CC BY
21PHYSICAL SCIENCES
STUDY OF THE MECHANICAL DURABILITY OF A HIGH-PRESSURE POLYETHYLENE FILM AND ITS COMPOSITION AT VARIOUS TEMPERATURES
Zeynalov Sh.
Doctor of Philosophy in Physics, Associate Professor, Department of Engineering Physics and Electronics
Azerbaijan Technical University Garajaev B.
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Engineering Physics and Electronics,
Azerbaijan Technical University Khalilov S.
Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Department of Engineering Physics and Electronics, Azerbaijan Technical University
Kerimov F.
Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Researcher, Department of Engineering Physics and
Electronics, Azerbaijan Technical University
Alekperov A.
Head of Laboratory, Department of Engineering Physics and Electronics, Azerbaijan Technical University
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ПОЛИЭТИЛЕНОВОЙ ПЛЕНКИ ПОД
ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ И ЕЕ СОСТАВА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Зейналов Ш.А.
доктор философских наук по физике, доцент кафедры инженерной физики и электроники Азербайджанского технического университета Гараджаев Б.Г.
кандидат технических наук, доцент кафедры инженерной физики и электроники Азербайджанского технического университета Халилов С.Х.
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры инженерной физики и электроники Азербайджанского технического университета
Керимов Ф.Ш.
кандидат физико-математических наук, научный сотрудник кафедры инженерной физики и электроники Азербайджанского технического университета
Алекперов А.М.
Заведующий лабораторией кафедры инженерной физики и электроники Азербайджанского технического университета, Азербайджанский Технический Университет
https://doi.org/10.5281/zenodo.6654091
Abstract
In addition, it was found that, in contrast to the original LDPE, when an additive of the optimal amount (LDPE + 0.05 wt.% phthalic anhydride + 0.05 wt.% orthophenylenediamine) is introduced into the composition of LDPE, it leads to a noticeable increase in mechanical durability. The mechanical durability of LDPE and its modifications at different temperatures was studied, and an increase in its durability took place due to the combined effect of external physical factors. It has been established that the activation energy in both cases is constant and does not depend on the introduction of additives into LDPE. The increase in the mechanical strength of the LDPE modification can be explained by the structure-forming features of the FA and OPD additives, which contribute to the close packing of macromolecules during the formation of polymeric materials.
Аннотация
Кроме того, установлено, что в отличие от исходного ПЭВД, при введении в состав ПЭВД добавки оптимального количества (ПЭВД+0,05масс.% фталевый ангидрид+0,05масс.% ортофенилендиамин ) приводит к заметному увеличению механической долговечности. Была исследовано механическая долговечность ПЭВД и его модификации при различных температурах и имело место повышение его стойкости комплесным воздействием внешних физических факторов. Установлено, что энергия активации в обоих случая постоянен и не зависит от введения добавок в ПЭВД. Увеличение механической прочности модификации ПЭВД можно обьяснить структурообразующими особенностями добавки ФА и ОФД, которые способствуют плотной упоковке макромолекул при формировании полимерных материалов.
Keywords: mechanical load, activation energy, structurally sensitive coefficient, phthalic anhydride
Ключевые слова: механическая нагрузка, энергия активации, структурно чувствительный коэффициент, фталевый ангидрид.
Введение
Широкое применение полимерных материалов в качестве различных технических целей требует наличия достоверных данных о причинах преждевременного выхода их из строя на основе анализа которых должны разрабатываться пути повышения срока их службы.
Изучение температурно-временной зависимости полимеров является одним из основных методов исследования их механических свойств. Эти исследования позволяет выявить кинетический характер механического разрушения и судить о природе разрыва, о роли химических связей и о величине энергии активации разрыва этих связей [1] .
В данной работе рассматривается результаты экспериментальных исследований температурно -временной зависимости механической прочности
плёнки ПЭВД марки 1083-020 и влияние на неё добавок содержащее 0,05 масс. % фталевый ангидрид (ФА) + 0,05 масс. % ортофенилендиамина (ОФД). Переработка ПЭВД и его разработанной модификации в плёнки производилась методом экструзии с раздувом на промышленном агрегате марки ЛРП-700М.
Определение зависимости долговечности от приложенного механического напряжении при различных температурах проводилось путём одноосного растяжения на установке, описанной в работе [2]. На рис. 1 показана зависимость времени жизни от механической нагрузки ст для плёнки исходного ПЭВД и для оптимальной модификации на его основе.
Рис. 1 Силовые зависимости механической прочности плёнки ПЭВД (1) и её оптимальной модификации (2)
Как видно из приведённой зависимости, долговечность этих образцов явно зависит от величины разрывного напряжения ст ; с уменьшением напряжения долговечность т сильно возрастает, т.е. выполняется известное уравнение для долговечности при -' = ^
где Л ий- постоянные коэффициенты, определяющие зависимость долговечности от напряжении при постоянной температуре испытания. На ос-
при этом увеличивается более, чем на 12%. Известно, что линейная зависимость ^тот ст оправдывается и при различных температурах [2], и общая закономерность температурно-временной зависи-
мости полимеров, в основном, описывается уравнением Журкова [3], т.е. разрушение полимера под действием механических сил есть кинетический временным процессом, зависящий от температуры и напряжении:
Из формулы (2) видно, что многообразие прочных свойств полимеров обусловлено тремя постоянными этой формулы-предэкспоненциальным
множителем слабо зависит от механической нагрузки, активационным, барьером IIхарактеризующий процесс механического разрушения и коэффициентом а - структурно - чувствительный коэффициент .
Изучение этих постоянных и их зависимостей от различных факторов, влияющих на прочность, позволяет судить о механизме разрыва полимеров и роли в нём химических и межмолекулярных связей [1,3,4]. На рис.2 показана зависимость 1%тот ст при различных температурах (163,133,103 К) для исходного ПЭВД и для его оптимальной модификации.
новании результатов экспериментов можно сделать вывод, что обнаруженное увеличение прочностных свойств плёнки ПЭВД при введение в её состав 0,05 масс % (ФА) + 0,05 % (ОФД) связано с изменением коэффициента О. в формуле долговечности (I). Коэффициент А в формуле (1) не изменяется при оптимальной модификации ПЭВД, хотя прочность
Рис.2 Силовые зависимости долговечности плёнки ПЭВД (1-3) и её оптимальной модификации (1'-3')
при различных температурах (Т, К): 1,1-163; 2,2-133; 3,3-103К.
Определение долговечности при разных температурах позволяет получить температурные зависимости долговечности при фиксированных значениях напряжения ст. Были построены графики зависимость /§т от 1/Т , изображенные на рис. 3. Как видно из этих графиков, зависимости ¡гг от 1/Т при
Эффект смещения полюса отмечался неоднократно в работах [3,5]. Поэтому указанное смещение не противоречит основным положениям кинетической концепции прочности.
Для определения энергии активации П0 процесса разрушения требуется, чтобы в изучаемом интервале температур и напряжении структурные условия развития термофлуктуационных актов сохранялись постоянными. С учетом этого обстоятельства было предложено [1,5] вычисление значении энергии активации процесса разрушении по
разных ст оказываются линейными . При этом прямые отвечающие различным значениям ст; образуют температурный веер, сходящийся при экстраполяции в одной точке - «полюсе», смешенной влево от оси ординат по горизонтали.
формуле (2), преобразованной в следующее выражении
:г = - = : з ?.т :- :-> (3)
На рис.4 показана зависимость энергии активации процесса разрушения ¿/ от напряжения разрыва ст . Как видно из этой зависимости, значения энергии активации процесса разрушения плёнки ПЭВД и её оптимальной модификации линейного возрастают с уменьшением напряжения разрыва.
Рис.3 Температурные зависимости механической долговечности плёнки ПЭВД (1-3) и её оптимальной модификации (1 '-3') при различных значениях механического напряжения стМПа: 1,1-100; 2,2-110; 3,3-120МПа.
lgT,C
0 5 10 15 20 25
о, МПа
Рис.4 Зависимости энергии активации процесса механического разрушения плёнки ПЭВД (1) и её оптимальной модификации (2) от механического напряжения.
приведены в таблице. Для сравнения сюда включены также значения механической прочности ст для обеих плёнок при ^т=0; Т-соп*1. Вычисленные значения параметров ио и а плёнки ПЭВД и его оптимальной модификации приведены в таблице
Таблица
Материал J, кжал - :» ггаль Ека.т _ ,.. а-.МПа ипль ст, Мпа 163К
ПЭВД(без добавки) ю-12 21 0,101 114
ПЭВД+0,05масс%ФА+0,05масс% ортофени-лендиамин (ОФД) 10-12 21 0,090 137
электрофизических характеристик при оптимальной модификации пленки ПЭВД возможно обьяс-няется формированием надмолекулярной организации в виде мелкосферных структур.
Список литературы:
1. Эмануель Н.М. Багаренко А.Л. Химическая физика старение и стабилизация полимеров. М.Наука 2002, с. 120.
2. Годжаев Э.М., Абдурагимов А.А., Керимов Ф.Ш., Сафарова С.И. Исследование электрической прочности модифицированного ПЭВД при одновременном воздействии механических и электрических силовых полей: АзТУ, Журнал Научные труды, фундаментальные науки . Баку -2018, №2 с. 56
3. Нестеров А.А. Макарова Л.Е., Москалев В.А. Вахрушева Ю.Н. Электрические свойства композиционных материалов на основе натурального графита и полиэтилена. Журнал Современные проблемы науки и образований. Г. Пермь. 2014, №6, с. 156
4. Слуцкер А.И. Влияние механического нагруженные на кинетику электрического разрушении полимеров. Журнал технической физики, 2008/78(11) с. 60-70
5. Бысков В.М., Косенков В.М. изменение механических характеристик полиэтилена под действием электрического разряда. Электронная обработка материалов 2013, 49(4), с. 51-55
Экстраполируя значения и при ст=0, узнаем, что обе прямые с разными углами наклона пересекаются в одной точке на оси ординат, отвечающей значению энергии активации ^ - = 2 2'..'/:
Найденные значения параметров ■¡У0 па для плёнки ПЭВД и её оптимальной модификации
Из таблицы видно, что коэффициенты ио и Та
постоянны в обоих случаях и не зависят от введения добавок в ПЭВД. Однако, добавка влияет на величину коэффициента а и механическую прочность (долговечность) ПЭВД. Неизменность величины при введении добавки в ПЭВД позволяет
предложить, что разрушение ПЭВД до и после добавки, в основном, происходит по одним и тем же химическим связям [5]
Обнаруженное нами увеличение механической прочности пленки ПЭВД при введении в её состав оптимального массового процента фталевого ангидрида и ортофенилендиамина, очевидно, объясняется формированием надмолекулярной мел-косферолитной структуры ПЭВД.
Вывод
Изучено влияние малого количества модифицирующих добавок фталевого ангидрида и орто-фенилендиамина на изменение механической прочности (времени жизни) при рпзличных температурах. Установлено, что смеси добавок ФА и ОФД в малом количестве (по 0,05масс%) заметно повышает механическую прочность при различных температурах. Известно, что введение добавки в полимер приводит к образованию крупносферолитных и мелкосферолитных надмолекулярных структур. Исходя из этого обнаруженное нами увеличение
