Зміст
Вступ
Визначення пластоеластичних властивостей еластомерів
Визначення пластоеластичнихвластивостей пластометричним та віскозиметричним методами
Визначення кінетики ізотермічної вулканізації зареометром Монсанто
Література
Вступ
Тема реферату здисципліни «Контроль якості полімерних матеріалів»
«Визначенняпластоеластичних властивостей еластомерів».
Дисципліна«Контроль якості полімерних матеріалів» дає знання про те, якими методамиоцінюють якість матеріалів, з яких виготовляють полімерні вироби. Властивостіполімерних 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 іншогоматеріалу, а також з розрахунками кількісних показників якості.
Матеріал дисциплінибазується на вивченні хімії і фізики полімерів, прикладної механіки.
Визначення пластоеластичних властивостейеластомерів
Визначенняпластоеластичних властивостей пластометричним та віскозиметричним методами
Пластоеластичнівластивостівідносяться до технологічних властивостей. Каучуки та гумові суміші єполімерними матеріалами і являють собою дуже складні системи, які під дієюмеханічного навантаження відрізняються й від твердих пружних тіл і від грузлихрідин. Під навантаженням вони виявляють і оборотну еластичну й необоротнупластичну деформацію. Переробка каучуків і гумових сумішей здійснюється ув’язкотекучому стані, який визначає легкість проведення виробничих процесів.При температурах експлуатації ці матеріали перебувають у високоеластичному, апри температурах переробки — у в’язкотекучеому стані, що ускладнено наявністю високоеластичної деформації.Еластична складова деформації впливає на збереження форми невулканізованихзаготівель, а пластична приводить до усадки відформованих виробів у процесівиготовлення. Тому для кожного каучуку й для кожного шифру гумової сумішівстановлюють оптимальні значення пластоеластичних властивостей.
Каучуки й гумові суміші не підкоряються нізакону Гука, ні закону Ньютона. Вони є матеріалами, які мають пружні й грузлівластивості в різних сполученнях. Ці властивості залежать не тільки віддеформації, але й від часу. Для них характерне явище релаксації напруження.В'язкість розплавів еластомерів зменшується при механічній дії й збільшуєтьсяпри знятті навантаження (явище тиксотропії). Ці матеріали містять лінійнімакромолекули, що приводить до виникнення поряд з еластичною і пластичноїдеформації, що викликана переміщенням деякої частини макромолекул.
Здатність лінійних еластомерів до плинувизначається їх реологічними властивостями. Для поділу пластичної та еластичноїдеформації задаються деяким проміжком часу після розвантаження зразка — часомвідпочинку, протягом якого високоеластична деформація в основному зникає.
Для визначення пластоеластичних властивостейвикористовують різні методи випробувань, до яких відносяться:
1) капілярна віскозиметрія, яка ґрунтується на продавлюванні матеріалучерез калібрований отвір малого діаметра при постійному перепаді тиску тавимірі швидкості плину матеріалу;
2) ротаційна віскозиметрія, яка ґрунтується на круговому зсувному плиніматеріалу з постійною швидкістю в тонкому кільцевому шарі й вимірі крутильногомоменту;
3) пластометрія, що ґрунтується на стиску зразків постійногооб’єму при постійній деформації, швидкості деформації або навантаженні й вимірівиникаючих напружень або деформацій;
4) динамічні методи, у яких матеріал піддається циклічним зсувнимдеформаціям при малих амплітудах у широкому інтервалі зміни частоти коливань.
Кожний із цих методів моделює умови переробкина певнім устаткуванні: капілярна віскозиметрія — на екструзійномуустаткуванні; ротаційна віскозиметрія — у закритому газозмішувачі або в корпусічерв'ячної машини; пластометрія — стиск матеріалу в зазорі валкових машин;динамічні методи — умови переробки гумових сумішей.
Визначення пластоеластичних властивостей настискаючому пластометрі.Відповідно до держстандарту пластоеластичні властивості характеризуються такимипоказниками:
1) М'якість S – відношення загальної деформації досередньої висоти зразка під вантажем.
2) Пластичність Р – відношення пластичної деформації досередньої висоти зразка під вантажем. Пластичність Р характеризуєпластоеластичні властивості матеріалу від абсолютно пластичного при Р = 1 доабсолютно пружного при Р = 0.
3) Відновлення R – відношення пластичної деформації дозагальної деформації стиску.
4) Еластичне відновлення R1 (мм) – різниця висот зразка після відновленняй під дією постійного навантаження.
5) Відносне еластичневідновлення R2 –відношення еластичного відновлення до загальної деформації зразка.
Зразки для випробування мають форму циліндрадіаметром 16±0,5 і висотою 10 +0–0,5 мм. Тривалістьвилежування зразків 2-24 години.
Випробування ведуть при температурі (70±1) ºС,для чого поміщують пластометр у термостат. Регулювання та підтримка температуриведеться автоматично. Сутність методу полягає в стиску зразка між двома пласкопаралельними пластинами при постійному вантажі та заданій температурі й вимірівисоти зразка до, під час і після додатка вантажу й відпочинку зразка.
У процесі випробування визначаються тривеличини:
h0– висота стандартного зразка до випробування, мм;
h1 – висота зразка, деформованого постійним вантажем(50±0,1) Н тривалістю 3 хвилини, мм;
h2 – висота зразка після зняття вантажу й відновленняпри кімнатній температурі протягом 3 хвилин, мм.
Висоту зразків вимірюють за допомогоютовщиноміра з похибкою не більше 0,01 мм.
Розрахунок показників ведуть по формулах:
S = (h0– h1)/(h0+ h1)
R = (h0– h2)/(h0 — h1)
P = S·R = (h0– h2)/(h0+ h1)
R1 = h2 – h1
R2 = (h2 – h1)/(h0 — h1)
Знаходять середнє значення пластичності неменш 2 зразків.
Визначення в'язкості каучуків і гумовихсумішей на зсувних віскозиметрах.
Зсувні віскозиметри ВР-2 і Муні маютьоднаковий принцип дії й дозволяють визначити в'язкість каучуків і гумовихсумішей, здатність до передчасної вулканізації й швидкість вулканізації.
На зсувному віскозиметрі ВР-2 визначаєтьсяопір деформації зрушення випробовуваного зразка, що перебуває між рухливоюповерхнею ротора й нерухомою поверхнею камери приладу. На віскозиметрі Мунивизначають крутильний момент на осі ротора.
При випробуванні визначають момент опоруобертанню ротора в матеріалі або крутильний момент Мt залежно відтривалості випробування при частоті обертання 2 обертів на хвилину при заданійтемпературі.
Кожний зразок для випробування на ВР-2складається із чотирьох дисків із зовнішнім діаметром 50мм. Один з них єсуцільним, два інших являють собою кільце із внутрішнім діаметром 38 мм ічетвертий — кільце із внутрішнім діаметром 16 мм. На віскозиметрі Мунивипробовується зразок, що складається із двох дисків діаметром 45-50 мм, одиніз яких має отвір по центрі діаметром 10-12 мм. Товщина зразків 6-8 мм.
Визначення в'язкості проводять через 60 спопереднього прогріву зразка. Включають ротор і через 2 хвилини від початкуйого обертання відзначають зміну в'язкості випробовуваного матеріалу. Длякожного зразка будують криву в координатах в'язкість — тривалість випробування.
В'язкість виражають як різницю між показаннямиіндикатора на холостому ході й у кожний момент часу.
Здатність до передчасної вулканізаціїхарактеризується:
1) часом початкуподвулканизации t5, при якому в'язкість зразка перевищує мінімальнуна 5 одиниць;
2) швидкістю вулканізації,обумовленою по різниці (tc – t5), де tс – час,за якого в'язкість зразка перевищує мінімальну на 35 одиниць.
При вимірі в'язкості по Муні на віскозиметріВР-2 за результат приймають в'язкість, що відповідає значенню, отриманому приперетинанні кривої, проведеної через експериментальні точки, з лінією заданогочасу виміру. Беруть середнє арифметичне для двох зразків, що відрізняються другвід друга не більше як на 1 одиницю.
Запис результатів роблять так:
55М Б1-5-100, де 55М – число одиницьв'язкості; Б – великий ротор; 1 – час прогріву зразка перед випробуванням,хвилини; 100 – температура випробування, ºС.
На віскозиметрі Муні за в'язкість приймаютьчисло одиниць в'язкості через 4 хвилини обертання ротора. Скорочений записрезультатів випробування на віскозиметрі Муні: 50МБ1+4(100 ºС). Здатністьдо підвулканізації й швидкість вулканізації звичайно визначають при 120 ºС.Швидкість вулканізації тим вища, чим більше крутість підйому кривої змінив'язкості. Швидкість вулканізації може бути вираженою в одиницях Муні захвилину. В'язкість по Муні звичайно визначають для однієї й тої же кривої через4 хвилини після початку випробування. У цьому випадку температура 120 ºСповинна бути зазначена в результатах випробувань.
Визначення кінетики ізотермічної вулканізаціїза реометром Монсанто
Віброреометр Монсанто-100 (рис. 2) складається з робочої камери,утвореної двома напівформами 2 и 4. Верхня напівформа 2 переміщується ввертикальній площині при завантаженні та вивантаженні зразків з допомогою штокапневматичного циліндра 1. На внутрішніх поверхнях напівформ нанесені радіальніканавки прямокутної форми під кутом 20° одна до одної. Нижня напівформа вцентрі має отвір для введення стрижня ротора. Напівформи обігріваютьсяелектричними нагрівачами 8, які вмонтовано в плити. Терморегулюючий пристрійзабезпечує обігрів напівформ в інтервалі від 100 до 200 °С з підтримкою заданоїтемператури в межах ±0,5 °С. В робочій камері здійснює коливальний рух ззаданою амплітудою біконічний ротор 3, який є циліндричним стержнем з нерухомоз’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, амплітудаколивань без навантаження 1,3 и 5 град.
Коливальний рух ротору 3 передається від електродвигуна черезексцентрик 6 и важіль 5. На важелю укріплений датчик напруження 7, якийзв’язаний з електронною реєструючою системою. Автоматичний самопишучий приборзабезпечує вимірювання та реєстрацію протягом часу крутильного моменту, якийвідповідає максимальній деформації, з похибкою не більше 0,5%.
/>
Рис. 1. Віброреометр Монсанто-100:
1 — пневматичний циліндр; 2, 4 — плити знапівформами;
3 — біконічний ротор; 5 — перетворювачзусиль; 6 — ексцентрик;
7 — перетворювач деформацій; 8 — електричнінагрівачі.
Зразки для випробувань можуть мати будь-яку форму, яка забезпечуватимеповне заповнення випробувальної камери. Зокрема, зразки можуть мати форму шайбдіаметром 30 мм та товщиною 121,5 мм, що складає 8 8,5 см3 абоприблизно 10 г. Зразки виготовляють шляхом вирубання круглим штанцевим ножемабо пресуванням за температури не вище за 50 °С. Можна використовувати зразки з листівгумової суміші, які накладено один на одного.
Для оперативного аналізу зразок зразу ж після виготовленняпоміщають на ротор та змикають напівформа. За вивчення вулканізаційниххарактеристик зразки готують не раніше, як за 2 години після виготовленнягумової суміші, а випробування проводять не раніше, як через 6 годин і непізніше, як через 72 голини після виготовлення гумової суміші. Кількістьзразків, що підлягають випробуванню, встановлюється нормативно-технічноюдокументацією. За відсутності вказівок випробують один зразок.
Дляпідготовки приладу до роботи на 1 годину вмикають його та перевіряють установкунуля самописця і калібровку після установки перемикача діапазонів в положенні100. В випадку відхилення встановлюють ручкою і перевіряють «0». Даліперевіряють по шаблону правильність положення ротора и встановлюють амплітудуйого коливання вимикачем, який знаходиться на задній стінці приладу. Здопомогою ручок регулювання температури встановлюють потрібну температуруверхньої і нижньої напівформ. Цю операцію здійснюють набором цифр, щовідповідають заданій температурі по спеціальній таблиці. Встановлюють діапазонвимірювання крутильного моменту в залежності от очікуємого значення максимальногокрутильного моменту (0 — 2,5; 0 — 5,0; 0 — 10,0; 0 — 20,0 Н·м).Перемикач полярності на задній стінці самописця повинен бути переведений вположення «+» для амплітуди ± 3°; «—» для амплітуди ± 1 и ± 5°. Перовстановлюють відповідно до очікуємої тривалості вулканізації. Послаблюють ротор, повернувши маховик проти часової стрілки на два обороти. Надіваютьрукавички та знімають ротор. Вставляють ніжку ротора в отвір нижньої напівформии переконуються в тому, що корпус стандарту щільно сидить на поверхні нижньоїнапівформи. Затягують стандарт, повертаючи маховик за часовою стрілкою доупора. Закривають плити. Після установки стандарту необхідно 20 — 30 хвилин длядосягнення його робочої температури. Після досягнення температури розмикаютьнапівформи. Вмикають привод ротора тумблером «двигун», кладуть зразок на ротор,який коливається, закривають напівформи тумблером «закрити». Включаютьзаписуючий пристрій.
Випробуваннявважається закінченим, коли значення крутильного моменту досягає рівноважногозначення або відбувається зменшення крутильного моменту після досягненнямаксимального значення, а також в випадку, коли швидкість зростання крутильногомоменту стає постійною.
По закінченні цикла розмикають прес-форми, вимикають записуючийпристрій з допомогою повороту маховика проти часової стрілки на два обороти,послаблюють ротор, знімають його, очищують від гуми і вставляють ніжку ротора вотвір нижньої напівформи. Вимикають струм.
На рис. 3 показано основні типи кривих, що відповідають кінетицівулканізації.
/>
Рис. 2. Кінетичні криві вулканізації, які одержано навіброреометрі Монсанто-100
З реограм, які одержують на віброреометрі Монсанто-100, визначаютьпоказники, що характеризують реологічні та вулканізаційні властивості сумішей.
За основні показники приймають:
мінімальний крутильний момент />, який характеризує мінімальнув’язкість зразка;
максимальний/>,рівноважний /> абоумовний максимальний /> (точка Б) крутильний моменти, якіхарактеризують жорсткість вулканізату;
тривалість початку вулканізації /> - момент часу,який відповідає збільшенню /> на 0,1 або 0,2 Н·м (приамплітудних 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, щовідповідає точці А:
/>
швидкість вулканізації /> - показник, якийрозраховується за формулою:
/>
час реверсії /> для вулканізаційної кривої типа />, якийвизначається по шкалі тривалості вулканізації від початку запису до моментучасу, що відповідає зниженню /> на величину />, где />.
Післяодержання кінетичних кривих процесу вулканізації на реометрі за кількохпостійних температур прогнозують характеристик вулканізації дослідженихсумішей в широкому інтервалі температур, для чого використовують принциптемпературно — тривалісної суперпозиції. Для цього одну з температур,наприклад, 130°С, 150°С, 170°С, приймаютьеквівалентною />. З кінетичних кривих визначаютьіндукційні періоди для еквівалентної /> та іншої дослідженої температури />. Потімзнаходять час досягнення певного значення зусилля зсуву на вулкаметрі або нареометрі, наприклад, в інтервалі М = 0,6 — 0,8 від Ммакс,для еквівалентної /> та дослідженої температури />. Приймають, щореакції мають перший порядок і розраховують енергію активації індукційного /> та головного /> періодів таконстанту швидкості процесу k:
/>
Константи розраховують на ПЕОМ.
На основі одержаних даних /> />, /> будують теоретичні криві кінетикивулканізації. Для цього складають таблицю координат теоретичних кривих кінетикивулканізації:
Якщо теоретичні криві не співпадають з експериментальними, то цеозначає, що порядок реакції не дорівнює одиниці. В такому випадку порядок реакціїрозраховують по формулам (4 — 6), a /> по формулі:
/>
Зкінетичних кривих, які одержано за різних температур, можна розрахувати /> якщо запоказник М використати відносний динамічний модуль зсуву:
/>
1. на реометрі Монсанто.
Література
1. Берштейн Л.А. Лабораторныйпрактикум по технологии резины. — Л.: Химия, 1989. — с. 64-87.
2. Захаров Н.Д. Лабораторныйпрактикум по технологии резины. — М.: Химия, 1988. — с. 155-175.