книги / Структурно-механическое исследование полимерного связующего на основе олигоэфируретана

1.3.2. Реологические исследования

Реологические исследования смесей и растворов олигоэфируретана в полярном энергонасыщенном пластификаторе необходимо провести в диапазоне температур (20÷60) Со при соотношении олигоэфируретана и пластификатора от 0 до 100%масс. (т.е. и для чистых олигомера и пластификатора) через каждые 10 %. Исследования провести по стандартным методикам с использованием следующих приборов: вискозиметр по Хепплеру с падающим шариком, рео-вискозиметр по Хепплеру с надавливающим шариком, ротационный вискозиметр (типа Rheotest, Brookfield). В результате проведенных исследований: определить характер течения смесей и растворов, с помощью редактора диаграмм в программе Microsoft Excel (или любой другой соответствующей компьютерной программы) построить графики зависимости коэффициента динамической вязкости связующего от количества пластификатора и предложить математическое уравнение для данной зависимости, построить графики зависимости ln η=f (1/Т), на основе которых определить энергию активации вязкого течения.

1.3.3. Основные структурно-механические соотношения наполненных трёхмерно сшитых эластомеров на основе олигоэфируретанов

Теория структурно-механического поведения наполненного твёрдыми компонентами пластифицированного трёхмерно сшитого эластомера (СТРТ) при условии сохранения сплошности материала включает основные уравнения в порядке процесса одноосного растяжения образца (табл. 1).

Здесь обозначены: условное напряжение , связанное с его истинным значением соотношением ist при коэффициенте Пуассона, равным 0,5;

ch / M c молярная концентрация поперечных химических связей в полимерной основе связующего; – плотность полимера, M c – среднестатистическая межузловая молекулярная масса; r (1 sw ) – объёмная доля трёхмерно сшитого полимера в связующем, sw – объёмная доля пластификатора в полимерном связующем; R – универсальная газовая постоянная; T –

равновесная температура, при которой концентрация «физических» (межмолекулярных) поперечных связей 0 ; Т – температура испытания образца; Tg – температура структурного стеклования полимерного связующего; a –

коэффициент скоростного смещения, равный 1 при стандартной относительной скорости растяжения 1,2 10 3 c 1 ; – объёмная доля твёрдых компонен-

тов; m – предельная степень объёмного наполнения, зависящая от формы

частиц и их фракционного состава [8, 9].

Зарегистрированные компьютерные программы [10-12] включают, естественно, вспомогательные формулы для расчёта, например, разрывного относительного удлинения, температуры структурного стеклования полимерного связующего.

11

Таблица 1

Основные физико-математические уравнения теории структурно-механического поведения наполненного эластомера

Наименование стадии Формула Литература процесса

1.3.4. Определение деформационно-прочностных характеристик

В таблице 2 приведена зависимость начального модуля вязкоупругости наполненного трехмерно сшитого эластомера на основе олигоэфируретана от эффективной объемной доли наполнения перхлоратом аммония при различных температурах опыта.

Там же представлены результаты расчётного (численного) «эксперимента» по исследованию зависимости разрывного напряжения от разрывной деформации трёхмерно сшитой наполненной резины при температурах 223, 273, 323 К при различных значениях эффективной объемной доли наполнения (отношения объемной доли наполнителя к предельному наполнению, φ/φm) и температурах опыта. Значения φ/φm выбраны в виде трех уровней: 0.46, 0,62, 0,77, которым соответствуют различные значения эффективной концентрации поперечных связей (νeff), в зависимости от температуры опыта. Видно, что с повышением величины φ/φm прочность эластомера увеличивается, а разрывная деформация уменьшается при указанных температурах.

12

На рис. 1, для сравнения, показаны огибающие точек разрывов, построенные в логарифмическом масштабе по Т. Л. Смиту. Последние, будучи косвенно связанными с площадью диаграммы растяжения, позволяют только качественно оценить эксплуатационный ресурс исследованного композитного материала типа СТРТ.

Расчетная зависимость энергии механического разрушения от разрывной деформации приведена также в таблице 2. При температуре 223 К энергия (работа) механического разрушения оказалась наибольшей при всех значениях φ/φm. Это объясняется более высокими значениями начального модуля вязкоупругости при отрицательных температурах, ответственного за сопротивление материала в высокоэластичной области термомеханического поведения.

Огибающие значений энергии механического разрушения приведены на рис. 2, из которого видно, что в отличие от огибающих по Т.Л. Смиту, они оценивают количественно эксплуатационный ресурс композита (имеют размерность энергии (работы), Дж).

Из таблицы 2 следует, что наиболее приемлемые механические характеристики, такие как энергия механического разрушения, начального модуля вязкоупругости, а также приемлемое значения разрывного напряжения достигаются при значении φ/φm =0.77. Это представляет интерес для проектировщиков автомобильных и авиационных шин.

Примечательно, что, как и в случае огибающих точек разрыва образцов (рис. 1), энергия механического разрушения наполненного трёхмерно сшитого эластомера в виде СТРТ значительно возрастает с повышением φ/φm. Наиболее полно влияние исследованных факторов проявилось в построенных нами огибающих значений энергий механического разрушения этой композиции (рис.2). Видна область при φ/φm = 0.77 (νch= 1,28 моль/м3), в которой имеет место необходимое сочетание молекулярной структуры сетки, широкого температурного диапазона применения и эксплуатационного ресурса СТРТ.

13

σb, МПа

1

2

3

εb, %

Рис. 1 Огибающие точек разрушения трехмерно сшитого наполненного эластомера типа СТРТ на основе олигоэфируретана для различных значений

φ/φm по Смиту: 1 – Тexp= 223 K; 2 – Тexp= 273 K; 1 – Тexp= 323 K

14

1

W, КДж

2

3

εb, %

Рис. 2 Огибающие значений энергий механического разрушения для трехмерно сшитого наполненноого эластомера типа СТРТ на основе

олигоэфируретана при различных значений φ/φm: 1 – Тexp= 223 K; 2 – Тexp= 273 K; 1 – Тexp= 323 K

1.4.Перечень ожидаемых научных и прикладных результатов

Вперечень ожидаемых научных и инженерно-прикладных результатов входят:

- физико-химическая модель синтеза непредельного олигоэфируретана, как перспективного полимерного связующего;

- механизм получения непредельного олигоэфируретана; - образцы олигомеров с концевыми двойными связями;

- закономерности протекания реакций 1,3-диполярного циклоприсоединения для непредельных олигомерных систем и динитрилоксидов в присутствии энергетически активных пластификаторов;

- экспериментальные образцы олигомерных связующих пространственного строения, пластифицированных инертными и активными пластификаторами;

- реологические модели, характеризующие зависимость реологических свойств от строения исходных веществ композиции и компонентного состава; - зависимости физико-химических характеристик образцов пластифицированных полиэфируретанизоксазолинов от содержания пластификатора и от

химического строения исходных компонентов; - численные (расчётные) зависимости структурно-механических харак-

теристик образцов пластифицированных полиэфируретанизоксазолинов от

15

содержания пластификатора и от химического строения исходных компонентов в широком температурном диапазоне (–50…+50 Со).

1.5. Рекомендуемая литература

Для выполнения данной индивидуальной научно-исследовательской работы рекомендуется пользоваться следующими литературными источниками

[13]:

1.Бестужева В. В., Налимова Н. К., Целинский И. В. Полиуретановые связующие для конденсированных энергоемких систем // Журнал приклад-

ной химии. – 2001. – Т. 74, вып. 9. – С. 1505–1507.

2.Особенности отверждения динитрилоксидами клеевых адгезивов на основе полиэфируретана СКУ-90 / Ю. Р. Эбич и др. // Укр. хим. журн. – 2002. – Т. 68, № 10.

3.Исследование термодинамической совместимости нитроглицерина с полиэфируретаном / Ю. М. Лотменцев, Е. А. Бутенко, Т. А. Бестужева, Д. В. Плешаков, М. Д. Демченко, Н. И. Шишов // Вооружение. Политика.

Конверсия. – 2002. – № 5. – С. 79–80.

4.Котельников С. А., Сухинин В. С., Ермилов А. С.. Исследование кинетики синтеза и отверждения непредельного олигоэфируретана // Журнал прикладной химии. – 2002. – Т. 75, вып. 3. – С. 488–490.

5.Леонов Е. И., Баранец Ю. Н., Михеева А. С. Вулканизующие агенты низкотемпературной вулканизации непредельных каучуков и их активность // Вооружение. Политика. Конверсия. – 2002. – № 5. – С. 58–60.

6.Антипова В. Ф., Петров Г. Н., Салнинс К. Ю. Применение нитрилок-

сидов в качестве отвердителей каучуков общего назначения / под ред. Б. П. Жукова Пороха и твердые специальные топлива в народном хозяйст-

ве. – М.: ЦНИИНТКПК, 1990. – 52с.

7.Тагер А. А. Физикохимия полимеров. – М.: Химия, –1978. – 544 с.

8.Ermilov A. S., Nurullaev E. M. Numerical Simulation and Derivation of an Equation for Calculation of the mechanical Fracture Energy of Elastomer filled with multifractional Silica // Russian Journal of Applied Chemistry. – 2014. – Vol. 87. – No. 4. – P. 500-508.

9.Ermilov A. S. and Nurullaev E. M. Optimizing the Composition of Elastomer Composites for theFfracture Energy // Mechanics of Composite Materials. – 2016. – Vol. 52. – No. 2. – P. 325-334.

10.Свидетельство № 2014618964 РФ. «Расчёт энергии разрушения полимерных композитных материалов («Расчёт энергии разрушения ПКМ») / Ермилов А. С., Нуруллаев Э. М., Дурегин К. А. – Приоритет от 17.07. 2014 г.

11.Свидетельство № 2015616125 РФ. «Оптимизация энергии разрушения полимерных композитных материалов» («Оптимизация энергии разрушения ПКМ») / Нуруллаев Э. М.,Ермилов А. С., Дурегин К. А. – Приоритет от 09. 04. 2015 г.

12.Свидетельство № 2016616228 РФ. «Оптимизация энергии разрушения пластифицированного эластомера» («Энергия разрушения») / Нуруллаев

16

Э. М., Ермилов А. С., Дурегин К. А. – Приоритет от 08. 06.2016 г.

13 Аликин В. И., Ермилов А. С. и др. Твёрдые топлива реактивных двигателей. Том IV. – М.: Машиностроение, 2011 – 380с.

1.6.Требования к оформлению

испособам представления результатов

Результаты курсовой работы научно-исследовательского характера должны быть оформлены в соответствии с ГОСТ 7.32-2001 «Отчет о научноисследовательской работе».

Текст курсовой работы набирается в форме МS Word. Стандартная страница текста – формат А4, имеющая параметры:

левое поле – не менее 3 см;

правое поле – не менее 1 см;

верхнее поле – не менее 2 см;

нижнее поле – не менее 2 см;

междустрочный интервал – одинарный;

шрифт Times New Roman;

кегль – 14;

режим «выравнивания по ширине».

Страницы курсовой работы должны быть пронумерованы по порядку, начиная со страницы, следующей за титульным листом, до последней страницы без пропусков.

На основе полученных результатов рекомендуется под руководством преподавателя написать статью в одно из научных изданий, входящее в перечень Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки РФ (ознакомиться с перечнем ВАК можно на сайте http://vak.ed.gov.ru). В приложении 1 приведен пример написания научной статьи, предназначенной в публикации в журнале «Пластические массы».

1.7. Сроки выполнения

Сроки выполнения исследований соответствуют периоду обучения студентов по специальности 18.05.01, специализации № 2 – «Химическая технология полимерных композиций, порохов и твердых ракетных топлив». Дисциплина «Технология смесевых энергонасыщенных материалов».

2.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАПИСАНИИ НАУЧНОЙ СТАТЬИ

Всовременных журналах можно встретить следующие виды публикаций: 1. Статьи, посвященные экспериментальным исследованиям и описа-

нию производственного опыта. В них рассматриваются методы и результаты исследований, и дается их физическое объяснение.

17

2.Обзорные статьи по тем или иным технологическим процессам, компонентам, оборудованию. Эти статьи часто выполняют функцию справочных материалов для технологов и разработчиков.

3.Статьи, рекламирующие продукцию каких-либо фирм.

4.Краткие сообщения, письма в редакцию.

5.Научно-популярные статьи.

Все последующие рассуждения относятся только к первым двум видам статей.

Возникает закономерный вопрос: когда писать научную статью? Ответ на это вопрос естественен – тогда, когда получены новые результаты, представляющие интерес для научной общественности. Это могут быть результаты собственных экспериментально-теоретических исследований, обобщение производственного опыта, а также аналитический обзор информации в рассматриваемой области. Перед публикацией научной статьи, содержащей новые результаты, автор должен ответить для себя на следующие два вопроса.

1)Не являются ли полученные результаты предметом изобретения? Возможно, автору будет лучше вместо написания статьи подать заявку на изобретение и получить патент.

2)Не содержат ли полученные результаты элементов секретности? В этом случае необходимо помнить, что публикация таких результатов в открытой печати невозможна.

2.1. Как выглядит готовая статья

Рассмотрим структуру готовой статьи. Научная статья состоит из следующих основных частей и разделов.

1)Название статьи.

2)Фамилия, И.О. автора(ов) и в какой организации(ях) была выполнена научно-исследовательская работа (в некоторых случаях, в соответствии с требованием к статье, необходим полный почтовый адрес). Для коллективных работ – имя автора, по адресу которого будет открыта переписка с читателями.

3)Реферат статьи или краткая аннотация для технической заметки.

4)Введение.

5)Основная часть, в которую входят:

материалы, объекты и методы исследований;

экспериментальная часть или результаты исследований;

обсуждение результатов.

6)Выводы (заключение).

7)Список использованной литературы.

Каждый из представленных разделов имеет свою, внутреннюю структуру, которая может отличаться от структуры других разделов.

18

2.2. С чего начать написание статьи

Начинать нужно с осмысления полученных результатов. Прежде всего, необходимо подготовить научный материал, который войдет в статью, в форме таблиц, рисунков, подписей к таблицам и рисункам и текста, который описывает результат каждого опыта. Научные статьи, как и дома, построены из блоков или кирпичей, а лучше сказать из нескольких блоков. Каждый блок как раз и включает в себя один рисунок или одну таблицу (с подписями к ним) и небольшой пояснительный текст. Основываясь на этих блоках, можно компоновать статью в той или иной последовательности изложения материала. Эти же блоки будут служить основой для описания результатов работы, объяснения полученных зависимостей. Опытный исследователь при написании научной статьи может довольно быстро набросать в уме черновой вариант пути изложения стати. В то же время его мыслительный процесс будет основываться на этих самых блоках полученных результатов.

2.2.1. Подготовка рисунков. Графики

Основной тип рисунков в экспериментальных статьях – это графики. Графиком называют серию кривых, отражающих зависимость величин, откладываемых по вертикальной оси (ось Y), от величин, откладываемых по горизонтальной оси (ось Х).

Как выглядит график?

На рис. 3 приведен типичный график из научной статьи (при построении использовалась компьютерная программа Microsoft Excel).

Рис. 3 − Кинетика отверждения раствора олигоэфируретана П-9Д в бинарном пластификаторе в соотношении 50:50% масс.

2,6-динитрилоксидом 1,3,5-триэтилбензола при температурах 40÷60 Со в зависимости от времени (мин)

19

Видно, что график состоит из нескольких основных элементов: осей с надписями, экспериментальных точек, линий, которые соединяют точки (так называемые кривые), поясняющих надписей на рисунке и, наконец – подписи под рисунком.

Чтобы построить график, нужно следующее.

1)Подготовить таблицу с экспериментальными данными.

2)Начертить оси с реперными штрихами и цифрами.

3)Нанести экспериментальные точки и провести кривые.

4)Сделать надписи на рисунке.

5)Подготовить подпись к рисунку.

Внастоящее время, для построения графиков используется значительное количество компьютерных программ (редактор диаграмм в Microsoft Excel, Grapher, Sigma Plot и другие). Техника работы в этих программах может отличаться, но, в то же время, методика построения графиков в них соответствует изложенной выше.

Подготовка таблиц с экспериментальными данными. В таблицах сводятся результаты измерений. При подготовке таблицы надо продумать, сколько кривых планируется привести и какова размерность величин, откладываемых по осям X и Y. Необходимо помнить, что графики должны в полной мере отражать проведенные исследования, и при этом, не быть перегруженными лишними данными.

Построение осей. На оси абсцисс и оси ординат должны быть реперные штрихи и цифры, причем цифр не более 5−8. Количество штрихов может соответствовать количеству цифр, а может быть в два-три раза больше, соответственно порядка 10−20 на всю ось. Около осей должны быть надписи, по-

ясняющие, какая величина отложена по оси и какова её размерность. В

зарубежных журналах приняты надписи вдоль всей оси, как это изображено на рисунке 2, при этом через запятую (иногда – в скобках) пишут размерность величины.

20