CC BY
19
УДК 536.42
А.В. Гришин, Е.С. Селянина, С.С. Никулин, Ю.В. Олихова, Н.Ф. Майникова*
Тамбовский государственный технический университет, Тамбов, Россия 392000, Тамбов, ул. Советская, д. 106
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, Миусская пл., д.9 * e-mail: teplotehnika@nnn.tstu.ru
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗНАЧЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СТРУКТУРНЫХ ПЕРЕХОДОВ В ПОЛИМЕРАХ НЕРАЗРУШАЮЩИМ СПОСОБОМ
Разработан экспресс-метод теплового неразрушающего контроля температурно-временных характеристик структурных переходов в полимерных материалах. Зарегистрирована температура твердофазного перехода в политетрафторэтилене при разных скоростях нагрева.
Ключевые слова: неразрушающий контроль, полимеры, структурный переход, тепловой анализ, температура перехода.
При исследовании полимерных материалов (ПМ) важную роль приобретают методики, в которых значения физических свойств фиксируются в виде кривых в ходе изменения состояний полимерного образца в динамическом термическом режиме при нагреве (реже - при остывании). При такого рода исследованиях в полимере обнаруживаются: во-первых, закономерные изменения ряда свойств; во-вторых, агрегатные и фазовые превращения; в-третьих, ПМ проходит последовательно ряд состояний, характерных для определенного участка, либо для всей температурной области его существования. Состояния эти, как правило, неравновесны; степень неравновесности определяется природой, исходным состоянием и термической историей образца ПМ, значением температуры и скоростью ее изменения [1, 2].
В политермических методах исследования температура выступает не только как термодинамический параметр состояния, но и как кинетический фактор, влияющий на течение свойственных ПМ релаксационных процессов, фазовых переходов и химических превращений. Влияние кинетических факторов можно выявить, проводя опыты с различными скоростями нагревания образца, при этом одна и та же температура достигается при разной длительности процесса. Следует особо отметить, что реализация постоянной скорости нагрева полимерного тела играет существенную роль при исследованиях релаксационных переходов в полимерных материалах [1, 2].
В данной работе представлены описание и примеры реализации метода неразрушающего контроля (НК) температурно-временных характеристик структурных превращений в ПМ по аномалиям на зависимостях скорости изменения
температуры в нескольких точках контроля, расположенных в плоскости контакта подложки измерительного зонда (ИЗ) с исследуемым телом (рис. 1). Тепловое воздействие на поверхность изделия осуществляется от круглого плоского нагревателя, встроенного в подложку ИЗ [1]. В ходе эксперимента регистрируется температура поверхности ПМ (термограмма) несколькими термоприемниками (ТП); определяется первая производная по времени от температуры, выражающая скорость (V *) ее изменения. Постоянная скорость нагрева изделия в локальной области, расположенной вблизи нагревателя, реализуется с помощью информационно-измерительной системы [3].
Рис. 1. Измерительная схема метода Для расчета текущих значений скорости V * изменения температуры термограмма разбивается на интервалы с номерами точек 1 ... к; 2 ... к + 1; и — к + 1 ... и, где к - количество точек в интервале, целое положительное нечетное число (к > 3); и -количество точек в термограмме; г - номер интервала. Определение линии регрессии для каждого интервала проводится по методу наименьших квадратов. В качестве расчетного уравнения использовано уравнение линейной зависимости.
По линиям регрессии определяли скорости изменения температуры, которые относили к температуре Т, середины каждого интервала.
Для проверки работоспособности метода проведены исследования на изделии из политетрафторэтилена (ПТФЭ).
ПТФЭ претерпевает полиморфные превращения (переходы) при температурах, далеких от области плавления. При температуре ниже 19,6 °С элементарная ячейка ПТФЭ имеет триклиническую структуру. В интервале от 19,6 °С до 30 °С существует гексагональная элементарная ячейка, выше 30 °С стабильной становится псевдогексагональная решетка. Теплоты переходов составляют соответственно: 4,0+0,5 кДж/кг и 1,2+0,3 кДж/кг.
На рис. 2 представлены термограммы, полученные на изделии из ПТФЭ в области нагревателя (1), на расстояниях г\ = 7 мм (2) и г2 = 9 мм (3) от центра нагревателя при следующих условиях: начальная температура Тн = \6,5 °С; радиус нагревателя Лил = 4 мм; временной шаг измерения температуры Дт = 0,25 с; скорость нагрева локальной области ПМ, расположенной под нагревателем, V *« 5 К/мин. На термограммах (рис. \б) твердофазные переходы в ПТФЭ явно не проявились.
Т, °С
70 -60 -50 -40 -30 -20 -\0 -
0 2 4 6 8 \0 \2 \4 х, мин Рис. 2. Термограммы
, К/мин
0
0 2 4 6 8 \0 \2 \4 х, мин
Рис. 3. Зависимости V *= ¡(т) в точках контроля Зависимости V *= Г(х), построенные термограммам, представлены на рис. На кривых 2 и 3 (рис. 3) после шестой и восьмой минут нагрева проявляются
"структурочувствительные" свойства в области, в которой возможны твердофазные превращения
по 3.
ПТФЭ, сопровождающиеся тепловыми эффектами. Однако, по данным, представленным на рис. 3, трудно определить значение температуры (интервал температур), при которой происходит структурное превращение. Построение зависимостей V *= ^Т,) позволяет выявить это более точно по явным ступенькам на графиках.
, К/мин
\,5 -
0,5 -
\6
20
24
г
26
28 Т, °С
Рис. 4. Зависимости V *= полученные по термограммам, снятым на расстоянии п = 7 мм от центра нагревателя. Скорость нагрева ПТФЭ в области нагревателя: 1) V 9 К/мин; 2) V *» 5,9 К/мин; 3) V*» 5 К/мин; 4) V2,3 К/мин V *, К/мин ,
\,2
0,8
0,6
0,4
0,2
0
\6 \8 20 22 24 26 Т,, °С
Рис. 5. Зависимости V *= ¡(1^), полученные по термограммам, снятым на расстоянии Г2 = 9 мм от центра нагревателя. Скорость нагрева ПТФЭ в области нагревателя: 1) V *я 9 К/мин; 2) V 5,9 К/мин;
3) V 5 К/мин; 4) V 2,3 К/мин На рис. 4 и рис. 5 представлены зависимости V *= :£(Т(), полученные на расстояниях г2 = 7 мм и г3 = 9 мм от центра нагревателя. Скорость нагрева ПТФЭ в области нагревателя: 1) V *«9 К/мин; 2) V *«5,9 К/мин; 3) V К/мин. 4) V *«2,3 К/мин. Структурный переход в ПТФЭ на всех кривых (\ - 4) проявился ступеньками приблизительно при одной и той же температуре (около 20 °С), что позволило идентифицировать его как твердофазный, а не релаксационный. В отличие от фазовых переходов, которые происходят при
постоянных температурах, температура релаксационного перехода смещается в сторону более высоких значений с ростом скорости нагрева.
Таким образом, когда в ПМ в исследуемом диапазоне температур существуют структурные
переходы, сопровождающиеся тепловыми эффектами, на зависимостях V *= Д(т) и V *= ДГД полученных по предлагаемому методу, наблюдаются аномальные изменения скорости нагрева.
Гришин Александр Витальевич студент Тамбовского государственного технического университета, Россия, Тамбов
Селянина Елена Сергеевна студентка Тамбовского государственного технического университета, Россия, Тамбов
Никулин Сергей Сергеевич к.т.н., старший преподаватель кафедры Энергообеспечение предприятий и теплотехника Тамбовского государственного технического университета, Россия, Тамбов
Олихова Юлия Викторовна к. т. н., доцент кафедры технологии переработки пластмасс РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Майникова Нина Филипповна д.т.н., профессор кафедры Энергообеспечение предприятий и теплотехника Тамбовского государственного технического университета, Россия, Тамбов
Литература
1. Берштейн В. А., Егоров В.М. Дифференциальная сканирующая калориметрия в физикохимии полимеров. Л.: Химия, 1990. 256 с.
2. Майникова Н.Ф., Мищенко С.В., Жуков Н.П., Рогов И.В. Методы и средства неразрушающего теплового контроля структурных превращений в полимерных материалах: монография / Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. 320 с.
3. 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.
4. Майникова Н.Ф. Измерительная система неразрушающего контроля структурных превращений в полимерных материалах // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2006. № 9. С. 45-48.
Grishin Aleksandr Vitalyevich, Selyanina Elena Sergeevna, Nikulin Sergey Sergeevich, Olikhova Yuliya Viktorovna, Maynikova Nina Filippovna*
Tambov State Technical University, Tambov, Russia.
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia
* e-mail: teplotehnika@nnn.tstu.ru
DETERMINATION OF STRUCTURAL TRANSITION TEMPERATURE IN POLYMERS USING NON-DESTRUCTIVE METHOD
Abstract
Developed a rapid method of nondestructive testing of thermal characteristics of structural transitions in polymeric materials. Solid-phase transition temperature in polytetraftorethylene is registered at different heating rates.
Key words: nondestructive testing, polymers, structural transition, thermal analysis, the transition temperature.
