Разработка метода оценки влияния физической модификации на механические свойства полимеров и прогнозирование некоторых их эксплуатационных свойств Одинокова, Ирина Леонардовна

Введение к работе

Актуальность темы. В связи с широким использованием полимеров в технике особую актуальность имеет проблема создания полимерных материалов с заранее заданными свойствами. При этом основная тенденция в промышленности пластмасс состоит не столько в разработке новых видов полимеров, сколько в модификации известных материалов. Одним из наиболее эффективных и доступных способов улучшения эксплуатационных свойств и расширения области применения полимеров является их термическая обработка. Термообработка полимерных материалов является одним из важнейших процессов их промышленной переработки. Под переработкой полимеров понимается не только изготовление из пластмасс изделий различной формы, но я создание определенной внутренней структуры полимера, определяпцей основные физические свойства этого материала. Цели термической обработки могут быть различными: снятие внутренних напряжений, повышение твердости, плотности, молекулярной масса предела прочности при деформации, удельной ударной вязкоета & др. Пэрзчаслензнэ эффекты в полимерных материалах являются сщд-отвяяма изменения их молекулярной и надмолекулярной структур под влиянием теплового воздейсгвая. Несмотря на то, что прн всэх рядах термообработки имеют место трл основные стадии процесса': Нагрев, выдержка в охлааденно, оптимальные структурные перестройки, необходимнэ для улучшения механических д других эксплуа-яапяонннх свойств когно получать только при откате. В настоящей работе раесыатравается именно' этот вад термообработки.

Из. іекио влияния, разима отжига на свойства полимеров представляет актуальнайшуэ задачу. Практическая необходимость требует создания катекатнческях моделей процессов термообработка, которые позволила бы предсказывать изменение физических свойств ыатераалоз пра тепловом воздействии на них в заданном режима, а такзо устанавливать параметра режима отлета для получения заранее ааданнвх сксплуатецлояных свойств. Для прогнозирования физических свойств подтершее материалов широко применяются метода аналогий, основанные на фундаментальных щшппах суперпозиции. Находят практическое применение п эмадричеекло формулы, выведенные путем обобщения экспериментальных результатов для \ конкретних полимеров, а ташее могут с успехов пряквнятьоя фор- ./ галышэ еэтодз иодаяпровазаа. Нвскотрз на ввеоызевянэ доогопиоя-

ва, перечисленные методы имеют существенные недостатки. Они мало-информативны в плане изучения глубины явлений, так как недостаточно отражают природу механизмов воследуеыых физических процессов.

Закономерности проявления физических свойств полимеров должны изучаться в зависимости от их физической структуры (т.е. их фазового состояния и морфологии надмолекулярных образований). Указанные закономерности лежат в. основе методов направленного изменения структуры, а следовательно,.механических и других физических свойств полимерных тел. К .этим методам относится и термическая обработка.

Дель работы. Целью настоящей работы является математическое
моделирование процесса отжига как метода структурной модификациз
физических свойств полимеров. -

Для рассмотрения таких методов существуют два подхода: в основе одного из них лежат экспериментальные и теоретические ас-\ следования условий молекулярной подвижности; другой подход базируется на теоретических и экспериментальных методах механики сплошных сред. Настоящая работа относится ко второй группе.

Научная новизна работы состоит в создании теретически и экспериментально обоснованной математической модели вязкоупруто-го поведения полимерного тела, в которой учтена зависимость его механических свойств и структуры от режима теплового воздействия. Для описания процессов изменения структуры может использоваться современная кинетическая теория кристаллизации полимеров, а для описания зависимости механических свойств полимера от его надмолекулярной структуры - аппарат механики композиционных материалов. Впервые получены аналитические выражения, связывающие вязкоудругие характеристики полимерного тела о его степенью кристалличности.

В настоящей работе предлозея метод определения параметров уравнения, описывающего кинетику изотермического процесса кристаллизации по данным двух измерений степени кристалличности в произвольные моменты времени. Разработан метод прогнозирования кинетики кристаллизации в произвольном температурном режиме по данным экспериментального определения зависимости степени кристалличности от времени при охлаждении или нагревании с двумя различными постоянными скоростями к' и К" увеличения или уменьшения температуры в одном и том'же заданном интерзале. Впервые получены аналитические выражения для расчета параметров уравне-

ния, описывающего кинетику кристаллизации при постоянной температуре, а также для расчета зависимости этих параметров от температуры. Эти методы могут использоваться для прогнозирования кинетики фазового перехода в изотермических и в неизотермических условиях как при рассмотрении процесса отверждения расплава, ,' так и при анализе термообработки полимеров.

В работе также впервые предложена методика прогнозирования долговечности полимерного материала при тепловом воздействии по данным изменения его структуры- в процессе отжига. Полученное впервые аналитическое выражение, связывающее энтальпию плавления полимерного тела с временем и температурой изотермического отжига, является универсальным, поскольку учитывает изменение структуры на двух уровнях: макромолекулярном и надмолекулярном.

Практическая значимость. Предложенная и экспериментально обоснованная в работе математическая модель может быть использована з практике научно-исследовательских организаций, занимающихся проектированием полимерных изделий конструкционного назначения. Разработанные методики прогнозирования эволюции надмолекулярной структуры и вязкоупругого поведения полимера, подвергшегося тепловому воздействию, а также его долговечности при термическом старении, позволят определять технологические режимы изготовления изделий с оптимальной структурой.

¹ Основные положения, выносимые на зашиту

1. Теоретическое и экспериментальное обоснование математической модели вязкоупругого оповедения полимерного тела как композита с изотропной матрицей, структура которого описывается степенью кристалличности.

2. Предложенная на основе введенной модели методика прогнозирования вязкоупругих свойотв частично кристаллического полимера, подвергшегося отжигу в заданном режиме.

3..Аналитическое выражение, связывающее энтальпию плавления полимера с временем и температурой ег\ изотермического отжига.

4. Методика прогнозирования долговечности полимерного материала при термическом старении по данным изменения его. молекулярной и надмолекулярной структуры при отжиге.

5. Метод прогнозирования кинетики процесса криоталлизацзш

полимера в изотермических условиях на базе решения обратной задачи формальной теории кристаллизации. 6. Обобщение этого метода на случай кристаллизации в неизо-

термических условиях. .7. Расчетные формулы для вычисления параметров уравнения, описывающего кинетику процесса фазового превращения как в изотермических, так и в неизотермических условиях. Публикации. Основное содержание диссертации отражено в пяти печатных работах.

Аптобадия работы. Основные результаты работы докладывались
'автором и обсуждались на следующих научных конференциях и сове-
;'щаниях: "

_к I. Научном совещании комиссии по прогнозированию эксплуатационных свойств полимеров Комитета по применению полимерных материалов ВСНТО и секции прогнозирования МШ НТО МАШПРОМ по проблеме прогнозирования эксплуатационных свойств полимерных материалов- при действии агрессивных сред (Москва, ВСНТО, 1986).

2. Московской городской конференции МШ НТО МАШПРОМ по прогнозированию эксплуатационных свойств полимеров.(Москва, НТО МАШПРОМ, 1987).

3. Расширенном заседании Комиссии по прогнозированию эксплуатационных свойств полимеров Комитета ВСНТО по применению полимерных материалов в народном хозяйстве (Москва, НТО МАШПРОМ, 1987). .

4. Научной конференции преподавателей и аспирантов Московского текстильного института им.А.Н.Косыгина (Москва, МТИ, 1988-1989).

5."аучной конференции профессорско-преподавательского состава, посвященного 70-летию МТИ (Москва, МТИ, 1990).

6. Научном совещании."Метода нэразрушапцего контроля полимерных татериалов^п МШ НТО МАШПРОМ (Москва, НТО МАШПРОМ, 1990).

7. Научном совещании по диагностике и прогнозированию эксплуатационных свойств полимерных материалов ВСНТО (Москва, ВСНТО, 1991).

8. Научном совещании по диагностике, прогнозированию, нераз-рущащему контролю и управлению качеством материалов (Москва, ЦРДЗ, 1993).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит: 122 страницы машинописного текста, 9 рисунков, I таблицу, список литературы из 126 наименований и приложение на 6 страницах.