Визначення пластоеластичних властивостей еластомерів

Зміст

Вступ

Визначення пластоеластичних властивостей еластомерів

Визначення пластоеластичних властивостей пластометричним та віскозиметричним методами

Визначення кінетики ізотермічної вулканізації за реометром Монсанто

Література

Вступ

Тема реферату з дисципліни «Контроль якості полімерних матеріалів»

«Визначення пластоеластичних властивостей еластомерів».

Дисципліна «Контроль якості полімерних матеріалів» дає знання про те, якими методами оцінюють якість матеріалів, з яких виготовляють полімерні вироби. Властивості полімерних матеріалів визначають і якість виробів і терміни їх експлуатації. Дисципліна знайомить з методами контролю якості пластмас і еластомерів, принципами і суттю цих методів, особливостями контролю того чи іншого матеріалу, а також з розрахунками кількісних показників якості.

Матеріал дисципліни базується на вивченні хімії і фізики полімерів, прикладної механіки.

Визначення пластоеластичних властивостей еластомерів

Визначення пластоеластичних властивостей пластометричним та віскозиметричним методами

Пластоеластичні властивості відносяться до технологічних властивостей. Каучуки та гумові суміші є полімерними матеріалами і являють собою дуже складні системи, які під дією механічного навантаження відрізняються й від твердих пружних тіл і від грузлих рідин. Під навантаженням вони виявляють і оборотну еластичну й необоротну пластичну деформацію. Переробка каучуків і гумових сумішей здійснюється у в’язкотекучому стані, який визначає легкість проведення виробничих процесів. При температурах експлуатації ці матеріали перебувають у високоеластичному, а при температурах переробки - у в’язкотекучеому стані, що ускладнено наявністю високоеластичної деформації. Еластична складова деформації впливає на збереження форми невулканізованих заготівель, а пластична приводить до усадки відформованих виробів у процесі виготовлення. Тому для кожного каучуку й для кожного шифру гумової суміші встановлюють оптимальні значення пластоеластичних властивостей.

Каучуки й гумові суміші не підкоряються ні закону Гука, ні закону Ньютона. Вони є матеріалами, які мають пружні й грузлі властивості в різних сполученнях. Ці властивості залежать не тільки від деформації, але й від часу. Для них характерне явище релаксації напруження. В'язкість розплавів еластомерів зменшується при механічній дії й збільшується при знятті навантаження (явище тиксотропії). Ці матеріали містять лінійні макромолекули, що приводить до виникнення поряд з еластичною і пластичної деформації, що викликана переміщенням деякої частини макромолекул.

Здатність лінійних еластомерів до плину визначається їх реологічними властивостями. Для поділу пластичної та еластичної деформації задаються деяким проміжком часу після розвантаження зразка - часом відпочинку, протягом якого високоеластична деформація в основному зникає.

Для визначення пластоеластичних властивостей використовують різні методи випробувань, до яких відносяться:

    капілярна віскозиметрія, яка ґрунтується на продавлюванні матеріалу через калібрований отвір малого діаметра при постійному перепаді тиску та вимірі швидкості плину матеріалу;

    ротаційна віскозиметрія, яка ґрунтується на круговому зсувному плині матеріалу з постійною швидкістю в тонкому кільцевому шарі й вимірі крутильного моменту;

    пластометрія, що ґрунтується на стиску зразків постійного об’єму при постійній деформації, швидкості деформації або навантаженні й вимірі виникаючих напружень або деформацій;

    динамічні методи, у яких матеріал піддається циклічним зсувним деформаціям при малих амплітудах у широкому інтервалі зміни частоти коливань.

Кожний із цих методів моделює умови переробки на певнім устаткуванні: капілярна віскозиметрія - на екструзійному устаткуванні; ротаційна віскозиметрія - у закритому газозмішувачі або в корпусі черв'ячної машини; пластометрія - стиск матеріалу в зазорі валкових машин; динамічні методи - умови переробки гумових сумішей.

Визначення пластоеластичних властивостей на стискаючому пластометрі. Відповідно до держстандарту пластоеластичні властивості характеризуються такими показниками:

    М'якість S – відношення загальної деформації до середньої висоти зразка під вантажем.

    Пластичність Р – відношення пластичної деформації до середньої висоти зразка під вантажем. Пластичність Р характеризує пластоеластичні властивості матеріалу від абсолютно пластичного при Р = 1 до абсолютно пружного при Р = 0.

    Відновлення R – відношення пластичної деформації до загальної деформації стиску.

    Еластичне відновлення R>1> (мм) – різниця висот зразка після відновлення й під дією постійного навантаження.

    Відносне еластичне відновлення R>2> – відношення еластичного відновлення до загальної деформації зразка.

Зразки для випробування мають форму циліндра діаметром 16±0,5 і висотою 10 +0 >–0,5> мм. Тривалість вилежування зразків 2-24 години.

Випробування ведуть при температурі (70±1) ºС, для чого поміщують пластометр у термостат. Регулювання та підтримка температури ведеться автоматично. Сутність методу полягає в стиску зразка між двома пласко паралельними пластинами при постійному вантажі та заданій температурі й вимірі висоти зразка до, під час і після додатка вантажу й відпочинку зразка.

У процесі випробування визначаються три величини:

h>0> – висота стандартного зразка до випробування, мм;

h>1> – висота зразка, деформованого постійним вантажем (50±0,1) Н тривалістю 3 хвилини, мм;

h>2> – висота зразка після зняття вантажу й відновлення при кімнатній температурі протягом 3 хвилин, мм.

Висоту зразків вимірюють за допомогою товщиноміра з похибкою не більше 0,01 мм.

Розрахунок показників ведуть по формулах:

S = (h>0> – h>1>)/(h>0> + h>1>)

R = (h>0> – h>2>)/(h>0> - h>1>)

P = S·R = (h>0> – h>2>)/(h>0> + h>1>)

R>1> = h>2> – h>1>

R>2> = (h>2> – h>1>)/(h>0> - h>1>)

Знаходять середнє значення пластичності не менш 2 зразків.

Визначення в'язкості каучуків і гумових сумішей на зсувних віскозиметрах.

Зсувні віскозиметри ВР-2 і Муні мають однаковий принцип дії й дозволяють визначити в'язкість каучуків і гумових сумішей, здатність до передчасної вулканізації й швидкість вулканізації.

На зсувному віскозиметрі ВР-2 визначається опір деформації зрушення випробовуваного зразка, що перебуває між рухливою поверхнею ротора й нерухомою поверхнею камери приладу. На віскозиметрі Муни визначають крутильний момент на осі ротора.

При випробуванні визначають момент опору обертанню ротора в матеріалі або крутильний момент М>t> залежно від тривалості випробування при частоті обертання 2 обертів на хвилину при заданій температурі.

Кожний зразок для випробування на ВР-2 складається із чотирьох дисків із зовнішнім діаметром 50мм. Один з них є суцільним, два інших являють собою кільце із внутрішнім діаметром 38 мм і четвертий - кільце із внутрішнім діаметром 16 мм. На віскозиметрі Муни випробовується зразок, що складається із двох дисків діаметром 45-50 мм, один із яких має отвір по центрі діаметром 10-12 мм. Товщина зразків 6-8 мм.

Визначення в'язкості проводять через 60 с попереднього прогріву зразка. Включають ротор і через 2 хвилини від початку його обертання відзначають зміну в'язкості випробовуваного матеріалу. Для кожного зразка будують криву в координатах в'язкість - тривалість випробування.

В'язкість виражають як різницю між показаннями індикатора на холостому ході й у кожний момент часу.

Здатність до передчасної вулканізації характеризується:

    часом початку подвулканизации t>5>, при якому в'язкість зразка перевищує мінімальну на 5 одиниць;

    швидкістю вулканізації, обумовленою по різниці (t>c> – t>5>), де t>с> – час, за якого в'язкість зразка перевищує мінімальну на 35 одиниць.

При вимірі в'язкості по Муні на віскозиметрі ВР-2 за результат приймають в'язкість, що відповідає значенню, отриманому при перетинанні кривої, проведеної через експериментальні точки, з лінією заданого часу виміру. Беруть середнє арифметичне для двох зразків, що відрізняються друг від друга не більше як на 1 одиницю.

Запис результатів роблять так:

55М Б1-5-100, де 55М – число одиниць в'язкості; Б – великий ротор; 1 – час прогріву зразка перед випробуванням, хвилини; 100 – температура випробування, ºС.

На віскозиметрі Муні за в'язкість приймають число одиниць в'язкості через 4 хвилини обертання ротора. Скорочений запис результатів випробування на віскозиметрі Муні: 50МБ1+4(100 ºС). Здатність до підвулканізації й швидкість вулканізації звичайно визначають при 120 ºС. Швидкість вулканізації тим вища, чим більше крутість підйому кривої зміни в'язкості. Швидкість вулканізації може бути вираженою в одиницях Муні за хвилину. В'язкість по Муні звичайно визначають для однієї й тої же кривої через 4 хвилини після початку випробування. У цьому випадку температура 120 ºС повинна бути зазначена в результатах випробувань.

Визначення кінетики ізотермічної вулканізації за реометром Монсанто

Віброреометр Монсанто-100 (рис. 2) складається з робочої камери, утвореної двома напівформами 2 и 4. Верхня напівформа 2 переміщується в вертикальній площині при завантаженні та вивантаженні зразків з допомогою штока пневматичного циліндра 1. На внутрішніх поверхнях напівформ нанесені радіальні канавки прямокутної форми під кутом 20° одна до одної. Нижня напівформа в центрі має отвір для введення стрижня ротора. Напівформи обігріваються електричними нагрівачами 8, які вмонтовано в плити. Терморегулюючий пристрій забезпечує обігрів напівформ в інтервалі від 100 до 200 °С з підтримкою заданої температури в межах ±0,5 °С. В робочій камері здійснює коливальний рух з заданою амплітудою біконічний ротор 3, який є циліндричним стержнем з нерухомо з’єднаним з ним біконічним диском. На обох поверхнях диска також є канавки. Стержень ротора закінчується чотирьохгранником, з допомогою якого він закріплюється на приводному валу. Частота коливань ротора 1,7 Гц, амплітуда коливань без навантаження 1,3 и 5 град.

Коливальний рух ротору 3 передається від електродвигуна через ексцентрик 6 и важіль 5. На важелю укріплений датчик напруження 7, який зв’язаний з електронною реєструючою системою. Автоматичний самопишучий прибор забезпечує вимірювання та реєстрацію протягом часу крутильного моменту, який відповідає максимальній деформації, з похибкою не більше 0,5%.

Рис. 1. Віброреометр Монсанто-100:

1  пневматичний циліндр; 2, 4  плити з напівформами;

3  біконічний ротор; 5  перетворювач зусиль; 6  ексцентрик;

7  перетворювач деформацій; 8  електричні нагрівачі.

Зразки для випробувань можуть мати будь-яку форму, яка забезпечуватиме повне заповнення випробувальної камери. Зокрема, зразки можуть мати форму шайб діаметром 30 мм та товщиною 121,5 мм, що складає 8 8,5 см3 або приблизно 10 г. Зразки виготовляють шляхом вирубання круглим штанцевим ножем або пресуванням за температури не вище за 50 °С. Можна використовувати зразки з листів гумової суміші, які накладено один на одного.

Для оперативного аналізу зразок зразу ж після виготовлення поміщають на ротор та змикають напівформа. За вивчення вулканізаційних характеристик зразки готують не раніше, як за 2 години після виготовлення гумової суміші, а випробування проводять не раніше, як через 6 годин і не пізніше, як через 72 голини після виготовлення гумової суміші. Кількість зразків, що підлягають випробуванню, встановлюється нормативно-технічною документацією. За відсутності вказівок випробують один зразок.

Для підготовки приладу до роботи на 1 годину вмикають його та перевіряють установку нуля самописця і калібровку після установки перемикача діапазонів в положенні 100. В випадку відхилення встановлюють ручкою і перевіряють «0». Далі перевіряють по шаблону правильність положення ротора и встановлюють амплітуду його коливання вимикачем, який знаходиться на задній стінці приладу. З допомогою ручок регулювання температури встановлюють потрібну температуру верхньої і нижньої напівформ. Цю операцію здійснюють набором цифр, що відповідають заданій температурі по спеціальній таблиці. Встановлюють діапазон вимірювання крутильного моменту в залежності от очікуємого значення максимального крутильного моменту (0  2,5; 0  5,0; 0  10,0; 0  20,0 Н·м). Перемикач полярності на задній стінці самописця повинен бути переведений в положення «+» для амплітуди ± 3°; «—» для амплітуди ± 1 и ± 5°. Перо встановлюють відповідно до очікуємої тривалості вулканізації. Послаблюють ротор, повернувши маховик проти часової стрілки на два обороти. Надівають рукавички та знімають ротор. Вставляють ніжку ротора в отвір нижньої напівформи и переконуються в тому, що корпус стандарту щільно сидить на поверхні нижньої напівформи. Затягують стандарт, повертаючи маховик за часовою стрілкою до упора. Закривають плити. Після установки стандарту необхідно 20  30 хвилин для досягнення його робочої температури. Після досягнення температури розмикають напівформи. Вмикають привод ротора тумблером «двигун», кладуть зразок на ротор, який коливається, закривають напівформи тумблером «закрити». Включають записуючий пристрій.

Випробування вважається закінченим, коли значення крутильного моменту досягає рівноважного значення або відбувається зменшення крутильного моменту після досягнення максимального значення, а також в випадку, коли швидкість зростання крутильного моменту стає постійною.

По закінченні цикла розмикають прес-форми, вимикають записуючий пристрій з допомогою повороту маховика проти часової стрілки на два обороти, послаблюють ротор, знімають його, очищують від гуми і вставляють ніжку ротора в отвір нижньої напівформи. Вимикають струм.

На рис. 3 показано основні типи кривих, що відповідають кінетиці вулканізації.

Рис. 2. Кінетичні криві вулканізації, які одержано на віброреометрі Монсанто-100

З реограм, які одержують на віброреометрі Монсанто-100, визначають показники, що характеризують реологічні та вулканізаційні властивості сумішей.

За основні показники приймають:

мінімальний крутильний момент , який характеризує мінімальну в’язкість зразка;

максимальний, рівноважний або умовний максимальний (точка Б) крутильний моменти, які характеризують жорсткість вулканізату;

тривалість початку вулканізації  момент часу, який відповідає збільшенню на 0,1 або 0,2 Н·м (при амплітудних коливаннях ротора 3 и 5° градусів відповідно);

тривалість досягнення заданого ступеню вулканізації  момент часу, який відповідає:

(рекомендується значення х = 0,5);

оптимальна тривалість вулканізації  момент часу, що відповідає точці А:

швидкість вулканізації  показник, який розраховується за формулою:

час реверсії для вулканізаційної кривої типа , який визначається по шкалі тривалості вулканізації від початку запису до моменту часу, що відповідає зниженню на величину , где .

Після одержання кінетичних кривих процесу вулканізації на реометрі за кількох постійних температур прогнозують характеристик вулканізації досліджених сумішей в широкому інтервалі температур, для чого використовують принцип температурно - тривалісної суперпозиції. Для цього одну з температур, наприклад, 130°С, 150°С, 170°С, приймають еквівалентною . З кінетичних кривих визначають індукційні періоди для еквівалентної та іншої дослідженої температури . Потім знаходять час досягнення певного значення зусилля зсуву на вулкаметрі або на реометрі, наприклад, в інтервалі М = 0,6  0,8 від М>макс>, для еквівалентної та дослідженої температури . Приймають, що реакції мають перший порядок і розраховують енергію активації індукційного та головного періодів та константу швидкості процесу k:

Константи розраховують на ПЕОМ.

На основі одержаних даних , будують теоретичні криві кінетики вулканізації. Для цього складають таблицю координат теоретичних кривих кінетики вулканізації:

Якщо теоретичні криві не співпадають з експериментальними, то це означає, що порядок реакції не дорівнює одиниці. В такому випадку порядок реакції розраховують по формулам (4  6), a по формулі:

З кінетичних кривих, які одержано за різних температур, можна розрахувати якщо за показник М використати відносний динамічний модуль зсуву:

    на реометрі Монсанто.

Література

      Берштейн Л.А. Лабораторный практикум по технологии резины. - Л.: Химия, 1989. - с. 64-87.

      Захаров Н.Д. Лабораторный практикум по технологии резины. - М.: Химия, 1988. - с. 155-175.