Метод исследования множественных переходов в полимерах динамическим механическим методом

03.06.2015

Прибор

Крутильный маятник, используемый в данной работе, представляет собой серийный прибор, выпускаемый фирмой «Askania-Werke» (ФРГ). Схема, иллюстрирующая принцип действия крутильного маятника, показана на рис. 1.
Основным элементом конструкции этого прибора является безусловно сам торсионный маятник, состоящий из подвеса, на котором закрепляется испытуемый образец, и инерционного диска, прикрепляемого к образцу снизу. На маятнике снизу или сверху образца закрепляется зеркальце, с помощью которого фиксируются колебания маятника.
Перед началом измерений торсион закручивается на строго определенный постоянный угол и затем с помощью импульсного пускателя приводится в действие. С этого момента подвижная часть прибора начинает совершать колебательные движения с постепенно затухающей амплитудой качаний. Скорость уменьшения амплитуды колебаний определяется демпфирующими характеристиками испытуемого материала.
Метод исследования множественных переходов в полимерах динамическим механическим методом

Исследуемый образец помещается в термостатирующую камеру, в которой поддерживается температура от -150 до +150°. Нагревание осуществляется с помощью циркуляционного термостата, заполненного маслом, а охлаждение производится жидким азотом, в последнем случае температура измеряется медь-константановой термопарой.
Регистрирующая система представляет собой источник ультрафиолетового излучения и фотобумагу, чувствительную к ультрафиолетовому свету. Луч от источника отражается зеркальцем, закрепленным на маятнике, и попадает на фотобумагу, перемещающуюся с определенной скоростью. При этом записываются кривые, представляющие собой синусоиды с убывающей амплитудой. По полученным кривым можно рассчитать период и скорость затухания колебаний.
Подготовка образцов

Образцы для испытаний готовятся прессованием расплава данного полимера в таблетку, приготовляемую в форме диска толщиной 0,25 мм. Из этого диска вырубаются образцы размером 1x12 см. Образцы устанавливаются в прибор с помощью специальных зажимов. Затем задается минимальная требуемая температура и начинается эксперимент. Аналогичные измерения проводятся при различных постепенно повышающихся температурах.
Примеры экспериментальных результатов

По результатам периода колебаний рассчитывают величину модуля упругости (G'), а по скорости убывания амплитуды колебаний — логарифмический декремент затухания δ, который представляет собой величину натурального логарифма отношения амплитуд двух последовательных колебаний. Расчетная формула, по которой определяется модуль упругости, получена, исходя из уравнения движения крутильного маятника.
Метод исследования множественных переходов в полимерах динамическим механическим методом

На рис. 2 показаны некоторые типичные кривые, получаемые с использованием крутильного маятника. Для области температур ниже стеклования последовательные колебания затухают весьма медленно, а период колебаний мал. При проведении опыта непосредственно при температуре стеклования наблюдается очень резкое убывание амплитуды колебаний с малыми периодами. Наконец, если измерения выполняются при температурах, лежащих выше области стеклования, то наблюдаются кривые с относительно медленным убыванием амплитуды и большим периодом. Будем называть температурой стеклования такую температуру, при которой затухание колебаний происходит наиболее быстро, т. е. логарифмический декремент затухания проходит через максимум.
Характер температурной зависимости модуля упругости G' и декремента затухания δ для типичного термопласта показан на рис. 3. Качественное рассмотрение этих графиков позволяет утверждать, что ниже температуры стеклования полимеры представляют собой жесткие и твердые материалы, обладающие высокими модулями упругости и низкими удлинениями. В переходной области полимеры являются кожеподобными материалами с резким изменением модуля упругости при повышении температуры. В области температур, превышающих температуру стеклования, полимеры становятся каучукоподобными; при этих температурах они способны к большим удлинениям, а их модули упругости не велики.
Метод исследования множественных переходов в полимерах динамическим механическим методом

Необходимо отметить, что как модуль упругости, так и скорость затухания зависят не только от температуры, но и от частоты колебаний. При повышении частоты область перехода смещается в сторону более высоких температур, логарифмический декремент затухания, как правило, снижается, а модуль упругости возрастает. Основные результаты, излагаемые ниже, получены при использовании стандартной частоты в 1 гц. Можно указать следующее эмпирическое правило: возрастание частоты на один десятичный порядок приводит к смещению области перехода на 7°.