книги / Механика композитных материалов. 1980, т. 16, 6

ния, так и эмпирические зависимости. Необходимый объем теоретиче­ ской и экспериментальной информации для проведения комплексного расчета полимерных УТ определен в работах [8, 13].

В качестве примера реализации предложенного подхода может слу­ жить система уравнений, описывающая работу полимерного манжетного уплотнительного устройства для герметизации цилиндра при возвратно­ поступательном движении (рис. 5):

где q — давление от системы поджатия; Дм, Дп, 5 М— размеры манжеты; Ду, Дн, 5Ц — размеры цилиндра; Е0, v — модуль Юнга и коэффициент Пуассона полимера; ет — температурная деформация; Kv.{t,T) — ядро связной ползучести; 70 — окружающая температура; Яц — теплопровод­ ность цилиндра; ац — коэффициент теплоотдачи; ДМо — начальные раз­ меры манжеты в неизношенном состоянии. Система (6), построенная при определенных допущениях [13], позволяет с достаточной достовер­ ностью прогнозировать эксплуатационные характеристики фторопласто­ вых уплотнений.

Предложенный комплексный подход к расчету полимерных УТ позво­ ляет сформулировать задачи оптимизации УТ с целью обеспечения наи­ большей долговечности.

Оптимизация полимерных УТ с целью обеспечения наибольшей долговечности. В настоящей работе рассматривается один аспект опти­ мизации полимерных УТ — выбор оптимального полимерного или компо­ зитного материала, обеспечивающего наибольшую долговечность при заданных условиях эксплуатации.

Одним из способов целенаправленного управления физико-механиче­ скими свойствами полимерных материалов является введение в поли­ мерную матрицу различных мелкодисперсных наполнителей (кокса, ди­ сульфида молибдена, стекловолокна и др.). В качестве параметра управ­ ления свойствами материала в этом случае выступает содержание (концентрация) наполнителя в композитном материале. Анализ влия­ ния содержания наполнителя в композиции на работоспособность и дол­ говечность УТ показывает, что оно может быть неоднозначным. Так, на­ пример, введение во фторопласт-4 мелкодисперсного кокса повышает износостойкость и теплопроводность, но в то же время, увеличивает ко­ эффициент трения. Это приводит к повышению мощности трения при неизменном значении pv и, следовательно, к повышению температуры, которое может быть настолько существенным, что либо превысит допус­ тимое значение, либо обусловит износ больший, чем у ненаполненного полимера. В уплотнительных устройствах, кроме того, повышение мо­ дуля упругости при наполнении ухудшает уплотнительную способность материалов, что приводит к необходимости создания более высокого контактного давления для обеспечения требуемой степени герметиза­ ции. Натурные эксперименты по сравнению работоспособности цанго­ вых уплотнений с манжетами из фторопласта-4 и композитного мате­

к р а т к и е с о о б щ е н и я

УДК 539.4:678.01

А. Г. Дементьев

Р А З Р У Ш Е Н И Е П Е Н О П Л А С Т О В П Р И Д Е Й С Т В И И

Г И Д Р О С Т А Т И Ч Е С К О Г О Д А В Л Е Н И Я *

Вопросы водопоглощения пенопластов и его влияния на прочностные и деформаци­ онные свойства пеноматериала исследованы довольно цодробно [1, 2]. Гораздо меньше внимания уделено изучению поведения пенопластов в условиях гидростатического сжа­ тия [3, 4], хотя это представляет значительный интерес в связи с расширением областей применения пеноматериалов. Поэтому задачей настоящей работы явилось исследование влияния ячеистой структуры на разрушение пенопластов в условиях гидростатического сжатия.

В качестве объекта исследования были взяты образцы пенополиуретанов, получен­ ные способом заливки в форму (ППУ 0-24, ППУ-305А) и напыления (ППУ-17Н, ППУ-308Н), пенополиэпоксидов (ПЭ-6, ПЭ-13), пенополистирола (ПС-1, ПС-4), пенополивинилхлорида (ПВХ-2). Все рецептуры имели преимущественно закрытопористую структуру: объемное содержание открытых пор у всех пенопластов не превышало 10%. Кажущаяся плотность у пенопластов изменялась в пределах от 17 до 159 кг/м3. Стан­ дартные образцы с поверхностной технологической пленкой были изготовлены в специ­ альной форме. Стандартные образцы без поверхностной технологической пленки выре­ зали из середины плит размерами ~ 1000ХЮООХ100 мм.

Для проведения испытаний был использован гидрологический комплекс «Исток-3», который позволял задавать и измерять гидростатическое давление с точцостью до 1 % способом погружения образцов на заданную глубину. Испытания проводили параллельно на трех одних и тех же образцах кубической формы с длиной ребра 30 мм при периоди­ ческом погружении на определенные глубины. Время выдержки их при каждой фиксиро­ ванной глубине погружения составляло 60 с. Количество разрушенных в образце ячеек определяли до водопоглощению весовым методом с точностью до 1% (при точности взвешивания образцов до 0,1 г). Ошибка в измерении объемной усадки не превышала 2% от геометрического объема образцов. Расхождение между результатами испытаний отдельных образцов из блока не превышало 5%.

Результаты испытаний показали, что в начальный период погружения (до 2 м) на кривых водопоглощения наблюдается некоторый скачок, что связано с заполнением водой ячеек, разрушенных с поверхности образцов при их вырезке, а также имеющихся

A W . Мь кг/м3

Рис. I. Зависимость водопоглощения Mh и изменения объема ДУ образцов ППУ-305А при V= 56 кг/м3 от глубины погружения в воду.

Рис. 2. Зависимость водопоглощения Mh и изменения объема ДУ образцов ПЭ-6 при у =17 кг/м3 от глубины погружения в воду.

* Работа выполнена в 21-м рейсе научно-исследовательского судна «Академик Вернадский» МГИ Украинской ССР в Индийском океане (август—октябрь 1979 г.).

ячеек), причем иногда оба предельных состояния могут быть реализованы одновременно. На рис. 1 в качестве примера реализации предельного состояния по прочности стенок ячеек пред­

ставлены результаты испытаний пенополиуретана ППУ-305А. Часть полученных экспе­ риментальных данных представлена на графиках в виде точек. Из рис. 1 видно, что даже после заполнения 60% порового пространства образцов водой изменение их ли­ нейных размеров не превысило 1,5% (изменение объема не превысило 4%)- У ПВХ-2, наоборот, после достижения критического давления наблюдается сильное смятие образ­ цов. В качестве примера одновременной реализации обоих предельных состояний на рис. 2 представлены результаты испытаний при гидростатическом сжатии пенополиэпоксида ПЭ-6. Из рис. 2 видно, что у ПЭ-6 объем смятых ячеек (при глубине погружения до 150 м) превосходит объем заполненных водой ячеек с разрушенными стенками. Ин­ тересно отметить, что сохранение поверхностной технологической пленки у пенопласта резко смещает предельное состояние в сторону более высоких давлений. Так, из рис. 3 видно, что критическая глубина по водопоглощению увеличилась у ПЭ-13 по указанной причине с 18 до 75 метров.

Графическим дифференцированием диаграмм разрушения, полученных весовым методом при испытаниях в условиях гидростатического сжатия, определяли спектры распределения прочности стенок ячеек в виде гистограмм (рис. 4). Из рисунка видно, что почти у всех исследованных пенопластов имеется несколько структур (максимумы в спектре) пониженной и повышенной прочности даже для отдельной рецептуры. Каж­ дая из структур спектра может характеризоваться нормальным (данные таблицы, по­ лученные по ,общепринятой методике [5, 6], показьшают, что такое допущение вполне обосновано), либо более сложным законом распределения. Очевидно, характеристику ячеек по прочности их стенок можно оценивать параметрами распределений (максиму­ мов) и их взаимным положением. Интересно отметить (см. рис. 4), что у пенопласта одновременно могут быть структуры, различающиеся по прочности стенок ячеек более чем на порядок. Это можно объяснить прежде всего распределением ячеек (оболочек) по размерам и по толщине их стенок, которые могут меняться в значительных преде­ лах [1, 7]. В то же время у оболочки под действием внешнего равномерного давления критическая величина нагрузки ркр очень сильно зависит от указанных параметров [8]:

Л2

Характеристики максимумов спектра распределения пенополиуретанов по прочности стенок ячеек

М. М. Калнинь, Ю. В. Капшинаков

П Е Р Е К И С Н О Е С Т Р У К Т У Р И Р О В А Н И Е П О Л И Э Т И Л Е Н А В Б Л И З И

П О В Е Р Х Н О С Т И К О Н Т А К Т А С О С Т А Л Ь Ю *

Адгезионное взаимодействие полиолефинов с металлами связано с формированием граничных слоев полимера, когезионные свойства которых в большинстве случаев опре­ деляют прочность адгезионных соединений [1, 2].

Одной из возможных причин существенного увеличения значений прочности адгези­ онных соединений при формировании их в условиях перекисного структурирования (сшивания) является увеличение скорости распада перекисей под влиянием поверхност­ ных соединений железа (3]. В работе [4] показано, что вблизи поверхности контакта со сталью структурирование полиэтилена происходит более интенсивно.

Задачей настоящей работы явилось исследование влияния поверхности стали на кинетику процесса структурирования расплава полимера в присутствии перекиси. Был использован разработанный нами метод [5], основанный на регистрации деформации сдвига в режиме ползучести слоя структурирующегося полимера, заключенного между двумя взаимопараллельными плоскими поверхностями металла. По зависимостям отно­ сительной деформации сдвига у от времени контакта t определяли эффективную ско­ рость сдвига уэ=dy/dt (графическое дифференцирование) и далее — эффективную вязкость структурирующегося расплава |Лэ=т/уэ. Значение напряжения сдвига т подбирадось таким образом, чтобы обеспечить сдвиг в режиме наибольшей ньютоновской вязкости.

В качестве полимера использовали нестабилизированный полиэтилен низкой плот­ ности 15803-020 (характеристическая вязкость в n-ксилоле при 70° С — 2,03, плот­ ность — 0,9155 г/см3), содержащий от 0 до 7,4- 10-5 моль/г перекиси дикумила. В ка­ честве металла использовали сталь 08 кп (содержание Fe — 99,55%) в виде фольги (толщина 70±5 мкм, 9-й класс чистоты поверхности).

Зависимости значений рэ от толщины слоя b структурирующегося полиэтилена при разных значениях времени контакта показаны на рис. 1. В диапазоне достаточно боль­ ших значений b эффективная вязкость не изменяется (значения р^*). Начиная с тол­ щины порядка 400 мкм (b*) значения рэ монотонно увеличиваются в случае стали (активная по отношению к процессу структурирования поверхность), но не изменяются

Рис. ]. Зависимости эффективной вязкости цэ структурирующегося расплава полиэтилена от тол-

Рис. 2. Зависимости отношения |1 ь= .0/|1 ь* от продолжительности структурирования t в контакте со

* Доклад, представленный на IV Всесоюзную конференцию по механике полимерных и компо­ зитных материалов (Рига, октябрь 1980 г.).

здесь К*>(Т) — равновесное значение К*\ а(Т) — константа. Как видно из данных

поверхностных соединений на процесс можно пренебречь (КооЬ*, а^*), составляют 29,7 кДж/моль, что хорошо согласуется с данными по исследованию кинетики перепис­

тического влияния поверхностных соединений железа на процесс перекисного сшивания полиэтилена.

Из всего изложенного следует, что значения эффективной вязкости цэ структури­ рующегося расплава цолимера (в присутствии перекиси дикумила) граничащего с по­ верхностью стали слоя при одинаковой продолжительности процесса структурирования выше, чем объема полимера, что связано с ускорением сшивания поверхностными со­ единениями железа. Экспериментально определенные температурно(150,. . . , 210° (^-кон­ центрационные (до 8 - 10—5 моль/г) зависимости кинетики изменения |д,э удовлетвори­ тельно описываются экспоненциальными выражениями. Значение эффективной энергии активации процесса структурирования в граничном сдое полимера ниже, чем в объеме, что является следствием каталитического влияния поверхностных соединений железа на процесс сшивания.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Калнинь М. М., Рейхманис П. К., Дзенис М. Я. Исследования в области адгези­

повышения прочности адгезионных соединений полиолефинов с металлами. — В кн.: Синтез и физико-химия полимеров, 1978, вып. 23, с. 100— 104 (Киев).

3. Авотиныи Я. Я., Калнинь М. М. Влияние перекиси дикумила на процесс форми­ рования адгезионной связи полиэтилена со сталью и характер разрушения адгезионных соединений. — В кн.: Модификация полимерных материалов, 1975, вып. 5, с. 67—78 (Рига).

* Так как Ксо(7') в эксперименте не достигались (см. рис. 4), находили такие ее значения, ко­ торые одновременно максимально удовлетворяли бы выражению (1) и экспериментальным то ч к а м .