Способ определения коэффициента теплового расширения полимерных материалов

Оп ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветсиинСоциалистическихРеспублик и 693190 1 ) Дополнительное к авт, саид-ву(Ь.01 К 25/16 Гесудвнстееннье квинтет СССР нв делам нзвбрвтвннй н вткритнйова Дата блик ия описания 30,10,7. М. Красовский., В. И е 7 ) Заявител еталлополимерных сисССР нститут механики АН Белорусско(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕП РАСШИРЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛО 1Изобретение относится к испытаниюматериалов, в частности к определениютеплофизических свойств полимерных тел,и может быть использовано в исследовательских целях.Дилатометрические измерения имеютбольшое научное и практическое значениев современном материаловедениии физикетвердого тела, так как являются однимиз наиболее распространенных методовтоисследования физико-химических процессов,Известны различные способы определения коэффициента теплового расширениятвердых тел Ц, основное отличие которых заключается в методе определениямалых изменений длины и объема тела,К ним относятся пикнометрические, оптические, кварцевые, различные радиотехнические, акустические и другие способы.20Однако реализация указанных способов вбольшинстве случаев требует использования специальных сложных устройств и дру- .гого вспомогательного оборудования. Известен компараторный способ измерения линейного расширения 21, согласно которому о величине коэффициента теплового расширения судят по смещению заданных точек (меток, образца в процессе его нагревания), Однако его чувствительность (10 см) низкая, а точность существенно зависит от длины образца. Кроме того, применение известного способа для изучения анизотропии теплового расширения делает процесс измерения длительными не дает достаточной информации при наличии анизотропии в неориентированных локальных областях, ,что характерйо для кристаллиэующихсяполимеров, Следу-ет отметить, что имеется некоторая воэможность интенсификации процесса измерения путем нанесения большого числа меток в различных частях поверхности образца. Однако полную, дифференцированную информацию можно получить, если заведомо известна структура материала, расположение и ориентация кристаллических областей, что возможно только после3 6931проведения дополнительных исследований.Кроме того, появляются некоторые трудности в созданииоднородногр теплового поля, так как известнъй способ предполагает использование образцов больших размеров для обеспечениа достаточной точности измерений, В связи с этим в рядеслучаев образцы термостатируют длительное время при заданной температуре,Целью изобретения являются интенси-офикациа процесса измерения тепловогорасширения полимерных материалов и,повышение чувствительности способа,Поставленная цель достигается тем,что на поверхность-исследуемого материала ю.есто меток наносят тонкий, толщиной не более 100 нм слой вещества,тепловое расширение которого хорошоизучено (например металла, его окисла ит.д.). Слой наносят при температуре, Именьшей или равной температуре стеклования (Т стекл. )полимерного матерйала,затем проводят термообработку напыленного слоя при температуре, большей температуры стеклования, после чего по дли не образца создают градиент температур.Изучая в процессе нагрева или охлаждения образца изменение размера и распределение микротрещин, образовавшихсяв напыленном слое в процессе термообра- зо" ботки из-эа различных коэффициентовтеплового расширения полимера и нанесенного слоя, получают полную информацию.о теплорасширении исследуемо материала. При определении коэффициента тепло- "5. вого расширения к в области Т Тс,термообработку образца проводят в процессе создания градиента температур, апри определении к в области высоких температур значительно выше комнаткой)опосле создания градиента образец охлаждают до комнатной температуры со скоростью У Ъ 120 град/мин.ЪБлагодаря нанесению слоя вещества на 45образец при Т 4 Тс, обеспечиваетсяего невысокая адгезионная прочность ипогрешность измерения, вносимая напыленным слоем, сводится до минимума.Термообработка при Т) Тс,е, позво-50ляет наиболее эффективно выявигь микрогетерогенность нанесенного слоя и уменьшить его сплошность, т.е. обеспечить оп.тимальные условия образования систе 55мы микротрещин,Создание градиента температур позволяет в течение непродолжительного времени определить температурную завнси 90мость коэффициента теплового расширенииисследуемого материала, т,е. интенсифицировать процесс.При определении теплового расширениипо данным изменения размера микротрещин в процессе изменения температурыпоявляется возможность провести измерения в условиях наиболее четкого разрешения кристаллических областей полимерного материала,Так как размеры трещин малы, то появляется воэможность, использования дланаблюдения за изменением их размероввысокоразрешающих приборов, например,электронных микроскопов, что существенно 1 на 2-3 порядка) повышает чувствительность. Возрастает и точность определения коэффициента теплового расширения,ибо в этом случае измерения размеровмикротрещин соизмеримы с их размером,Методика определенияпо даннымнаолюдения заключается в следующем,На микрофотографии поверхности образцав необходимых направлении и участкахповерхности проводится базоваа линнадлиной Е; . Если при температурах Т,и Т базовая линна пересекает некотороеколичество трещин и их суммарная ширинав направлении базовой линии составляетсоответственно 1 и 1, то коэффициенттеплового расширения рассчитывается поформуле:(. -- +Ф. р1 ИХ 67где а., - коэффициент теплового расшире-.ния наносимого на образец материала;Таким образом, для проведения измерений предлагаемым способом достаточно микроучастка и поэтому нет необходимости в обеспечении равномерности температурного поля во всем образце.П р и м,е р. Определалса коэффициент теплового расширения ориентированной пленки из полиэтилена высокого давлении. Пленка размером, 10 хЗ мм помещалась в вакуумную камеру поста ВУПК и охлаждалась до температуры - 150 С. Затем на поверхность пленки накосилса слой свинца толщиной 20 нм испарением в вакууме, после чего пленка полиэтилена термообрабатывалась при комнатной температуре, что приводило к нарушешпо5сплошности тонкого слоя свинца и образованию большого числа микротрещин. Далее образец помещался на градиентный термостолйкрастрового электронного микроскопа,чувствительность которого 10 ф - 10 см,и по длине образца создавался градиенттемпературы в диапазоне,60-100 С,При этом регистрировались изменения враспределении микротрещин и их размерах.1Коэффициент линейного теплового рас-ширення определялся по формуле (1).Изучение распределения микротрещин показало, что преимущественное их направ-1ление совпадает с направлением ориентации пленки полиэтилена. Кроме того,распределение микротрещин чувствительнои к наличию в образце структурных ипримесных неоднородностей.2Для получения сравнительных данныхпроводилось; определение температурнойзависимостив указанном диапазонетемператур известным способом при двухположениях образца из полиэтиленавдоль и поперек направления ориентации.При этом минимальные размеры образца, .достаточные для точного измерения о,составляли 60 х 20 мм,Предложенный способ позволяет повысить чувствительность измеренйя коэффициента теплового распшрения,693190 Ро рмула изо брет енин 1. Способ определения коэффициентатеплового расшнреккя полимерных матерьалов, заключающийся е нанесении наповерхность образца меток, термическомвоздействии и регистрации изменений вовзаиморасположении меток, о т л и -5 ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения чувствительности и интенсификации процесса, на поверхность образцапри температуре, меньшей или равной температуре стекловайй, найосят тонкийОслой вещества, например металла, толщиной не более 100 нм, затем, проводяттермообработку слоя при температуре,большей температуры стеклования, послечего создают градиент температур по дли 5не образца.2. Способ по и, 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что при определениикоэффициента теплового расширения в области температур, превышающих темпераОтуру термообработки, градиент температур создают в процессе термообработки,3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что при определении коэффициента теплового расширенияв области температур, близких к темпера-туре плавления материала образца, послетермообработки и создания градиентатемператур образец охлаждают до комнатной температуры со скоростью, превьппающей или равной 120 грал/мин,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Новиков С. И, Тепловое расширениетвердых тел. Наука", М., 1974, с, 4490,2, Заявка Японии М 50-17274,кл, Ь 01 М 25/16, 1975, Составитель В. Гусева Редактор И. Нестерова Техред С. Мигай Корректор Г. НазароваЗаказ 6065/12 . Тираж 1073 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж; Раущская набд, 4/5 Филиал ПП Патент, г. Ужгород ул, Проектная, 4