УДК 691.175.743
ОЛЬГА АНАТОЛЬЕВНА СЕДЫХ
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА И ИХ АНАЛИЗ С ПОЗИЦИИ СТРУКТУРНО - ФЕНОЛОГИЧЕСКОГО ПОДХОДА
Аннотация: Статья содержит исследования физико-механических свойств ПВХ и анализ этих свойств с позиции фенологического подхода.
Поливинилхлорид (ПВХ)- синтетический термопластичный полярный полимер. Занимает одно из ведущих мест среди полимерных продуктов, выпускаемой мировой промышленностью. На базе этого полимера получают свыше 3000 видов материалов и изделий, которые используются для самых разнообразных целей и завоевывают с каждым годом все новые области применения.
Более 70 % ПВХ идет в строительную область. На основе поливинилхлорида получают жесткие (винипласт) и мягкие (пластикат) пластмассы, пластизоли (пасты), поливинилхлоридное волокно[1]. Наиболее динамичным развитием отличается ПВХ для профильно-погонажных изделий.
Таблица 1
Потребление ПВХ в мире (%)
Трубы /фитинги | Профили | Кабели/ изоляция | Пленки | Упаковка | Другое |
25 | 20 | 15 | 10 | 10 | 20 |
Таблица 2
Мировые мощности по производству ПВХ
Страны | Китай | Индия | Другие страны Азии | Россия | Европа | Ближний Восток | США | Другие |
Мощности, % | 60 | 2 | 5 | 1-2 | 10 | 5 | 10 | 6-7 |
Рис. 1. Объявленные проекты развития мощностей ПВХ в России (тыс. тонн)
Рис.2. Структура потребления ПВХ в России (%)
ПВХ в строительной отрасли применяется как декоративно-отделочный так и конструкционный материал, который при эксплуатации испытывает кратковременные и долговременные внешние нагрузки, воздействие температурных перепадов и агрессивных сред.
Известно, что полимерные материалы в отличие от металлов, бетона (камня) подвергаются процессам релаксации и ползучести, что обусловлено его внутренней структурой.
Было обнаружено, что механическое поведение полимеров не описывается законом Гука
, (1)
где у – напряжение, МПа; Е – модуль упругости, МПа; ɛ– относительная деформация.
В результате экспериментов было выявлено, что если придать образцу какую-либо постоянную деформацию и затем поддерживать ее постоянно, то напряжение в образце не будет постоянным, как это следует закону Гука, а будет постепенно падать во времени.
В связи с тем, что в полимере возникают релаксационные процессы, так же было обнаружено, что скорость деформирования полимеров существенно влияет на его прочность. Данному вопросу было посвящено не мало научных работ.
Изучение растяжения полимеров позволило обнаружить связь между разрывным напряжением у, долговечностью полимера под нагрузкой ф и абсолютной температурой Т [3]. Эта зависимость выражается уравнением Журкова:
ф = ф0 exp [(U0 – гу)/kT] (2)
где k – константа Больцмана; U0 – энергия активации разрушения в отсутствие напряжения; ф0 – константа, равная 10-12-10-13 с, что отвечает периоду колебания атомов в твёрдых телах; г – структурно-чувствительный коэффициент, отражающий влияние структуры материала на распределение в нём напряжений.
Теория [4] основана на фенологической модели , который в свою очередь с помощью полученного выражения (2) описывал процессы долговечности полимерных материалов.
Формула, которой Гуль описывает процесс влияния скорости растяжения на прочность, дает возможность зная необходимые параметры испытуемого материала (а и n) определять разрушающее напряжение от разных видов деформирования.
(3)
где σр - разрушающее напряжение, рассчитанное на действительное сечение; V - скорость растяжения; а и n-параметры испытуемого материала.
Данные параметры материала (а и n) невозможно определить без комплекса экспериментов и с этой целью нами были проведены опыты по испытанию образцов на разрыв при различной скорости растяжения.
Однослойный и двухслойный образцы ПВХ, подвергались растягивающей нагрузке. Испытания на растяжение проводили с учетом ГОСТ 11262-80 на разрывной машине Р-0,5 на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».
В табл. 3 приведены данные после обработки результатов испытаний.
Общей закономерностью, справедливой для твердых тел, является рост разрушающего напряжения со скоростью нагружения (деформирования), что неоднократно наблюдалось при испытании материалов и подтвердилось нами при испытании образцов ПВХ.
На рис. 3 изображен график влияния скорости деформирования на прочность (а) и модуль упругости (б) в полулогарифмических координатах.
Таблица 3
Влияние скорости деформирования на физико-механические свойства материала
Скорость перемещения захватов v, мм/мин | № образца | Предел прочности при растяжении σр, МПа | Относительное удлинение (деформация) εр, % | Модуль упругости при растяжении Е, МПа |
0,08 | 1 | 49,57 | 3,90 | 2060 |
2 | 49,70 | 4,60 | 1950 | |
0,40 | 1 | 51,85 | 4,00 | 2110 |
2 | 52,68 | 4,80 | 2010 | |
2,00 | 1 | 52,71 | 4,00 | 2220 |
2 | 54,71 | 5,10 | 1880 | |
20,00 | 1 | 59,35 | 4,20 | 2880 |
2 | 60,03 | 5,30 | 2790 |
а)
б)
Рис.3. График влияния скорости деформирования на прочность (а) и модуль упругости (б)
Зная результаты экспериментальных исследований, нами были получены параметры (а и n) используемые в формуле Гуля. В табл. 4 приведены их расчетные значения.
Таблица 4
Значения предела прочности однослойного ПВХ - материала в зависимости от скорости деформирования
Скорость н, мм/мин | Предел прочности σр, МПа | Параметры материала | |
а, МПа | n, н·мин/мм2 | ||
0,08 | 49,57 | 1,78 | 0,028 |
0,40 | 51,85 | 1,73 | 0,030 |
2,0 | 5,71 | 1,69 | 0,031 |
20,0 | 59,35 | 1,79 | 0,029 |
аср= 1,74 | nср=0,030 |
В ходе анализа полученных экспериментальных данных была замечена следующая закономерность, справедливая для всех твердых тел: разрушающее напряжение пропорционально скорости деформирования (рис.3) и поэтому найденные параметры материала можно принять постоянными: а=1,74 МПа, n=0,030 н·мин/мм2. Средние величины для ПВХ соответственно равны.
Доказано, что зависимость предела прочности от скорости деформирования имеет линейный характер соответственно расчетной схеме предложенной профессором
Найденные параметры а и n позволяют для любого изделия из ПВХ - материала определить механическую характеристику, а именно разрушающее напряжение если известна скорость нагружения (деформирования), например скорость ветровой нагрузки на сайдинг. Введя в дальнейшие расчеты на прочность и жесткость найденный предел прочности можно определить такие характеристики как длину, сечение, деформации, расчетную нагрузку и другие требуемые значения.
Найденные параметры можно использовать при определении диапазона деформирования при исследовании релаксационных процессов в ПВХ.
Список литературы
, , Булгаков прочность и пожаробезопасность материалов из вторичного поливинилхлорида. М.: МГСУ, 2006.- 166с. , Попова и свойства полимерных строительных материалов. М.: МГСУ,2013.- 203с. Бартенев и механизм разрушения полимеров. М.: Химия, 1984.- 280с. Гуль и прочность полимеров. М.: Химия, 1978. -328с.Автор: , магистрант 1 года; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"(ФГБОУ ВПО "МГСУ") Национальный исследовательский университет, Москва, Россия, *****@***ru
Научный руководитель: , доктор химических наук, профессор; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"(ФГБОУ ВПО "МГСУ") Национальный исследовательский университет, Москва, Россия, *****@***ru
