CC BY
15. Sugawara M. Plasma etching. Fundamentals and applications. New York: Oxford University Press Inc, 1998. P. 304. DOI: 10.1093/oso/9780198562870.001.0001
6. Москвитин С.Г., Москвитина Л.В. Морфология и характер локализации наноразмерного золота в сульфидах золото-сульфидного месторождения в черносланцевых толщах Северного Верхоянья в Якутии // Цветные металлы. 2023. № 3. С.13-19.
7. Пунин Ю.О., Штукенберг А.Г. Автодеформационные дефекты кристаллов. СПб.: Издательство Санкт-Петербургского Университета, 2008. 318 с.
8. Wood B., Strens R. Diffuse Reflectance Spectra and Optical Properties of Some Sulphides and Related Minerals // Mineralogical Magazine. 1979. Vol. 43, No 328. P. 509-518. DOI: 10.1180/minmag.1979.043.328.11.
9. Reich M., Utsunomiya S., Kesler S.E., Wang L., Ewing R.C., Becker U. Thermal behavior of metal nanoparticles in geologic materials // Geology. 2006. Vol. 34, No 12. P. 1033-1036. DOI: 10.1130/G22829A.1
УДК 691.175
DOI 10.24412/cl-37255-2024-1-279-283
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЛАЖНОСТНОГО СОСТОЯНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ НА РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Низина Т.А12, Низин Д.Р.1'2, Селяев В.П.12, Спирин И.П12, Чибулаев И.А.1, Пивкин Н.А.1 1 Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва,
г. Саранск
2 Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН, г. Москва
E-mail: nizinata@yandex.ru
Аннотация. На основе результатов исследования релаксационных процессов эпоксидных полимерных материалов проведена аппроксимация кривых релаксации с помощью ядер релаксации T1(t) и T2(t) уравнения Больцмана-Вольтерры. Определены коэффициенты полиномиальных уравнений, описывающих изменение равновесного напряжения ат ядер релаксации эпоксидных полимеров в зависимости от уровня напряжений, влагосодержания серий образцов и уровня накопленной солнечной радиации. Выявлены различия в изменении характера распределения равновесного напряжения ат в зависимости от влагосодержания серий образцов и суммарной солнечной радиации при повышении уровня релакси-рующего напряжения.
Ключевые слова: полимерные материалы, эпоксидное связующее, релаксация напряжений, влажност-ное состояние, солнечная радиация, уравнение Больцмана-Вольтерры.
Релаксация - это процесс структурной перестройки макромолекул полимера при переходе от одного равновесного состояния в другое под действием внешних условий [1]. В работах [2-5] предложен подход, согласно которому процесс релаксации в структуре полимерного материала происходит за счет взаимодействия и диффузии кинетических единиц - релаксаторов. К релаксаторам могут быть отнесены различные атомные группы, повторяющиеся звенья молекул и целые сегменты макромолекул, а также отдельные элементы свободного (пустого) объема - микрополости, концентраторы напряжения и т. д., которые, при взаимодействии друг с другом, могут перестраиваться, сливаться и диффундировать в объеме материала в процессе релаксации. Для описания взаимодействия релаксаторов предложено использовать ядра T1(t) и T2(t) уравнения Больцмана-Вольтерры [2, 3]:
о = Oo]l- J0tr(r)dr],
учитывающие различные механизмы, регулирующие изменение энтропии в ходе релаксационного процесса.
Ядро Т^) соответствует предположению, что основой процесса релаксации напряжения является взаимодействие релаксаторов, например слияние микропор в одну микрополость и переход в нерелаксирующий материал, где релаксационные процессы уже завершены [3]: Т (У) = _ 5о Г_1___2_1
- , приче
1+т)
где ^(т) = -—-^-р , причем fair) > 0,5; а0 - константа, определяющая долю релаксаторов,
перешедших в нерелаксаторы за малое время задания деформации, а0~10-10; S0 - начальная энтропия системы; кБ - константа Больцмана; m1 - общее число кинетических единиц (релаксаторов и нерелаксаторов) в единице объема; к* = кс$-1; к - константа скорости взаимодействия; с0 - начальная концентрация релаксаторов; fi = (п — 1)-1; п - порядок реакций.
Ядро Т2(т) описывает релаксационный процесс из предположения, что ключевой стадией релаксации является диффузия образующихся нерелаксаторов в материале образца [3]:
Т (У) = _ So \_1___
2( ) kBm2lf2(r)lnf2(T)+[1-f2(T)]ln[1-f2(T)] ln 0,5]'
где f2 (т) = ату характеризует количество мест, занимаемых к моменту времени т кинетическими единицами в процессе их беспорядочного блуждания на решетке; а, у - параметры системы.
Расчет значений параметров ядер релаксации уравнения Больцмана-Вольтерры проводился на основе программного комплекса, реализованного на языке Python [6]. В качестве объектов исследования использовались образцы на основе эпоксидной смолы Этал-247, отвер-ждаемой отвердителями Этал-45М, Этал-1472, Этал-45Т22 [7-9]. Интенсивность накопленной солнечной радиации составляла 0, 400, 800, 1600 и 3200 МДж/м2; уровни растягивающих напряжения варьировались от 2 до 50 МПа в зависимости от влагосодержания серий образцов и длительности климатического воздействия. Предельная концентрация влаги в структуре полимеров достигала 3,79% по массе.
Важным показателем при оценке релаксационных характеристик полимеров является уровень равновесного напряжения ат. Для анализа изменения данного показателя в зависимости от уровня напряжений, влагосодержания серий образцов эпоксидных полимеров и уровня накопленной солнечной радиации были рассчитаны параметры полиномиального уравнения:
= Ь0 + Ъх • Xi + Ъ2 • Х2 + Ьз • Хз + Ъи + Ъ!3 • Хг • Х3 +
+ Ъ23 • Х2 • Х3 + Ъ123 • Х1 • Х2 • Х3 + Ъ11 • Х1 + Ъ22 • Х2 + Ъ33 • X3,
где х1 - уровень напряжений, МПа; х2 - среднее влагосодержание серий образцов, %; Х3 - накопленная суммарная солнечная радиация, МДж/м2.
Изолинии изменения ат в зависимости от варьируемых факторов представлены на рисунках 1-3. Установлено, что характер изолиний равновесного напряжения ат ядер релаксации Т1(t) и Т2(t) уравнения Больцмана, в целом, имеет вид группы эллипсов с одним центром, но различными фокальными радиусами. Выявлено, что для полимера Этал-247/ Этал-45М с увеличением напряжения возрастают значения равновесного напряжения ат ядра релаксации T1(t) уравнения Больцмана-Вольтерры (рис. 1). Центры эллипсов, характеризующиеся наибольшими величинами ат, имеют значения для уровня напряжения 15 МПа -8-10 МПа (рис. 1, а), 20 МПа - 10-12 МПа, 25 МПа - 12-14 МПа (рис. 1, б), 30 Мпа - 14-16 МПа и лежат в диапазоне влагосодержания 0,6-1,2%.
а)
б)
Рисунок 1 - Изолинии изменения равновесного напряжения ат ядра релаксации Тл (£) уравнения Больцмана в зависимости от влагосодержания образцов полимера Этал-247/Этал-45М и интенсивности климатического воздействия при различных уровнях напряжения
(а - 15 МПа; б - 25 МПа)
При анализе изолиний изменения равновесного напряжения ат ядра релаксации уравнения Больцмана в зависимости от влагосодержания образцов полимера Этал-247/Этал-1472 и интенсивности климатического воздействия при различных уровнях напряжения (рис. 2) установлено, что с увеличением уровня напряжения более ярко проявляется обратная зависимость равновесного напряжения ат от концентрации влаги в структуре полимера.
а)
б)
Рисунок 2 - Изолинии изменения равновесного напряжения от ядра релаксации Тг (£) уравнения Больцмана в зависимости от влагосодержания образцов полимера Этал-247/Этал-1472 и интенсивности климатического воздействия при различных уровнях напряжения (а - 30 МПа; б - 50 МПа)
а)
б)
Рисунок 3 - Изолинии изменения равновесного напряжения aœ ядра релаксации Т ( t) уравнения Больцмана в зависимости от влагосодержания образцов полимера Этал-247/Этал-45Т22 и интенсивности климатического воздействия при различных уровнях напряжения (а - 15 МПа; б - 25 МПа)
Изолинии изменения равновесного напряжения aœ ядра релаксации T^t) уравнения Больцмана в зависимости от влагосодержания образцов полимера Этал-247/Этал-45Т22 и интенсивности климатического воздействия при различных уровнях напряжения имеют вытянутую форму эллипсов и ориентацию вдоль диагонали исследуемой области поверхности значений aœ (рис. 3). Наибольшие значения aœ (10-12 МПа) отмечены при низкой концентрации влажности в структуре полимера, диапазоне суммарной солнечной радиации 1600-2400 МДж/м2 и уровне прикладываемого напряжения 25 МПа.
Из анализа подобных (рисунки 1-3) графических зависимостей для трех исследуемых видов полимеров, релаксационные кривые которых аппроксимированы с помощью ядра T2(t), выявлено, что зависимости равновесного напряжения aœ ядер релаксации Ti(t) и T2(t) уравнения Больцмана имеют схожий характер.
По результатам проведенных исследований выявлены различия в изменении характера распределения равновесного напряжения aœ в зависимости от влагосодержания серий образцов и суммарной солнечной радиации при повышении уровня релаксирующего напряжения.
Работа выполнена в рамках реализации Плана фундаментальных научных исследований РААСН и Минстроя России на 2024 год (№ 3.1.2.2 «Продолжение исследований механизмов формирования обратимых и необратимых изменений свойств полимерных материалов в процессе натурного климатического старения»).
Список литературы
1. Александров А.П. Собрание научных трудов. Т. 1. Физика твердого тела. Физика полимеров. М.: Наука, 2006. 333 с.
2. Аскадский А.А., Хохлов А.Р. Введение в физико-химию полимеров. М.: Научный мир, 2009. 384 с.
3. Аскадский А.А., Кондращенко В.И. Компьютерное материаловедение полимеров. Т.1. Атомно-молекулярный уровень. М.: Научный мир, 1999. 544 с.
4. Мацеевич А.В., Аскадский А.А., Мацеевич Т.А. Релаксационные свойства материалов на основе смесей поливинилхлорида и АБС-пластика // Вестник МГСУ. 2015. № 8. С.118-129.
5. Аскадский А.А., Пиминов К.С., Мацеевич А.В. Релаксационные свойства террасных досок, изготовленных из древесно-полимерных композитов (ДНК) // Строительные материалы. 2018. № 6. С 45-52.
6. Низин Д.Р., Низина Т.А., Канаева Н.С. Расчет параметров уравнений Больцмана-Воль-терры для описания процессов релаксации полимерных материалов // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2022666240. 2022.
7. Канаева Н.С., Низин Д.Р., Низина Т.А. Релаксационные свойства полимерных материалов на основе эпоксидных связующих // Эксперт: теория и практика. 2022. № 3. С. 42-46.
8. Низина Т.А., Низин Д.Р., Спирин И.Н., Канаева Н.С. Релаксационные характеристики полимеров на основе эпоксидных связующих // Полимеры в строительстве. 2024. № 1(12). С. 55-57.
9. Канаева Н.С., Низин Д.Р., Низина Т.А., Спирин И.Н., Чибулаев И.А. Влияние уровня напряжения и влажностного состояния серий образцов на релаксационные характе-ристки эпоксидных полимеров [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://joumal.mrsu.ru/arts/vliyanie-urovnya-napryazheniya-i-vlazhnostnogo-sostoyaniya-serij-obrazcov-na-relaksacionnye-xarakteristiki-epoksidnyx-polimerov. - 07.08.24.
УДК 621.791.46
DOI 10.24412/cl-37255-2024-1-283-286
ВНЕШНИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ПРИ СВАРКЕ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ТРУБ
Петров Д.Д., Татаринова С.Д., Аммосова О.А. Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской
академии наук», обособленное подразделение Институт проблем нефти и газа СО РАН, Якутск E-mail: santamar@mail .ru
Аннотация. Исследуется тепловой процесс электромуфтовой сварки полиэтиленовых труб при температурах воздуха ниже нормативных. При сварке в условиях низких температур предлагается внешним нагревателем произвести предварительный подогрев сварного соединения, оплавление в регламентированном режиме и компенсацию ускоренного охлаждения. Приводятся результаты расчетов для полиэтиленовых труб диаметром 110 мм.
Ключевые слова: сварка, полиэтиленовые трубы, низкие температуры, внешний нагреватель, температурное поле.
Полиэтиленовые (ПЭ) трубы всё чаще применяются при строительстве сетей водо- и газоснабжения. Сварку полиэтиленовых труб проводят при температуре окружающего воздуха (ОВ) от минус 15 до плюс 40°С. Такой диапазон температур обусловлен особенностью полимерных материалов, которая заключается в низкой теплопроводности и достаточно медленном формировании структуры материала сварного шва. В связи с этим, особую актуальность приобретают вопросы проведения монтажных и ремонтно-восстановительных работ на газопроводах в условиях низких температур ОВ. Натурные эксперименты по исследованию температурных полей показали, что на этапе оплавления при низких температурах ОВ, происходит недостаточное расплавление материала, разница температур на стыке свариваемых поверхностей при минус 30 и плюс 25°С составляет 25°С [1]. Также из-за низкой температуры периферийных областей скорость охлаждения материала сварного шва увеличивается настолько, что рост кристаллов прерывается до образования упорядоченных надмолекулярных структур, обуславливающих высокую прочность соединения. При температурах воздуха ниже минус 15°С, характерных для многих регионов России, рекомендуется выполнение сварочных работ в укрытиях, в которых с помощью нагревательных приборов поддерживается температура из допустимого интервала.
