Методы и методики исследования

Методы и методики исследования. Физические, физико-химические и физико-механические свойства определяются в соответствии со стандартными методиками: Плотность (ρ , кг/м3) ГОСТ 4620-84 Разрушающее напряжение при статическом изгибе (σизг, МПа) ГОСТ 4648-71 Разрушающее напряжение при статическом растяжении (σр , МПа) Ударная вязкость (ауд, кДж/м2) ГОСТ 4647-80 Твёрдость по Бринеллю (HB, МПа) ГОСТ 4670-91 Суточное водопоглощение (W, %) ГОСТ 4650-80 Определение линейной плотности нитей и волокон (Т, текс) Обработка УФИ препрегов для получения полимерной арматуры Определение плотности (ρ, кг/м3). Плотность образцов определяется из формулы: (1), где m – масса образца, г; V – объём образца, см3. Объём образцов с круглым сечением, определяется по формуле: (2), где h – высота образца, см; Sокр – площадь окружности, см2. Площадь окружности находим по формуле: (3), где r – радиус окружности, см. Объём образцов с прямоугольным сечением определяем как: (4), где l – длина образца, см; b – ширина образца, см; h – высота образца, см. Разрушающее напряжение при статическом изгибе (σизг, МПа). Испытание на статический изгиб проводят на специальных установках, а также на универсальных разрывных машинах с использованием специальных приспособлений. Для испытаний на статический изгиб используются образцы, имеющие следующие размеры: длина L – не менее 80 мм, ширина b = 10 0,5мм, толщина h = 4 0,2мм. Для проведения испытания, образец устанавливают на опоры.

Нагружение образцов производят посередине, плавно, без толчков, с определённой скоростью, для стандартных образцов равной 2 0,5 мм/мин, а для образцов других размеров равной h/2. В процессе нагружения образца, прогиб и нагрузку замеряет непрерывно или в момент достижения определяемого показателя[4]. Разрушающее напряжение при статическом изгибе определяют по формуле: (5), где Wсилы – момент силы, кгс•см; Wсопр – момент сопротивления, см3. Момент силы определяют по формуле: (6), где P – сила, кгс; L – расстояние между опорами, см. Момент сопротивления рассчитывают по формулам: для образцов имеющих прямоугольную форму поперечного сечения формула имеет вид: (7), где b – ширина образца, см; h – высота образца, см; для образцов имеющих круглую форму поперечного сечения момент сопротивления рассчитывается как: (8), где r – радиус окружности, см. Таким образом: (9), для образца с прямоугольным сечением; (10), для образца с круглым сечением.

Разрушающее напряжение при статическом растяжении (σр, МПа). Статические (квазистатические) испытания полимерных материалов на растяжение, проводят на универсальных разрывных машинах, предназначенных, для испытания полимерных материалов.

Для стандартных и дополнительных механических испытаний пластмасс на растяжение используются образцы, имеющие форму «двойной лопатки». В образцах такой формы весьма мала концентрация напряжений в местах зажима, и образец разрушается в пределах рабочей части, а не на концах.

Для крепления полимерных образцов к захватам испытательной машины применяются: клиновые зажимы с гладкими, рифлёными и зубчатыми губками, рычажные зажимы, одно- и двухступенчатые зажимы цангового типа, винтовые зажимы с постоянным поджимом образца.

При проведении дополнительных испытаний полимерных материалов на растяжение, удобно применять образцы в форме «двойной лопатки» с дополнительными утолщениями для крепления измерительной аппаратуры.

Преимущество такой формы образца перед стандартной «двойной лопаткой» состоит в том, что деформации измеряются непосредственно на базе образца, и погрешности, вносимые деформациями растяжения, сдвига и смятия в зажимах, не влияют на измеряемую величину деформации рабочей части образца.

При выборе скорости раздвижения захватов следует руководствоваться тем, чтобы время от момента приложения нагрузки к образцу до момента его разрушения было не менее 1 мин. при испытаниях материалов, имеющих предел текучести, и не менее 30 сек. при испытаниях материалов, не имеющих предела текучести.

Рекомендуемые скорости раздвижения захватов: 1 0,5; 5 1,0; 25 2,5; 50 5,0; 100 10,0; 500 50,0 мм/мин. В процессе нагружения нагрузку и удлинение замеряют непрерывно или в момент достижения определяемого показателя[5]. Разрушающее напряжение при статическом растяжении определяют по формуле: (11), где F – продольная сила, Н; S – площадь поперечного сечения рабочей зоны образца, м2. Ударная вязкость (ауд, кДж/м2). Для того, чтобы выявить способность материала сопротивляться нагрузкам, приложенным с большой скоростью, производят ударные испытания в режимах однократного и многократного ударов.

Высокая скорость деформации при ударе способствует хрупкому разрушению материала.

Кроме того, известно, что концентраторы напряжений в образцах, подвергающихся удару, создают в ряде случаев напряжённое состояние, близкое к всестороннему растяжению, что способствует хрупкому разрушению. Поэтому наиболее опасными по отношению к хрупкому разрушению условиями работы деталей конструкций являются ударные нагрузки при наличии концентратора напряжений. Некоторой условной постоянной, характеризующей сопротивление материала хрупкому разрушению является ударная вязкость материала – отношение величины работы затраченной на разрушение образца к наименьшей площади поперечного сечения образца.

Ударная вязкость не имеет ничего общего с физической вязкостью и относится к числу сравнительных характеристик материала. Метод испытания заключается в разрушении образца, установленного горизонтально на двух опорах, ударом поперёк образца.

Испытания проводится на маятниковых копрах марок КДМ – 10, КМР – 01, КМИ – 025, КМ – 3. Удар по образцу производится посередине образца. Скорости движения маятника при ударе должны быть равны: 2,9+0,1м/сек при максимальной энергии удара, равной от 0,5 до 5 Дж; 3,8+0,2м/сек при максимальной энергии удара более 5 Дж. Удар по образцу производится один раз. В тех случаях, когда образец не разрушается, он должен быть заменён другим для испытания на копре с большой энергией при сохранении той же скорости[6]. Ударная вязкость рассчитывается по формуле: (12), где P – сила, кгс; S – площадь поперечного сечения образца, м2. Твёрдость по Бринеллю (HB, МПа). Под твёрдостью понимается способность материала противостоять внедрению в него посторонних предметов.

При испытаниях на твёрдость в поверхностный слой материала вдавливается индентор в виде шарика или конуса. Твёрдость по Бринеллю HB определяется по формуле: (13), где F – максимальная нагрузка, Н; D – диаметр шарика, мм; h – глубина внедрения, мм. Испытания проводят на твердомере, он представляет собой закалённый стальной шарик диаметром 5 мм. В ходе испытаний образец располагают на опорной плите прибора так, чтобы поверхность образца была перпендикулярна направлению приложения нагрузки.

Прикладывают предварительную нагрузку, равную 9,81 Н и устанавливают индикатор, измеряющий глубину вдавливания, на ноль. Затем в течение 2-3 секунд прикладывают основную нагрузку. Испытательная нагрузка с учётом предварительной нагрузки должна быть равна 49,1 Н; 132 Н; 358 Н; 961 Н. Нагрузка выбирается таким образом, чтобы глубина вдавливания лежала в пределах от 0,15 до 0,35 мм. Проводят не менее 10 измерений[7]. Суточное водопоглощение (W, %). Суть метода заключается в том, что образцы помещают в дистиллированную воду, предварительно определив их массу.

Продолжительность процесса составляет 24 часа. После извлечения образцов из воды их снова взвешивают[8]. Водопоглощение определяют по формуле: (14), где mн, mк - начальная и конечная массы образца, г. Определение линейной плотности нити (Т, текс) Линейную плотность микропластиков определяем следующим образом.

Берем исходную или пропитанную нить и нарезаем из нее образцы длинной 10 см. Затем взвешиваем каждый образец и записываем результаты. Расчеты проводим по формуле: (15), где m – масса образца, г; l – длина образца, м. Обработка УФИ препрегов для получения полимерной арматуры. Микропластик получаем путем пропитки технической нити – (СН) – раствором термореактивного связующего (эпоксидного). Эпоксидное связующее получаем путем смешивания смолы ЭД-20, отвердителя (ПЭПА) и ацетона в следующем массовом соотношении -9,0:1,0:0,9. В результате микропластик в виде пропитанной нити наматываем с большим шагом на проволочный вращающийся каркас (мотовило), которое помещаем в рабочую камеру.

Внутренняя поверхность рабочей камеры покрыта алюминиевой фольгой, с целью равномерного распределения излучения в рабочем объеме.

В рабочей камере устанавливаем необходимую температуру, которую регулируем и поддерживаем постоянной в течение опыта при помощи нагревателя, включаемого автоматически с помощью контактного термометра и терморегулятора, контролируемого термометром. После установления стабильного температурного режима включаем облучатель. В качестве источника УФИ используем облучатель бактерицидный настенный ОБН – 150 с лампой ДБ – 30 при длине волны λ=253,7 нм, которая обеспечивает облученность не менее 0,75 Вт/м3, на расстоянии до 1 м. Расстояние от цилиндрического УФИ до препрега составляет 15 – 25 см. Для достижения равномерного распределения связующего и для всестороннего облучения препрега проволочное мотовило рекомендуется вращать при помощи привода от электродвигателя.

Кинетику отверждения препрегов изучали в интервале 20 – 80 0С и продолжительности отверждения в интервале 3- 45 минут (рис. 4), при этом оптимальными условиями, обеспечивающими достаточно быстрое отверждение, являются t = 50 0С, τ – 10 минут. 5.