Способ определения температуры стеклования полимерных материалов

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИРЕСПУБЛИК 9) 01) 1 й 3 ЕТ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ ОПИСАНИЕ ИЗО К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ(72) Ю. А. Койнаш и А. Н. Журавлев (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт транспортного строитель ства(56) 1. Метод фотоупругости, Под ред. Г. Л, Хесина. М., Стройиздат, .1975, т. 1, с. 365.2. Койнаш Ю. А, Определение температуры фиксации оптикомеханических, эффектов в модели при "замораживанииф. - "Заводская лабораторияф, 1980, Р 11, с. 1035 (прототип).(54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРА- ГУРЫ СТЕКЛОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, включающий нагрев образца, сжатого в металлической обойме, до температуры высокоэластического состояния материала и последующее его охЛаждение, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения способа и расширения класса исследуемых по- лимеров, образец включает в сигнальную цепь, регистрирующую момент размыкания и замыкания образца с обоймой, определяют минимальный интервал температур, в верхнем пределе которого сигнальная цепь замыкается, а в нижнем - размыкается, и определяют среднюю температуру интервала, являющуюся температурой стеклования полимерного материала,Изобретение относится к исследованию физических свойств полимерныхматериалов, а точнее к определениютемпературы перехода полимеров слинейной или пространственной молекулярной структурой из высокозластического состояния в стеклообразное (стеклование полимера), и можетбыть использовано для определениятемпературного интервала, в которомполимерные материалы сохраняют прочностные характеристики стеклообразного состояния, при изготовленииизделий из полимеров, а также примоделировании напряженного состоянияконструкций поляризационно-оптическим методом с применением 1 замораживания" деформаций для определениятемпературы фиксации деформаций иоптической анизотропии в модели конструкции.Исключение составляют полимерныематериалы, не имеющие развитой высокоэластической области и плавящиесяпри,нагреве выше температуры стеклования, например, поликарбонат, полистирол и др.Известен термодилатометрическийспособ исследования физико-механических свойств полимеров, позволя- .ющий определить температуру стеклования материала по его деформациямв процессе нагрева, В этом способеиспользуется тонкостенный цилиндрический образец, с предварительнозамороженными деформациями, которыйпомещается в печь дериватографа инагревается ступенями. По деформациям образца в процессе нагреваниястроится термомеханическая кривая,по которой определяется искомая температура Щ ,Для реализации этого способа тре- буется проведение трудоемкого экспе ,римента, наличие специальной измерительной аппаратуры и вспомогательного оборудования. Наиболее близким к предлагаемому является способ определения температуры стеклования, включающий нагрев образца, сжатого винтами в металлической обойме, до температуры высокоэластического состояния материала и последующее. охлаждение его с обоймой до комнатной температуры. В этомспособе используется свойство деформированного оптически чувствительного материала фиксировать при температуре стеклования оптическую разность хода, вызванную температурными деформациями, возникающими за счет различия коэффициентов линейного расширения материалов полимерного образца и металлической обоймы при нагревании и последующем охлаждении. Сжатый в обойМе образецнагревают до температуры .высокоэластического состояния материала и измеряютоптическую разность хода в какойлибо точке образца при этой темпе 5 ратуре. Затем ступенями через10-15 фС с выдержкой в течение 20 минохлажцают образец до комнатйой температуры, измеряя для каждой температуры оптическую разность хода в10 данной точке образца. После построеня зависимости оптической разности хода от температуры образца, температура стеклования материала определяется по точке перегиба на .15 графике изменения оптической разности хода при охлаждении 2 .Недостатком способа является то,что он применим только к оптическичувствительным, прозрачным полимеРам, требует точного измерения оптической разности хода в процессе эксперимента на поляризационной установке с компенсационным устройством.и термостата со стеклянными окнами,Цель изобретения - упрощение процесса определения температуры стеклования.Поставленная цель достигаетсятем, что согласно способу определения температуры стеклования полимерных материалов, включающему нагревобразца, сжатого винтами в металлической обойме, до температуры высокоэластического состояния материалаи последующего охлаждения его, образец включают в сигнальную цепь, регистрирующую момент размыкания изамыкания образца с обоймой, определяют минимальный интервал температур, в верхнем пределе которого сиг-"40 нальная цепь замыкается, а в нижнемразмыкается, и определяют среднюютемпературу интервала, являющуюсятемпературой стеклования полимерногоматериала.45 .Температурный интервал стеклования определяется путем периодического повышения и понижения темпера-.туры в термостате с последующей выдержкой при этой температуре таким5 О образом, чтобы при повышении температуры происходило замыкание сигнальной цепи образцом, а при понижении - размыкание, Амплитуда изменения температур носит затухающийхарактер и уже после 3-4 циклов колеблется в пределах 1-2 С,На фиг, 1 показан температурныйрежим предлагаемого способа и схемаработы устройства для определениятемпературы стеклования на фиг.260 схема устройства для определениятемпературы стеклования,устройство состоит из исследуемого полимерного образца 1 с вклееной в него термопарой 2, прикрепленногоодним концом к обойме 3, упорноговинта 4, сигнальной лампочки 5 систочником питания, включенной вэлектрическую цепь, один конец которой подключен к обойме, другой -прикреплен к свободному концу образца между упорным винтом и образцом.Определение температуры стеклования полимера производится .следующимобразом. Образец сжимается в обоймес помощью упорного винта помещает,ся в термостат и нагревается до температуры высокоэластического состояния материала. Электрическая Цепьпри этом замкнута и сигнальная лампочка горит.Затем температуру в термостатепонижают до тех пор, пока сигнальная лампочка электрической цепи непогаснет, После этого температурув термостате поднимают на 5-10 Сдо температуры, при которой сигнальная цепь замкнется и лампочка загорится, Эта температура поддерживается в термостате 10 мин для достижения равномерного прогрева образцаи обоймы. Затем температуру в тер-.мостате постепенно понижают до3-7 С до момента размыкания сигнальфной цепи и также выдерживают образец при температуре размыкания сетиоколо 10 мин. Пикл повторяют несколько раэ, постепенно уменьшая. амплитуду изменения температур в термостате, Время выдержки образца прикаждом цикле увеличивают до 1015 мин, После 5-6 цикла температуразамыкания и размыкания сигнальнойцепи происходит в интервале темпею О:ратур 0,5-15 С и лампочка периодически мигает. В это время по показанию термопары регистрируют температуру образца в моменты размыканияи замыкания сигнальной цепи и находят .среднее значение, которое соответствует температуре стеклованийполимера,При нагревании образца, сжатогов металлической обойме, до температуры высокоэластического состоянияматериала, в нем возникают температурные деформации, пропорциональныеразности коэффициентов .линейногорасширения металла и полимерного ма-териала в стеклообраэном и в высокоэластическом состояниях,При нагреве образца в нем возникают, упругие деформации стеклообразного состояния материала, которыев переходной области переходят ввысокоэластические деформации и возрастают при дальнейшем нагреванииобразца пропорционально температуренагрева.При охлаждении образца с обоймой в области температур высокоэластического состояния полимерного материала высокоэластические деформации образца, соответственно, линейно уменьшаются за счет разных коэффициентов линейного расширений материалов образца и обоймы. 5 При температуре перехода полимерного образца в стеклообразное состо яние, оставшиеся деформации в образце фиксируются, после чего свободный конец образца отделяется .от винта 10 обоймы за счет теплового сокращения материала. Сигнальная цепь при этом размыкается и момент размыкания регистрируется. При повышении тем.тературы на несколько градусов де формации образца восстанавливаются, образец удлиняется и замыкает сигнальную цепь. Температура стеклования полимера заключается в интервале температур, при которых происходит размыкание и замыкание электрической сигнальной цепи,Преимущество предлагаемого способа определения температуры стеклования состоит в том, что для его реализации не требуется специальной измерительной аппаратуры, нагрузочных устройств и вспомогательного оборудования. Способ применим к линейным и пространственным полимерам, не обладающим оптической чувствительностью, а также к непрозрачным полимерам. Исключение составляют полимеры не обладающие областью высоко- эластического состояния.Экспериментальная проверка предЗ 5 лагаемого способа проведена на полимерном материале из отвержденной метилтетрагидрофталиевым ангидридом эпоксидной смолы и полиметилметакрилате. Линейнцй образец из эпоксид ного материала с размерами 100 х 10 х х 5 мм, сжатый винтом в .алюминиевой обойме, (Фиг. 2),включается в электрическую цепь с сигнальной лампочкой, помещается в термостат и нагревается до 140 С. После проведения образца в обойме согласно температурному режиму (Фиг. 1), температура стеклования эпоксидного материала определяется по следующим значениям температур образца в интервале после 7 цикла: 410680 С Температура стеклования материала, определенная способом измерения .оптической разности хода в образце согласно прототипу, составляет 105 С.Расхождение результатов экспериментов объясняется погрешностями графи ческой обработки. результатов по известному способу.Аналогично проведенный экспери- .,мент с образцом из полиметилметакрилата показывает, что температура 65 стеклования его равна 102,6 С./47 Тираж 873НИИПИ Государственного комитета по делам изобретений и открыти 3035, Москва, Ж, Раушская на каз д род, ул, Проектн"П Филиа Температура образца, определенная по показаниям термопары в конце 6-го цикла, отличается от темперватуры в термостате в среднем на 1 С, поэтому при практическом использовании способа определения температуры стеклования полимерного материала можно использовать значения температур, определяемые по показаниям кон тактного термометра, что еще более упрощает постановку эксперимента.При реализации предлагаемого способа определения температуры стеклования полимерных материалов время проведения эксперимента сокращается в 2-3 раза по сравнению с известными способами, так как отсутствует необходимость проведения полного цикла нагревания образца и охлаждения его до комнатной температуры, производить какие-либо измерения в процессе эксперимента и графически обрабатывать результаты измерений. Кроме того, постановка эксперимента существенно упрощается, таккак для его реализации не требуетсяспециальной измерительной аппаратуры для измерения Физико-механических свойств материала в процессеэксперимента, как в известных способах.Способ легко автоматизируется засчет включения устройства образец обойма в стандартную цепь управления нагревателями термостата, например цепь контактного термометра,и в этом случае сводится лишь к регистрации температуры в термостате 15 в моменты размыкания и замыканиясигнальной цепи и нахождения ихсреднего значения, после 5-6 циклов,происходящих автоматически и не требующих присутствия экспериментаторапри нахождении минимального интервала температур, в котором происходитстеклование .полимерного материала.