.1. Взвесить на электронных весах исследуемую модель струк-
туры.
3.2. Рассчитать объем проволоки Vм (см3) модели ПАС типа 3Д по
формуле
, (5.4)
где m – масса модели, г; ρ – плотность материала проволочек, г/см3.
4. Определить объем модели ПАС типа 3Д по показаниям объема
воды в мерном стакане при погружении в него исследованной модели.
4.1. Налить в мензурку столько воды, чтобы в нее полностью по-
местилась исследуемая модель. Обязательное условие - модель должна тонуть в воде или плавать внутри, иначе будет определен объем
73
только той части тела, которая скрылась под водой. Если модель плавает на поверхности воды, то нужно полностью погрузить ее в воду
при помощи стеклянной палочки.
4.2. Зная цену деления, замерить какой объем воды V1 налит в
мензурке (рис. 5.4а).
а) б)
Рис. 5.4. Определение объема тела:
а) мензурка с жидкостью; б) мензурка с погруженным в жидкость измеряемым телом
4.3. Привязать нить к образцу и осторожно опустить его в воду,
не кидая, чтобы не расплескать воду из мензурки.
4.4. Замерить, сколько воды V2 стало в мензурке (рис. 5.4б).
4.5. Рассчитать объем проволоки Vо (мл) модели ЭПАС типа 3Д
по формуле
, (5.5)
где V1 – начальный уровень воды в мензурке, мл; V2 – уровень воды в
мензурке вместе с моделью, мл.
Измерять объем следует в тех же единицах, что и объем воды, то
есть в единицах, указанных на мензурке.
5. Аналогично исследовать модель ПАС типа 4Д.
6. Сравнить параметры модели ПАС типа 3Д с параметрами мо-
дели ПАС типа 4Д.
74
Получаемые результаты
Результаты испытаний и расчетов занести в таблицу 5.2.
Таблица 5.2
Определение объема пространственных армирующих структур (ПАС)
Структура
dср,
ρ,
Vд,
m,
Vм,
V1,
V2,
(схема
мм
г/см3
мл
г
мл
мл
мл
армирования)
3Д
4Д
Содержание отчета
Vо,
мл
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
– название работы;
– цель работы;
– материалы и оборудование;
– теоретическую часть;
– формулы и пояснения к ним;
– результаты работы и их обработку (расчеты, таблицы);
– выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. Какие существуют схемы армирования композиционных мате-
риалов?
2. Что такое ПАС и ЭПАС?
3. Сколько и каких сбалансированных структур укладки волокон
существует?
4. Какие направления ориентации пучков волокон используют
при трехнаправленной схеме армирования ПАС цилиндрической
формы?
75
5. За счет чего достигается постоянная плотность армирования
цилиндрических каркасов при приближении к нужному диаметру?
6. Какими свойствам обладает 3Д структура, когда ЭПАС по всем
направлениям одинаковы по качеству и количеству волокон?
7. Назовите недостатки схемы 3Д армирования?
8. Какими методами производится определение тонкости струк-
туры?
9. Чем структура 6Д отличается от структуры 5Д?
76
Лабораторная работа № 6
СВОЙСТВА ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ
ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Термопластичный полимер (термопласты) – это материал, способный многократно размягчаться при нагревании и затвердевать при
охлаждении в определенном температурном интервале, характерном
для конкретного материала [11].
Свойства термопластичных полимеров можно объяснить за счёт
линейной структуры их макромолекул. При нагревании взаимодействие между молекулами ослабевает и они могут сдвигаться одна относительно другой, полимер размягчается, превращаясь при дальнейшем нагревании в вязкую жидкость. На этом свойстве базируются
различные способы формования изделий из термопластов [12, 13].
Кроме того, что термопластичные полимеры хорошо плавятся,
они также хорошо растворяются в растворителях. При испарении
растворителя материал твердеет и приобретает прежние свойства.
Это качество применяется при производстве различных клеев, лаков,
красок, герметиков, замазок и т.п.
1. Методы идентификации термопластичных полимеров
Цель работы – научится определять основные характерные особен-
ности термопластичных полимерных материалов.
Материалы и оборудование
1. Полимерные материалы:
– полиэтилен,
– полистирол,
– полипропилен,
– поливинилхлорид,
– поливинилацетат,
– полиэтилентерефталат,
– фторопласт.
77
2. Растворители:
– бензин,
– ацетон,
– вода,
– этиловый спирт,
– уксусная кислота,
– соляная кислота (концентрированная).
3. Горелка.
4. Химические стаканы.
5. Ложки.
6. Тонкие металлические пластинки.
7. Нож.
8. Ножницы.
9. Молоток.
10. Отрезок ткани (30 х 30 см).
11. Деревянная (кухонная) доска.
12. Электронные весы.
Теоретическая часть
Для установления природы полимерного материала в готовом изделии проводят качественный и количественный анализ материала и идентификацию его с известными типами полимеров.
Полимерные материалы часто представляют собой сополимеры
(разновидность полимеров, цепочки молекул которых
(макромолекулы) состоят из двух или более различных структурных
звеньев), смеси и содержат различные добавки. Модификация материала изменяет его фундаментальные характеристики, используемые для
идентификации, такие как цвет дыма и запах, что делает неприменимыми простые методы идентификации. Более того, часто доступны очень
малые количества материала, так что идентификация полимера становится возможной только на основе использования современных методов.
Например, всего несколько миллиграммов вещества нужно для того,
78
чтобы выполнить исследования методами спектроскопии, термического
анализа, микроскопии или хроматографии.
Для идентификации полимеров используют следующие современные аналитические методы:
– фурье-инфракрасную и инфракрасную спектроскопию в ближней
области спектра (Ф-ИКС, Б-ИКС);
– термогравиметрический анализ (ТГФ);
– дифференциальную сканирующую калориметрию (ДСК);
– термомеханический анализ (ТМА);
– ядерную магнитно-резонансную спектроскопию (ЯМР);
– хроматографию;
– масс-спектроскопию;
– рентгеноструктурный анализ;
– микроскопию.
При исследовании полимерного материала сначала изучают:
– внешний вид,
– физическое состояние,
– цвет,
– запах,
– прозрачность,
– твердость,
– эластичность,
– плотность и т.д.
Далее выясняют, плавится или нет исследуемый полимер (пластмасса). Для этого его вносят в струю горячего воздуха или нагревают
образец на металлической или асбестовой подставке. И в зависимости
от того, как он будет вести себя в струе горячего воздуха, полимер
можно будет отнести к термопластам или реактопластам.
Для дальнейшей идентификации материала исследуют его поведение в пламени горелки. Для этого небольшое количество материала
осторожно и ненадолго вносят на тонкой металлической пластинке в
верхнюю часть высокотемпературной зоны пламени газовой горелки.
И отмечают характерные особенности горения (приложение 2):
79
– воспламеняемость,
– обугливание,
– плавление,
– запах,
– цвет пламени,
– наличие копоти,
– наличие дыма,
– самогашения,
– наличие золы,
– окраску золы и т. п.
По растворимости материала в определенных растворителях судят о принадлежности его к тому или иному классу полимеров. Растворимость некоторых полимерных материалов представлена в приложении 3. В приложении 4 показана окраска полимеров по реакции
Либермана-Шторха-Моравского.
Последовательность выполнения работы
1.1. Определение растворимости полимерных материалов
1. Образец полимерного материала измельчить с помощью режущих (нож, ножницы) и ударных (молоток) инструментов. Для измельчения образцов с помощью молотка, образцы необходимо завернуть в ткань, чтобы предотвратить разброс измельченных кусочков, и
положить на деревянную доску.
2. Отмерить на электронных весах 0,5 г измельченного образца
полимерного материала и положить его в химический стакан.
3. В стакан с образцом добавить 5-10 мл растворителя.
4. Перемешать компоненты и через разные промежутки времени
(10, 20, 30, 40, 50, 60 мин) фиксировать степень растворения: полное,
частичное, набухает, не растворяется.
5. Результаты наблюдений сравнить с таблицей приложения 3 и оп-
ределить тип полимера.
6. Аналогично исследовать все образцы полимерных материалов.
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]