Экспериментальное исследование динамических свойств

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
НАПОЛНЕННОГО ПОЛИЭТИЛЕНА
В. В. Шадрин1, Г. П. Башин2
Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь,
Пермский государственный университет, Пермь, Россия
1
2
В работе экспериментальным путём исследовались динамические свойства ненаполненного
и наполненного полиэтилена. Исследовались две составляющие комплексного модуля: модуль
накопления и модуль потерь. Проведена оценка разогрева образца во время эксперимента в
результате гармонических колебаний.
Наполнение полиэтилена наночастицами других материалов является одним из
перспективных направлений улучшения его механических свойств. При достаточно
небольшом наполнении полученный композит увеличивает модуль упругости, прочность,
повышается его сопротивление возгоранию.
В работе экспериментальным путем исследовалось влияние наполнителя из
наночастиц глины на модуль упругости полиэтилена при растяжении. Исследование
проводилось с использованием прибора DMA/SDTA861е швейцарской компании
METTLER TOLEDO, предназначенным для динамического механического анализа
свойств материалов. Исследование осуществлялось путем динамического механического
анализа в диапазоне частот 0.1–100 Гц и усилий 0.5–17.5 Н при комнатной температуре
около 25°С. Варьировались частота и амплитуда растягивающей динамической нагрузки,
изменяющейся по синусоидальному закону. Определялись две составляющие
комплексного модуля: его действительная часть (модуль накопления) и мнимая часть
(модуль потерь). Полученные результаты позволяют установить характер зависимости
модуля Юнга исследуемого материала от варьируемых параметров.
В эксперименте использовались плоские образцы с базовой длиной 10.5 мм,
шириной 4 мм и толщиной 2 мм. Исследуемый полимерный нанокомпозит содержал
слоистый глинистый наполнитель, представляющий собой смесь множества тонких
силикатных пластинок толщиной около 1 нм и поперечным размером от 30 нм до
нескольких микрон. Наполнение составляло 5% от массы материала.
На рис. 1 представлены графики
зависимости
модуля
накопления
наполненного
и
ненаполненного
полиэтилена от частоты нагружения.
Деформация при растяжении задавалась
на трех уровнях: 0.35 мкм, 3.5 мкм и
35 мкм, что соответствует 0.003%,
0.033% и 0.333% деформации. Каждое
нагружение
повторялось
5 раз.
Погрешности эксперимента достигали
7%.
На рис. 2 представлены результаты
экспериментального
исследования
зависимости
модуля
упругости
наполненного
и
ненаполненного
Рис. 1. Зависимость модуля накопления от
полиэтилена
от
амплитуды
частоты растягивающей динамической
растягивающей
силы.
Частота
нагрузки;
1,2,3 — наполненный полиэтилен;
нагружения задавалась на двух уровнях.
4,5,6
—
ненаполненный
полиэтилен; 1,4 —
Каждое нагружение повторялось 5 раз.
амплитуда растяжения 0.35 мкм, 2,5 —
Изменение температуры сильно
влияет на свойства полимеров. При этом амплитуда 3.5 мкм; 3,6 — амплитуда 35 мкм.
теплоотвод
во
внешнюю
среду
осуществляется через поверхность образца. При больших толщинах возможно появление
ситуаций, когда в центре образца температура будет значительно выше, чем на его
границе. В результате механическое поведение материала будет существенно отличаться
около границы и в центре образца. Необходимо было установить, при каких толщинах
образцов поле температур можно считать однородным и равным температуре внешней
среды при циклическом деформировании.
а
б
Рис. 2. Зависимость модуля накопления (а) и модуля потерь (б)
от амплитуды динамической нагрузки;
1 – при частоте 100 Гц для наполненного полиэтилена;
2 – при частоте 1 Гц наполненного полиэтилена;
3 – при частоте 100 Гц ненаполненного полиэтилена;
4 – при частоте 1 Гц ненаполненного полиэтилена.
Распределение температуры по толщине образца мы описали уравнением
теплопроводности
d
 2
c 
k 2  f ,
dt
x
где с  – теплоёмкость,  – плотность материала, k – коэффициент теплопроводности, f
– количество теплоты, выделенное за единицу времени в единице объема,  –
температура. Для полиэтилена мы использовали
Дж
кг
Дж
c   2  10 3
,   0.92 3 , k  0.33
.
кг  К
м
сек  м  град
Результаты проведенных расчетов показаны на рис. 3. Рассмотрен случай, в котором
частота деформирования равна 100 Гц, а амплитуда перемещений захватов равна 35 мкм.
Это предельные характеристики используемого прибора DMA/SDTA861е и самые
неблагоприятные для разогрева образца во время эксперимента.
Представленные на рисунке данные подтверждают, что для исследования
вязкоупругого поведения образца при динамическом испытании при высоких частотах не
рекомендуется изготавливать его толщиной больше, чем 2 мм. Только в этом случае
можно гарантировать, что перепад температуры внутри образца не будет превышать
0.8°C, и неоднородное поле температур можно не учитывать при изучении свойств
полиэтилена.
Рис. 3. Зависимость разницы температур  в центре полиэтиленового образца
и на его поверхности при циклическом деформировании в зависимости от толщины образца h .
Кроме теоретических расчётов мы измеряли температуру образца во время
эксперимента (рис. 4). Было обнаружено, что при толщине 2 мм температура образца
повысилась на 0.25°C. Такое повышение температуры не влияет на свойства образца во
время эксперимента и полученные результаты можно считать свойствами материала при
температуре окружающей среды, то есть при температуре, измеренной в начале
испытания. Колебания температуры можно объяснить остановками и переключениями
режима колебания во время эксперимента.
Рис. 4. Изменение температуры образца во время эксперимента.
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:
при температуре 25°С во всём диапазоне исследованных частот и амплитуд у
наполненного полиэтилена модуль накопления на 40% больше, чем у ненаполненного,
а модуль потерь практически одинаков;
 при увеличении частоты от 0,1 Гц до 100 Гц величина модуля накопления
увеличивается, а модуля потерь снижается на 40%;
 при увеличении амплитуды от 0,5 Н до 17,5 Н модуль накопления снижается, а модуль
потерь увеличивается на величину порядка 10%;
 следует следить за температурой образцов во время испытаний, чтобы исключить их
недопустимый разогрев. Например, толщина образца для динамических испытаний
полиэтилена не должна превышать 2 мм при частоте деформации 100 Гц и амплитуде
35 мкм – тогда неоднородность температуры образца по толщине будет 0,8°С при
установившемся температурном режиме.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных
исследований (грант 09-08-00339-а и грант 09-03-00402-а).
