Введение к работе
Актуальность темы. Развитие науки и техники увеличивает потребность в полимерных материалах, обладающих комплексом наперед заданных свойств. В этом отношении показательными являются аморфно-кристаллические пленки, сочетание специфических свойств которых, таких как высокая прочность, равнотолщинность, большое электрическое сопротивление, негорючесть, прозрачность обеспечили широкое примет нение их в медицине, оптике, электротехнической и радиоэлектронной промышленности, в вычислительной технике, зву ко- и видеозаписи, кинематографии, при производстве новых композиционных материалов и товаров народного потребления. При этом к амррфно-крисгаллическим пленкам предъявляются различные требования в отношении эксплуатационных характеристик, определяющих качественные показатели готовых изделий из. них.
Практически для всех полимерных пленок, независимо от области .применения, преобладающую роль играют механические свойства, которые должны иметь строго регламентированные значения. Формирование в процессе получения, и переработки полимеров-химической и-физической структуры предопределяет комплекс заданных физико-ыеханичееких свойств полимеров. После обнаружения надмолекулярных образований стало очевидным, что не может быть прямой связи между многими физическими свойствами конденсированного полимерного материала и характеристиками внутреннего строения отдельных макромолекул. Для описания свойств полимеров в твердом состоянии оказались необходимыми характеристики более крупных структурных образований - надмолекулярных структур /НМС/. Одним из основных направлений в развитии представлений о надмолекулярных структурах /ШС/ полимеров является создание структурно-механических моделей, позволяющих на основе представления НМС полимера в виде некоторой композитной.структуры и используя методы механики сплошной анизотропной среды, количественно описать картину.изменения механических и физических свойств полимеров под. действием механического, температурного, ионизирующего полей. Существующие модели полимеров не учитывают особенности строения ШС аморфно-кристаллических полимеров,"взаимосвязи ыедцу аморфной и кристаллической компонентами, не позволяют количественно проследить за. структурными изменениями,происходящими при ориентацион-ной вытяжке полимеров, а также предсказать формирование типа анизотропной структуры. Вместе-с тем следует отметить, что последние достижения в микромеханике композиционных материалов создали необхо-
-4 -дише предпосылки к рассмотрению влияния типа надмолекулярных образований на физико-механические свойства, формируемые в процессе получения и переработки полимеров. Интерес к исследованиям в этом направлении выходит за рамки внутренних задач механики твердого тела, как самостоятельной науки, и распространяется в частности на такую смежную область как теоретические основы химической технологии волокон и пленок. Объясняется это тем, что структурные превращения в надмолекулярной организации, осуществляемые в современных технологических процессах, при наличии успехов в решении проблемы "структура-свойства" могут .служить мощньш инструментом направленного регулирования механических свойств волокон и пленок. При этом основная роль принадлежит ориентационной вытяжке полимеров на заключительных этапах технологического процесса.
Таким образом исследование упруго-релаксационных свойств ориентированных пленок и создание на его основе структурной теории, позволяющей прогнозировать поведение и получение аморфно-кристаллических пленок с заданным комплексом физико-механических, термических и реологических свойств, представляет собой актуальную задачу механики твердого деформируемого тела.
Целью настоящей работы является разработка основных полозкенмй структурной теории аморфно-кристаллических пленок, позволяющей на основе обіцих предпосылок в отношении состава, геометрических парс-метров надмолекулярной структуры и основных характеристик технологических процессов их получения прогнозировать физико~механическиес реологические и термодинамические свойства пленок в широком темпера-турдо-временном диапазоне.
Для достижения поставленной цели в работе решены и выносятся на защиту следующие основные положения:
модель и теория аморфно-кристаллических полимеров в состоянии, близкому к термодинамическому равновесию, с учетом их надмолекулярной структуры;
метод расчета эффективных уг-угих постоянных пленок из ашрф-но-кристаллических полимеров;
метод расчета структурных напряжений на межфазных границах основных уровней НМС;
основы теории механических свойств полимерных пленок при деформации элементов МО, применительно к их вытяжке;
метод расчета эффективных свойств ориентированных пленок по изменению параметров ШС;
метод расчета параметров кривых деформирования аморфно-крис-
галлических полимеров;
основы численной теории упругой наследственности полимерных пленочных материалов с учетом нелинейности свойств;
методики, принципиальные схемы и конструкции испытательных установок для комплексного исследования физико-механических, реологических к теллофизических свойств полимерных материалов в широком температурно-временном диапазоне ;
аксгериментальные исследования влияния процессов ориентацион-ной вытяжки на формирование типа анизотропной структуры и упругие постоянные пленок в зависимости от степени вытяжки и кристалличности;
экспериментальные исследования влияния температуры на дефор-мативность аморфно-кристаллических пленок;
экспериментальные исследования ползучести релаксации и динамических наследственных свойств аморфно-кристаллических пленок в широком температурно-временном диапазоне;
метод прогнозирования основных упруго-наследственных функций полимерных пленок по результатам экспериментальных исследований одной чз наследственных функций;
метод расчета основных термодинамических характеристик ориентированных полимеров по изменению параметров строения аморфной фазк-
~ теорию оптимальной намотки полимерных пленок в рулоны, обес-печивагаїцую неизменность структурных напряжений элементов НМС в слоях рулоне 3 -
Общая методика проведения исследований. Работа представляет собой комплексный замкнутый цикл исследований, включающий разработку теоретической основы диссертации, опытно-конструкторские разработки испытательных средств для ее реализации и, наконец, экспериментальные исследования, позволяющие оценить применимость данной работы.
Теоретическую основу диссертации составляют исследования в области механики деформированного твердого тела, микромеханики композитных материалов и полимеров, теории линейной упругой наследственности и физико-механике полимеров с широким применением аппарата теории дифференциальных и интегральных уравнений, преобразований Лапласа и Фурье, численных методов и теории вероятности.
Опытно-конструкторские разработки испытательных средств проведены на основе анализа существующих методов и ГОСТов с использованием последних достижений измерительной техники и микроэлектроники.
Экспериментальные исследования заключаются в оценке примени-
- 6 - '
мости теоретической основы дисоертации с широкий использованием методов математической статистики и автоматизированного счета на ЭЦВЫ.
Достоверность и научная новизна. В работе впервые разработана . структурная теория пленок из аморфно-кристаллических полимеров, позволяющая на основе общих предпосылок в отношении состава, геометрических параметров ШС и основных характеристик технологического процесса изготовлений прогнозировать поведение и получение полимерных пленок с комплексом наперед. заданных физико-механических и теплофи-зических свойств; на обширном экспериментальном материале доказано, что предложенная теория наиболее верно предсказывает поведение.пленок в зависимости от параметров ВМС, степени вытягки и кристалличности ; разработана основные положения численной теории упругой наследственности с учетом нелинейности,свойств пленок и дана экспериментальная оценка ее применимости j разработан, изготовлен а внедрен на ряде предприятий химической промышленности комплекс оригинальных испытательных установок, позволяющих исследовать в широком температур-ко-времанном диапазоне физико-механические и реологические свойства полимерных пленочных материалов и волокон; разработана теория оптимальной наштки полимерных пленок в рулош, обеспечивающая неизменность структурных напряжений элементов ШС в слоях рулонов. '
Обоснованность научных полоаений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, достоверность полученных, результатов обеспечиваются применением современных методов аналитического исследования с оценками точности и достоверности полученных данных, обоснованностью принимаемых допущений, тщательной проверкой аналитических результатов.широко поставленными экспериментальными исследованиями с использованием последних достижений измерительной техники, согласованностью результатов аналитических расчетов с зксперименталі ными данными, положительными результатами апробации рекомендаций и экономической эффективностью внедрения работы.
Новизна и полезность методических разработок подтвзрадена Государственным комитетом по делам изг'регений и открытий» выдавшим четыре авторских свидетельства на методы и устройства, используемые при физико-механических испытаниях. :
Практическая ценность и реализация результатов исследований. Результаты исследований, полученные в работе, представляют определенный интерес в области механики деформируемого твердого тела для исследования и построения точных решений уравнент состояний в мик-ромеханике полимерных и композиционных материалов. В области практического применения результаты исследований используются в настоя-
щее время на шосткинском НПО "Свема", НПО "Славич", опытном производстве НИШНИ, Лисичанском химическом заводе, НПО "Тасма", опытном проивзодстве ИНФОУ АН Украины при производстве и испытаниях аморфно-кристаллических пленок и изделия из них. Экономический эффект от внедрения результатов работы шестьсот сорок сень тысяч рублей.
Выполнение диссертационной работы связано с выполнением следующих научно-исследовательских работ:
^Комплексное исследование физико-механических свойств магнитных лент и их основ" - Гос. регистрационный № 750І6709;
"Разработка методик и создание комплекса измерительной аппаратуры для исследования физико-механических и реологических свойств полимерных пленочных материалов" - Гос. регистрационный № '/7059114;
"Комплексное исследование физико-механических свойств кинофотоматериалов", № гос .регистрации - 81032403;
"Программированная намотка рулонов ПЭТФ пленок и магнитных . лент", 9 гос.регистрации - 77С52ПЗ;
"Исследование физико-механических свойств пленочных систем
и разработка методов и аппаратуры оценки их свойств", № гос.регистрации - I0I4843;
"Проведение исследований по оптимизации намотки полимерных пленок и разработки методов и экспериментальных стендов по оцещсо физико-механических свойств кинофотоматериалов и магнитных лент", * гос .регистрации - 01.S3.0052873;
'Исследование анизотропии физико-механических свойств изоляционных полимерных лент и оптимизация технологических параметров их изготовления? № гос.регистрации - ОГ.86.0089786 ;
-"Исследование взаимосвязи усадочных свойств и структурно-молекулярных характеристик полиэтилентерефталата и разработка технологии производства ПЭТ5 основы с улучшенными релаксационными свойствами", № гос. регистрации-01.89.0192944 ;
- "Разработка микропроцессорного комплекса управления намоткой
для программного регулирования внутренних напряжений в рулонах маг-
ниткой ленты", № гос. регистрации - 02.90.0204990.
Апробация работы. Результаты диссертации по мере их получения докладывались и обсуждались на І-Ш Республиканских конференциях "Перспективы развития техники магнитной записи и технологии производства магнитных носителей" /г.Шостка, 1974, I960, 1987 гг./, на Всесоюзном симпозиуме "Пути совершенствования технологии производства магнитных носителей, аппаратуры записи и воспроизведения информации для средств связи, телевидения и радиовещания" /г.Москва,
-8 -
1976 г./, на II Всесоюзной конференции молодых ученых "Радиовещание"
/г.Москва, 1979 г./, на Республиканской конференции "Совершенствова
ние расчетных и экспериментальных методов исследования физических
процессов" /г.Николаев, 1985 г./, на Всесоюзной конференции "Проти
вокоррозионная защита нефтегазопромыслового оборудования и трубопро
водов" /г.Уфа, 1985 г./, на 31 Республиканской конференции по высо
комолекулярным соединениям /г.Киев, 1988 г./, на ХП Всесоюзной кон
ференции по текстильному материаловедению /г.Киев, 1988 г./, на Ш
Всесоюзной конференции "Композиционные полимерные материалы - свой-
ства, производство, применение /г.Москва, 1987 г./, на научных кон
ференциях профессорско-преподавательского состава КТИШІ /г.Киев,
1983-1990 гг./, на П Всесоюзном семинаре "Гидродинамика нанесения
полимерных покрытий" /г.Переяславль-Залесский, 1989 г./, на УП Все
союзной конференции по механике полимерных и композитных материалов
/г.Рига, 1990 г./, на Международной конференции го нелинейным эффек
там в физике и механике твердого тела /г.Пермь, г.Москва, 1990 г./,
ка Всесоюзных семинарах по микромеханике материалов им.Ю.Н.РабогноБа
в Института машиноведения РАН /г.Москва, 1988, I960, 1992 гг./, ка
Седьмом.всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике
/г.Москва, 1991 г./, на Международном симпозиуме производителей по
лимеров /Испания, г.Виго, 1992 г./. '