Определение значений температуры структурных переходов в полимерах Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 10_

УДК 536.21

В.Д. Попов, О.Н. Попов, Д.В. Трофимов, Н.П. Жуков*, Ней Зо Лин, А.А.Редькина, Л.И. Фаршатова

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет", Тамбов, Россия

392000, Тамбов, ул. Советская, д. 106

* e-mail: teplotehnika@nnn.tstu.ru

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом ** e-mail: redkina_aleksandra@mail.ru

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗНАЧЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СТРУКТУРНЫХ ПЕРЕХОДОВ В ПОЛИМЕРАХ

Аннотация

Рассматривается тепловой метод неразрушающего определения температурных характеристик структурных переходов в полимерных материалах. Численное исследование показало, что структурные переходы, сопровождающиеся тепловыми эффектами, могут быть зафиксированы разработанным методом.

Ключевые слова: измерительная схема, неразрушающий контроль, политетрафторэтилен, структурный переход, тепловой метод.

полиэтилен,

Применяющиеся для изучения полимерных материалов (ПМ) рентгеновские методы, дифференциальный термический анализ,

дифференциальная сканирующая калориметрия и др. требуют изготовления специальных образцов, длительного времени испытания, использования дорогостоящего оборудования.

Среди неразрушающих методов контроля следует отметить тепловой метод и измерительную систему, которые позволяют определять теплофизические свойства (ТФС) твердых материалов и температурные характеристики структурных переходов в ПМ по аномалиям ТФС на температурных зависимостях при нагреве от плоского источника тепла [1, 2].

В данной работе рассматривается тепловой метод неразрушающего определения температурных характеристик структурных переходов

(твердофазных, релаксационных) в ПМ, сопровождающихся тепловыми эффектами [3, 4].

Согласно измерительной схеме метода (рис.1) тепловое воздействие на исследуемый объект из ПМ, имеющий равномерное начальное температурное распределение, осуществляется с помощью двух линейных нагревателей постоянной мощности, встроенных в подложку измерительного зонда (ИЗ). Начальное температурное распределение контролируется одновременно пятью

термоэлектрическими преобразователями

(термопарами), расположенными на поверхности подложки ИЗ. Нагреватели, выполненные в виде полос шириной 2И = 2,2 мм, расположены по обе стороны от центральной оси ИЗ. Один термоприемник расположен на линии центральной оси зонда, остальные термоприемники находятся по обе стороны от нее на определенных расстояниях (2,7 и 4,8 мм).

Рис. 1. Измерительная схема:

1 - нагреватели; 2 - подложка зонда; 3 - исследуемое полимерное тело; 4 - термопары

В результате проведенного численного моделирования теплопереноса методом конечных элементов получены термограммы (зависимости температуры от времени) в заданных точках контроля.

Подложка зонда выполнена из политетрафторэтилена (ПТФЭ). ПТФЭ ниже температуры плавления имеет два эндотермических твердофазных перехода (при 19,6 и 30 °С).

Объект исследования - полиэтилен низкой плотности (ПЭНП).

Теплофизические свойства ПЭНП:

теплопроводность X = 0,32 Вт/(м-К); теплоёмкость с = 1800 Вт/(м-К); плотность р = 920 кг/м3. Режимные характеристики измерений: тепловая мощность на нагревателе задавалась в интервале от 20 до 25 Вт

(соответственно изменялось значение теплового потока ц на нагревателе); частота дискретизации Ах = 0,5 с. Структурный переход в ПЭНП, сопровождающийся эндотермическим тепловым эффектом, моделировался скачком теплоемкости в температурном интервале от 80,5 до 81,5 °С.

На рис. 2 представлены зависимости скорости изменения температуры от времени при численном моделировании теплопереноса в ПЭНП от действия двух нагревателей в виде полос. Данные получены по термограммам в точке контроля, расположенной на центральной оси ИЗ. Структурный переход в ПЭНП явно проявляется при достижении температуры перехода по мере нагревания в соответствующее время. С увеличением мощности источников тепла растет скорость нагрева ПМ.

Рис. 2. Зависимости V = ¡(т), полученные по термограммам

а) ц = 6000 Вт/м2; б) ц = 7000 Вт/м2; в) ц = 8000 Вт/м2; г) ц = 9000 Вт/м2; д) ц = 10000 Вт/м2

Рис. 3. Зависимости V=ДТ), полученные по термограммам

1) ц = 15000 Вт/м2; 2) ц = 14000 Вт/м2; 3) ц = 13000 Вт/м2; 4) ц = 12000 Вт/м2

На зависимости скорости нагрева от температуры (рис. 3) эндотермические структурные переходы можно отследить по резкому падению скоростей нагрева. В исследуемом теле из ПЭНП структурный переход зафиксирован при температуре 80 °С. На зависимостях скорости нагрева от температуры в ПТФЭ переходы проявились при значениях температуры 19,6 и 30 °С.

Применение в качестве материала подложки измерительного зонда политетрафторэтилена

позволяет автоматически фиксировать на температурной шкале значения температуры его твердофазных переходов и тем самым, контролировать калибровку термоприемника.

Таким образом, структурные превращения в полимерных материалах, сопровождающиеся тепловыми эффектами, могут быть зафиксированы разработанным методом по изменениям скорости нагрева поверхности ПМ на температурных зависимостях в точках контроля.

Попов Валентин Дмитриевич, аспирант Тамбовского государственного технического университета, Россия.

Попов Олег Николаевич, ст. преподаватель Тамбовского государственного технического университета, Россия.

Трофимов Денис Валерьевич, студент Тамбовского государственного технического университета, Россия.

Жуков Николай Павлович, профессор Тамбовского государственного технического университета, Россия.

Ней Зо Лин, аспирант кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Редькина Александра Андреевна, аспирант кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Фаршатова Ляйсан Ильдаровна, студент кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Литература

1. Майникова Н.Ф. Измерительная система и метод неразрушающего контроля структурных превращений

в полимерных материалах / Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.. - 2006, №1. -С.56 - 61.

2. Многомодельные методы в микропроцессорных системах неразрушающего контроля теплофизических

характеристик материалов / С.В. Мищенко, Ю.Л. Муромцев, Н.П. Жуков, Н.Ф. Майникова, И.В. Рогов, О.Н. Попов. - Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», - 2012. - 112 с.

3. Теоретическое обоснование метода неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов /

Н.П. Жуков, Н.Ф. Майникова, И.В. Рогов, О.Н. Попов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2010., Т.16. №2. - С.296 - 302.

4. Математическое моделирование теплопереноса от двух нагревателей в полуограниченном теле / Н.П. Жуков, Н.Ф. Майникова, И.В. Рогов, О.Н. Попов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2012., Т.18. №2. - С.327 - 332.

5. Метод неразрушающего контроля структурных переходов в полимерах / Д.Г. Бородавкин, Н.Ф. Майникова, С.С. Никулин // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. - 2014, № С52. - С.20 - 26.

Popov Valentin Dmitrovich, Popov Oleg Nikolaevich, Trofimov Denis Valeryevich, Zhukov Nikolai Pavlovich*, Nay Zaw Lin,Redkina Aleksandra Andreevna**, Farshatova Lyaisan Ildarovna

Tambov State Technical University, Tambov, Russia 392000, Tambov, Sovetskaya Str., 106,

* e-mail: teplotehnika@nnn.tstu.ru

D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.

* e-mail: redkina_aleksandra@mail.ru

STUDY NONDESTRUCTIVE DETERMINATION OF THE STRUCTURAL TRANSITIONS IN POLYMERIC MATERIALS

Abstract

We consider the thermal method of nondestructive determination of the temperature characteristics of structural transitions in polymeric materials. Numerical study showed that structural transitions accompanied by thermal effects, can be fixed the developed method.

Key words: the measuring circuit, non-destructive testing, polymeric materials, the structural transition, thermal method.