CC BY
45
1/2П11 ВЕСТНИК
j/2012_мгсу
ПОЛУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКИ-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ и со-ОРУЖЕНИЙМ МЕТОДОМ ФОТОУПРУГОСТИ
GETTING OPTICAL SEBSITIVITY OF POLYMER MATERIALS FOR THE SIMULATION OF STRESS-STRAIN STATE STRUCTURES AND CO-ORUZHENIYM PHOTOELASTICITY METHOD
A.C. Маршалкович, A.A. Аскадский
A.C. Marshalkovich, A.A. Askadskii
ГОУ ВПО МГСУ
Рассмотрено несколько серий синтезированных оптически чувствительных материалов для исследования процессов разрушения горных пород взрывом. Показана возможность направленного синтеза полимеров, связанная с прогнозированием расчетным методом некоторых характеристик сетчатых полимеров по их химическому строению.
Reviewed several series of synthesized optically sensitive materials for studying the processes of rock explosion The possibility of direct synthesis of polymers associated with the prediction of the calculated method of some characteristics of network polymers on their chemical structure.
Использование поляризационно-оптического метода исследования напряжений (метода фотоупругости) для решения разнообразных конструкционных задач в строительной и машиностроительной практике, в горном деле и др. в значительной мере определяется наличием модельных полимерных материалов с необходимым комплексом оптико-механических свойств, обеспечивающих выполнение условий подобия распределения полей напряжений и деформаций в модельных материалах. Именно поэтому по инициативе Г.Л. Хесина в лаборатории исследования напряжений при активной поддержке И.А. Стрельчука был создан сектор Синтеза оптически-чувствительных полимеров. При этом Н.А. Стрельчук, являвшийся одним из научных руководителей лаборатории, принимал активное участие в работе сектора, и под его руководством были успешно защищены 2 кандидатские диссертации (всего аспирантами и сотрудниками этого секторе было защищено 10 кандидатских диссертаций).
В настоящей работе приводятся результаты, полученные в лаборатории исследования напряжений, по разработке нескольких серий оптически чувствительных полимеров, используемых для различных направлений метода фотоупругости.
При осуществлении синтеза оптически чувствительных полимеров необходимо иметь в виду, что разные направления метода фотоупругости предъявляют к модельным материалам свои специфические требования [12]. В частности, для моделирования композитных конструкций, сочетающих в себе различные натурные материалы
(сталь, железобетон, стеклопластик и др.), методом «замораживания» необходимы полимеры с широким диапазоном значений модуля упругости Е (1:10 и выше) в высокоэластическом состоянии (Еш), имеющих при одинаковой температуре «замораживания» (Тздм) такое же соотношение, как и у натурных материалов.
Решение разнообразных задач динамики сплошных сред методом динамической фотоупругости требует наличия модельных полимеров, обладающих различной акустической жесткостью.
Для исследования напряженно-деформированного состояния конструкций, работающих в условиях естественного трещинообразования, требуются оптически чувствительные полимеры, у которых соотношение предела прочности на сжатие ЯсЖ к пределу прочности на растяжение ЯР было бы таким же, как у натурных материалов (например, у железобетона Ясж: Кр = 12- 20).
Для решения большинства температурных задач методом термофотоупругости необходимо наличие полимерных материалов с различными коэффициентами линейного расширения и коэффициентом Пуассона, отличным от 0,5 (в высокоэластическом состоянии). А для решений инженерных задач в конструкциях, состоящих из материалов с вязкоупругими свойствами, методом фотоползучести требуются полимеры, обладающие наряду с высокой оптической чувствительностью отчетливо выраженным вязкоупругим поведением [12].
Поэтому большое значение имеет проблема направленного синтеза оптически чувствительных полимерных материалов, непосредственно связанная с установлением зависимости между физико-механическими параметрами материала и его химическим строением и составом, а также прогнозированием с помощью расчета некоторых характеристик сетчатых полимеров по их химическому строению.
Такие расчетные схемы для прогнозирования некоторых физических и механических характеристик разработаны [1,4,10]. В результате в лаборатории исследования напряжений были синтезированы полимерные материалы для решения разнообразных задач поляризационно-оптическим методом.
1. Оптически-чувствительные полимеры для решения задач волновой динамики
Известно[11], что при исследовании напряженно-деформированного состояния методом динамической фотоупругости в качестве оптически чувствительного материала для изготовления моделей в основном используются жесткие сетчатые полимеры на основе эпоксидных олигомеров, отвержденных ангидридами органических кислот, в которых скорость распространения продольных волн (ср) составляет 1900-2000 м/с.
Для исследования процессов разрушения горных пород взрывом методом динамической фотоупругости были синтезированы хрупкие материалы - сополимеры диал-лилфталата с диаллилмалеинатом, в которых динамический модуль упругости (Ед) составляет 4,7-5,7-103 МПа, а ср = 2060-2200м/с [8].
Для расширения диапазона моделирования распространения сейсмических волн в упругих средах с низкомодульными прослойками приобретает большое значение задача создания фотоупругих модельных материалов с низкими акустическими характеристиками. Ранее [4,11] нами были получены вязкоупругие эпоксидно-ангидридно-кислотные оптически чувствительные материалы, обладающие статическим модулем упругости 2500^300МПа, но в условиях динамического нагружения их оптико-
1/2011 ВЕСТНИК
_¥2°12_мгсу
механические свойства отличаются незначительно от свойств обычного эпоксиангид-ридного полимера.
Низкими акустическими характеристиками (ср =1000 м/с) обладают полимерные материалы серии ЭПАСК-ЭМ, полученные на основе алифатического эпоксидного олигомера, отвержденного сульфаниламидом и аллилакриламидом. Этот материал использовался для моделирования волновых процессов в средах с большим поглощением энергии методом динамической фотоупругости, однако, ЭПАСК-ЭМ имеет ярко выраженное неупругое затухание волн с расстоянием, что значительно снижает диапазон исследуемых задач [8].
Поэтому для расширения диапазона моделирования волновых процессов в упругих средах с низкомодульными прослойками методом динамической фотоупругости потребовалось осуществить синтез упругих низкомодульных оптически чувствительных полимеров по двум направлениям [13]: синтез взаимопроникающих полимерных сеток (ВПС) путем одновременного отверждения эпоксидно-ангидридного компаунда и бис-(аллилкарбоната)-полипропиленгликоля (БАКПГ), а также полициклотримери-зация карбофункциональных кремнийорганических макродиизоцианатов, синтезированных при взаимодействии олигомерных кремнийорганических диолов с двойным мольным избытком 2,4-толуилендиизоцианата. В обоих случаях процесс полимеризации контролировался методом ПК-спектроскопии.
Процесс получения материала на основе ВПС заключался в приготовлении эпоксидного компаунда путем смешения в емкости, нагретой до 70°С, эпоксидного олигомера ЭД-20 с изометилтетрагидрофталевым ангидридом и ускорителем - 2,4,6-трис-диметиламинометилфенолом (ТДАМФ). Через 1 час после перемешивания в компаунд вводится жидкий БАКПГ:
СН2 = СН - СН2 - О - COO -[СН СП, - СН2 - 0]7 - СОО -О - СН2 -СН = СН2 , смешанный с инициатором (перекисью да^еда-бутилпербензоата), после чего реакционная смесь перемешивалась при 70°С в течение двух часов, а затем заливалась в форму из силикатного зеркального стекла, в которой отверждалась по режиму, описанному в [6]. В результате были получены прозрачные полимерные материалы желтоватого цвета, хорошо поддающиеся механической обработке.
У полученных полимеров были исследованы динамические оптико-механические свойства на поляризационно-динамической установке ВФУ. Величины скоростей распространения продольных ( ср) и поперечных (cs) волн определялись по углу наклона интерференционных полос. Величина динамического коэффициента оптической чувствительности по напряжению (С„) определялась на образцах в виде стержня с помощью одновременной регистрации картины интерференционных полос и смещения точки модели.
Оптико-механические свойства синтезированных полимеров на основе ВПС приведены в таблице 1. Из анализа этих данных видно, что с увеличением содержания БАКПГ оптическая чувствительность возрастает. Это объясняется наличием в межузловой цепи анизотропной карбонатной группы, л-электронное облако которой способно смещаться в поле механических сил, увеличивая тем самым суммарную анизотропию поляризуемости.
С увеличением в полимере БАКПГ уменьшается значение Ед, ср и cs, что связано с появлением в структуре гибкой сетки, содержащей полипропиленовые фрагменты. При этом исследования показали, что снижение акустических характеристик сопровождается незначительным затуханием волн с расстоянием. Поэтому полученные оптически чувствительные полимерные материалы могут быть использованы для исследо-
вания на составных моделях методом динамической фотоупругости распространения сейсмических волн и их взаимодействия с сооружением при наличии в средах как естественных низкомодульных прослоек, имеющих низкую акустическую жесткость, так и искусственно созданных с помощью контурного взрывания экранов при различии акустических жесткостей основной среды и слоя.
Таблица 1
Оптико-механические свойства эпоксидно-аллилкарбонатиолипропиленгликоливого полимера (20оС)
Массовый состав % Ед, МПа м/с с8, м/с С„х 10-6, МПа"1
Эпокс. компаунд БАКПГ
100 0 4360 2060 1140 21.50
70 30 2590 1610 940 50,56
65 35 2260 1310 915 -
60 40 1590 1184 694 52,50
55 45 1130 985 669 44,39
Другая серия оптически чувствительных модельных материалов была синтезирована на основе сетчатых карбофункциональных кремнийорганических полиизоциану-ратов (ККПИЦ) с различной, но малой длиной межузлового фрагмента[5]:
Я К
где Я: - ЪТН- СО - О - (СЩ2 - О - СН2 - [Б1(СНз)2 - 0-]п Б1(СНз)2 -СН2 -О - (СЩ2 -О -СО - ЪТН-
Отверждение полимерной композиции проводилось по режиму, описанному в [5]. В результате были получены прозрачные светло-желтые образцы полимеров, поддающиеся механической обработке.
Для выявления вязкоупругих свойств полученных полимеров блочные образцы из них были исследованы на релаксацию напряжений. Исследования проводились в изо-
термических условиях на приборе для микромеханических испытаний образцов полимеров конструкции Дубова-Регеля. Оптико-механические свойства полученных материалов исследовались в условиях ползучести на установке, описанной в [11]. Исследование оптико-механических свойств синтезированных полимеров при воздействии на них импульсных нагрузок проводилось на установке ВФУ по методике, описанной выше.
Для сравнения использовали образцы типичных вязкоупругого и упругого материалов: эпоксидного олигомера ЭД-20, отвержденного ангидридом полисебациновой кислоты (ПСА) в присутствии азелаиновой кислоты (АЗК); и ЭД-20, отвержденного метилтетрагидрофталевым ангидридом (МТГФА). Нахождение переходной зоны (из стеклообразного в высокоэластическое состояние) вязкоупругого материала в области температур от -5 до 34°С позволило, изменяя температуру испытания, проводить сравнение релаксационных свойств исследуемых полимеров при одинаковых значениях начального модуля упругости.
Анализ кривых релаксации напряжений показал, что абсолютная величина спада напряжений после достижения участка малой скорости релаксации для образцов ККПИЦ примерно такая же, как и для стеклообразного материала (ЭД-20 + МТГФА), и значительно меньше, чем для вязкоупругого полимера (ЭД-20 + ПСА + АЗК). Следовательно, для синтезированных полиизоциануратов характерно упругое поведение.
Оптико-механические свойства синтезированных полимеров представлены в таблице 2. Как видно из таблицы, в ряду полиизоциануратов, различающихся только количеством диметилсилоксановых звеньев между узлами сетки, оптическая чувствительность по напряжению с ростом величины межузлового фрагмента п возрастает. Очевидно, повышение оптической чувствительности несмотря на уменьшение концентрации групп с большей анизотропией поляризуемости (изоциануратный цикл, ароматические кольца) связано с повышением подвижности макроцепи, зависящей как от концентрации узлов в сетке, так и от количества диметилсилоксановых звеньев, обладающих низкой потенциальной энергией вращения связи.
Таблица 2
Оптико-механические свойства сетчатых полиизоциануратов
п Статическое нагружение Динамическое нагружение
Е, МПа Са х 106, МПа-1 Ср, м/с Ед, МПа С0Д х 106, МПа-1
1,2 866 433,3 1980 4820 210,0
2,5 283 478,9 1700 3450 237,4
3,8 149 505,5 1270 1897 260,0
5,4 - 682,5 1000 1140 303,4
6,2 43 791,3 800 730 341,3
9,2 24 1331,7 570 360 546,0
Динамические характеристики свойств синтезированных полиизоциануратов в значительной мере отличаются от статических из-за влияния временного фактора. Так, при действии кратковременных импульсных нагрузок процессы, связанные с регист-
рацией в модели оптической картины полос, имеют продолжительность от нескольких микросекунд до сотен микросекунд. В этом случае обычные квазистатические испытания на ползучесть и релаксацию напряжений не могут отражать сути происходящих при динамическом воздействии явлений, протекающих в полимерном материале. Анализ полученных на установке ВФУ фотограмм показал, что продольные и поперечные волны распространялись по стержню из исследуемых материалов с постоянной скоростью. Значения скорости распространения продольной волны ср и Ед, рассчитанного по уравнению Ед = рср2 (где р - плотность материала) представлены в таблице 2. Как видно из таблицы для исследуемых материалов наблюдается широкий диапазон значений сР (2000 - 500 м/с) и Ед (5000 - 300 МПа).
С целью изучения вязкоупругих свойств синтезированных нами кремнийорганических полиизоциануратов в условиях динамического воздействия по полученным фотограммам построены импульсы картин полос ш(1) в различных сечениях I стержней, при этом, значения импульсов ш(1) были нанесены на один график со сдвигом во времени. Установлено, что в отличие от типичного вязкоупругого полимера для сетчатых полиизоциануратов с п = 1 - 9 характерно незначительное изменение формы импульсов и их длительностей, наблюдаемое с увеличением пройденного в стержнях расстояния, что свидетельствовало об их малой вязкости при импульсном нагружении.
Для более полного исследования характера свойств рассмотренных полимеров построены кривые затухания амплитуды импульса ш(1) с увеличением расстояния от нагружаемого торца [13]. Установлено, что коэффициенты затухания амплитуды импульса для образцов сетчатых полиизоциануратов практически совпадают с коэффициентом затухания упругого материала и значительно ниже, чем у вязкоупругого. Следовательно, свойства ККПИЦ с количеством диметилсилоксановых фрагментов между узлами сетки от 1 до 9 близки к упругим в микросекундном диапазоне времени воздействия.
Таким образом, синтезированные нами оптически чувствительные полиизоциану-раты существенно отличаются от традиционно используемых, для которых при различающимся статическом модуле упругости характеристик одинаковые значения Ед, что препятствовало их применению при решении ряда динамических задач. В результате получаемые полиизоцианураты были использованы в сочетании с эпоксиангид-ридным полимером (ЭД-20 + МА) при изучении вопроса сейсмического воздействия взрывной волной на инженерные сооружения с помощью экранирующей прослойки.
2.Модельные материалы для решения статических задач
Оптически чувствительные материалы для моделирования составных конструкций методом «замораживания»
Из анализа свойств ранее синтезированных нами эпоксиангидридных и эпоксиа-минных полимеров следует, что полученные оптически чувствительные материалы имеют в высокоэластическом состоянии соотношение модулей упругости 1:2,5 (Е = 12-35 МПа) при близких значениях ТЗАМ. Следовательно, варьированием химической природы отвердителя большего различия Е эпоксидных полимеров с воспроизводимыми и стабильными свойствами получить нельзя.
Однако, предпосылки для направленного синтеза полимеров с большим различием Е имеются. Известно, что широко используемые в практике метода фотоупругости эпоксидные олигомеры имеют различное содержание эпоксидных групп (от 16 до 23,5%). Нами осуществлено эпоксидных олигомеров (ЭД-16, ЭД-20, ЭД-22) стехио-
метрическими количествами разных ангидридных отвердителей. Исследованные свойства полученных материалов показали [7], что использование различных олигомеров при отверждении метилтетрагидрофталевым ангидридом (МТГФА) не приводит к существенному изменению Е этих эпоксидных полимеров. Это объясняется тем, что более подвижные и объемные циклы в молекулах МТГФА (и изо-МТГФА) могут сравнительно легко менять конфигурацию, это приводит к большей разрыхленности структуры (а значит, и к уменьшению Е), в отличие от жесткого остатка малеинового ангидрида (МА).
Таблица 3
Оптико-механические свойства синтезированных эпоксидных полимеров
Эпоксидный олигомер Ангидрид Модификатор Еш, МПа „ 1,0 * МПа/полоса ТзАМ 0С
ЭД-22 МА - 56,2 4,3 154
ЭД-22 (100) МА (58) АЭО (25) 60,8 7,6 159
ЭД-22 (100) МА (79) АЭО (68) 92,0 8,9 171
ЭД-22 (100) МА (85) АЭО (81) 104,2 11,9 167
ЭД-22 (100) МА (94) АЭО (100) 94,2 8,1 168
* а о1'0 = X / Сп - цена полосы по напряжению; ** в скобках дается состав компонентов в массовых числах
Кроме того, нами были синтезированы эпоксиполимеры, модифицированные ал-лилэпоксидным олигомером (АЭО) [9], оптико-механические свойства которых представлены в таблице 3. Анализируя данные этой таблицы, можно отметить, что введение модификатора значительно увеличивает Е (даже по сравнению с эпоксиполимера-ми, отвержденными МА). Таким образом, нами получены эпоксидные оптически чувствительные полимеры, имеющие соотношение модулей упругости 1:7, пригодные для изготовления сложных объемных моделей при исследовании составных конструкций методом «замораживания».
Для моделирования композитных конструкций методом фотоупругости часто требуются разномодульные полимеры с регулируемым Е (в интервале от 10 до 103 МПа) и при комнатной температуре (200С), но при этом остававшиеся упругими материалами. Однако, все известные полимерные материалы, находящиеся в стеклообразном состоянии, независимо от химического строения имеют примерно одинаковый Е в пределах 1-103— 5-103 МПа. Те полимеры, которые имеют при комнатной температуре низкий Е (условно-мгновенный модуль), находятся в области перехода из стеклообразного состояния в высокоэластическое и проявляют ярко выраженную вязкоупру-гость.
Поставленная задача получения разномодульных упругих полимерных материалов была решена путем синтеза частосетчатых полимеров, содержащих в своей структуре объемные жесткие узлы, связанные друг с другом гибкими линейными цепями регулируемой длины. Высокая гибкость межузловых цепей должна определить низкие значения температуры стеклования (Тс) и устойчивое поведение полимера в широком интервале температур ниже комнатной, а присутствие жестких циклических узлов - их повышенные модули упругости.
Синтез таких полимеров был осуществлен в 2 стадии [2,3]. Сначала синтезировали олигомерный диизоцианат (ОДЦ) по реакции уретанообразования присоединением диизоцианата к олигомерному полиэфирдиолу (сополимеру тетрагидрофурана с окисью пропилена):
О = О = К- я' - КСОО - Я - ОСОКИ - я' - N = О = О , где Я: - { [ О(СИ2)4]т- (ОСИ2 - СНСИз)п }-
В результате последующей полициклотримеризации (ПЦТ) были получены сетчатые полимеры [2], в которых узлами служили изоциануратные циклы, а связывающие их линейные фрагменты, их длина и гибкость определялись структурой выбранного полиэфира. С увеличением избытка в исходной реакционной смеси циклического диизоцианата по отношению к ОДЦ в сетчатом полимере возрастает доля жестких структур. Таким образом, при необходимости можно варьировать соотношением гибких (полиэфирных) и жестких (изоциануратных ядер) фрагментов и этим менять механические свойства в широких пределах.
Для проверки действительной возможности такого регулирования свойств полимеров предварительно по методике [4] был проведен расчет Тс получаемых сетчатых полимеров в зависимости в зависимости от их химического строения. Расчеты показали, что с повышением доли гибких фрагментов (ОДЦ) происходит плавное снижение Тс (табл. 4).
У полученных образцов полимеров были исследованы оптико-механические свойства. Е определяли по кривым сжатия, полученных на приборе Дубова-Регеля на цилиндрических образцах. Цену полосы по напряжению о0 1,0 определяли при на-гружении диска [11]. Результаты исследований приведены в таблице 4, в которой также приводятся Тс и плотность (р) синтезированных материалов, которая определяется методом гидростатического взвешивания.
Из таблицы 4 видно, что в синтезированных полимерах Е меняется от 4,5 МПа (что характерно для резиноподобных материалов) до 2000 МПа (что характерно для жестких полимеров) при сохранении достаточно высокой оптической чувствительности. При этом такое изменение Е проходило плавно в пределах одного и того же образца материала без границ раздела и промежуточных слоев. Кроме того, из кривых релаксации для образцов, вырезанных в различных точках градиента Е, было установлено [2], что механическое поведение синтезированных полимеров характерно для упругих материалов по всей длине образца (а не вязкоупругих).
Таблица 4
Физические и оптико-механические свойства изоциануратных полимеров
Содержание ОДЦ Е, ~ 1,0 00 ' , Р , Тс °К
в композиции, МПа г/см3
мольная доля МПа/полоса
1 4,5 - 1,085 214
0,83 8,5 0,15 1,060 216
0,56 10,5 0,15 1,087 220
0,40 41,0 0,32 1,090 225
0,25 167,0 0,54 1,118 234
0,14 513,0 0,93 1,146 250
0,09 702,0 1,04 1,810 270
0,02 1980,0 - 1,912 281
Таким образом, показана возможность синтеза оптически чувствительных полимеров с градиентом модуля упругости, меняющимся в пределах одного и того же образца материала. Это позволяет получать модели сложной конфигурации с различающимися Е в пределах одного и того же изделия без традиционных способов склеивания в модели одного материала с другим. Эта принципиально новая технология позволит проводить исследования напряженно-деформированного состояния сложных составных конструкций методом фотоупругости.
Хрупкие оптически чувствительные полимеры для исследования трещинооб-разования в конструкциях
Для получения хрупких оптически чувствительных материалов была осуществлена гомополимеризация и сополимеризация тетра- и гексафункциональных ал-лиловых мономеров в массе в присутствии перекиси бензоила и перекиси трет-бутила по разработанному режиму [11]. При этом установлено, что гомополимеризация и сополимеризация гексафункциональных аллиловых мономеров протекает со значительной усадкой, приводящей к растрескиванию материала. Поэтому, чтобы получить монолитные блоки полимеров, отличающиеся большой усадкой, был разработан специальный режим полимеризации таких мономеров в условиях всестороннего сжатия [11].
Как показали исследования, гомополимеры на основе диаллилмалеината (ДАМ), три-аллилфосфата (ТАФ) и триаллилцианурата (ТАЦ) имеют высокую хрупкость (Я^/Яр = 26-53, удельная ударная вязкость ап = 0,7-1,6 кДж /м2). Такие материалы трудно подвергать механической переработке. Поэтому гомополимеры гексафункциональных аллиловых соединений трудно использовать в практике моделирования и необходимо получить оптически-чувствительные полимеры, сочетающие в себе высокую хрупкость с хорошей механической обрабатываемость. Для получения таких материалов был осуществлен синтез сополимеров диаллилфталата (ДАФ) с ДАМ, ТАФ и ТАЦ [11].
Было установлено, что все полученные полимеры обладают повышенной прозрачностью, а оптико-механические свойства этих материалов в случае одноосного растяжения практически не имеют механической и оптической ползучести, время установления равновесной деформации и оптической разности хода при этом не превышают 2-х минут (с увеличением в сополимере содержания звеньев гексафункциональ-ного мономера это время уменьшается). У таких материалов равновесные деформации и оптическая разность при растяжении пропорциональны величинам напряжений вплоть до стадии разрушения
С увеличением в сополимерах мольного содержания исходного гексафункцио-нального мономера (ДАМ, ТАФ, ТАЦ) Е и отношение Ясж/Кр возрастают, а предельная растяжимость еР и удельная ударная вязкость ап понижаются (табл. 3), что объясняется увеличением частоты сшивки полимера.
Исследования показали, что полученные нами хрупкие полимеры можно рекомендовать в качестве оптически чувствительных материалов для моделирования процессов трещинообразования и разрушения в различных конструкциях поляризацион-но-оптическим методом. В частности, на примере сополимеров о-диаллилфталата с диаллилмалеинатом показана принципиальная возможность использования полученных материалов для изучения методом фотоупругости напряженно-деформированного состояния железобетонных изгибаемых элементов на стадии трещинообразования на армированных моделях и с помощью оптически чувствительных покрытий.
3. Вязкоупругие оптически чувствительные полимеры для решения задач методом фотоползучести
Как указывалось выше, для решения различных задач методом фотоползучести требуется наличие оптически чувствительных полимеров с реологическими свойствами, подобным свойствам натурных материалов конструкций. Синтез вязкоупругих модельных материалов осуществлялся по двум направлениям [11]: получение оптически-чувствительных материалов на основе эпоксидно-тиокольных компаундов, отвер-жденных додеценилянтарным ангидридом (ДДЯА), и синтез оптически-чувствительных полимеров на основе эпоксидных компаундов, модифицированных полиалкиленгликолями (ПАГ).
Следует отметить, что громоздкий алкиленовый радикал ангидрида С12Н23, оказывающий пластифицирующее воздействие на отвержденный компаунд, позволяет добиться необходимого вязкоупругого эффекта при меньшем содержании тиокола. Отверждение компаунда проходит в присутствие ускорителя полимеризации ТДАМФ по разработанному температурно-временному режиму [11].
Оптико-механические свойства отвержденных эпокси-тиокольно-ангидридных компаундов (ЭТАК) были исследованы на установке, созданной в лаборатории исследования напряжений, в условиях одноосного растяжения плоских образцов. Как и для всех сетчатых полимеров, для ЭТАК характерна тенденция к затуханию ползучести во времени, а в зависимости от содержания тиокола в компаунде изменяется продолжительность участка развивающейся ползучести. По кривым механической и оптической ползучести строятся соответствующие изохронные кривые ползучести для различных моментов времени, по которым судят о характере ползучести. Полученные результаты представлены в [11].
Общая деформация е в отвержденных ЭТАК состоит из упруго-мгновенной еу и высокоэластической еэл деформаций, при этом вклад каждой из них (и соответственно составляющих оптической разности хода) при данной температуре и напряжении зависит от содержания тиокола в отвержденном полимере. С увеличением концентрации тиокола в ЭТАК имеет место переход полимеров из стеклообразного состояния (при отсутствии тиокола) в высокоэластическое (содержание тиокола более 100 вес.ч.).
Для ЭТАК, находящихся в стеклообразном состоянии, оптическая и механическая ползучесть имеет слабовыраженный характер. Для отвержденных компаундов, находящихся в переходном состоянии (15-80 вес. ч. тиокола), времена релаксации с ростом напряжения уменьшаются, что приводит к нелинейной зависимости между напряжением и деформацией (или оптической разностью хода). При дальнейшем увеличении содержания тиокола в компаунде полимер приближается к высокоэластическому состоянию (содержание тиокола 100 вес.ч.), и развивающаяся деформация быстро достигает предельной величины из-за высокой скорости протекания релаксации, а зависимость между деформацией и напряжением (также как между оптической разностью хода и напряжением) становится линейной.
При синтезе оптически чувствительных полимеров на основе эпоксидных компаундов, модифицированных полиалкиленгликолями могут использоваться ПАГ различных молекулярных весов. Исследования показали, что присутствие в полимерной композиции ПАГ значительно уменьшает интенсивность тепловыделения при отверждении и увеличивает жизнеспособность компаунда. Это позволяет получать отливки большого объема с изотропными оптико-механическими свойствами.
Изменяя концентрацию ПАГ можно в широких пределах менять реологические свойства оптически чувствительных полимеров, получаемых на основе эпоксиполиал-
1/2П11 ВЕСТНИК
_угогт_мгсу
киленгликолевых компаундов (ЭПАГК). При комнатной температуре вязкоупругие свойства ЭПАГК практически не зависят от содержания ПАГ (до его концентрации 25 вес. ч.). С увеличением содержания ПАГ от 25 до 50-60 вес. ч. резко уменьшается мгновенный модуль упругости и нарастают проявляющиеся вязкоупругие свойства полимеров. Вязкоупругие свойства ЭПАГК зависят не только от концентрации содержащегося в нем ПАГ, но и от его молекулярной массы, так как при равных весовых концентрациях вязкоупругие свойства усиливаются быстрее в случае более низкомолекулярного полигликоля. В зависимости от концентрации ПАГ в компаунде меняется и характер механической и оптической ползучести, что описано в [11].
Таким образом, разработанные в лаборатории исследования напряжений вязкоупругие оптически чувствительные материалы с широким диапазоном оптико-механических и реологических свойств позволили моделировать ползучесть бетона и рассмотреть большой класс инженерных задач по исследованию напряженного состояния обделок подземных сооружений различного очертания с учетом ползучести горного массива.
Литература
1. Аскадский A.A. Предсказание физических характеристик полимеров по их химическому строению// Синтез и изучение свойств оптически-чувствительных материалов: Сб. научн. трудов МИСИ . - М.: МИСИ, 1987. - С.22-71.
2. Аскадский A.A., Голенева Л.М., Бычко К.А. Градиентные разномодульные полимерные материалы // Высокомолекулярные соединения. - сер. А, т. 37. - №5. - 1978. - С. 829-836.
3. Аскадский A.A., Маршалкович A.C., Голенева Л.М., Сидорова Г.И. Оптически-чувствительные полимеры для моделирования напряженно-деформированного состояния конструкций и сооружений методом фотоупругости // Теоретические основы строительства: Труды VII польско-российского семинара. - М.: АСВ, 1998. - С. 201-206.
4. Аскадский A.A., Маршалкович A.C., Матвеева Т.П., Пастухов A.B., Сидорова Г.И. Прогнозирование оптико-механических свойств полимеров, применяемых в методе фотоупругости // Механика композитных мактериалов. - №5. - 1983. - С. 906-913.
5. Аскадский A.A., Панкратов В.А., Френкель Ц.М. и др. Композиция для получения полимеров // Авт. свид. СССР № 1558941. - Бюл. изобр. - №15. - 1990.
6. Аскадский A.A., Сидорова Г.И., Маршалкович A.C. и др. Оптически-чувствительная полимерная композиция // Авт. свид. СССР № 1219617. - Бюл. изобр. - №11. - 1986.
7. Маршалкович А. С. Синтез оптически-чувствительных полимерных материалов для моделирования напряженного состояния конструкций. // Экспериментальная механика. Перспективы развития и применения (Хесинские чтения). - М.: МГСУ, 2001. - С. 145-154.
8. Маршалкович А. С., Аскадский A.A. Оптически чувствительные полимерные материалы для метода динамической фотоупругости // Экспериментальная механика и расчет сооружений (Костинские чтения). - М.: МГСУ, 2004. - С. 236-243.
9. Маршалкович А. С., Сидорова Г.И. Оптически-чувствительные полимеры для моделирования напряженно-деформированного состояния составных конструкций методом фотоупругости // Теоретические основы строительства: Труды V польско-российского семинара. - М.: АСВ, 1996. - С. 237-242.
10. Харламов Е. А., Маршалкович A.C. О прогнозировании модуля упругости некоторых полимеров, находящихся в стеклообразном состоянии // Высокомолекулярные соединения. -сер. А, т. 20. - №5. - 1978. - С. 1155-1159.
11. Стрельчук H.A., Яралов Л.К., Тараторин Б.И., Латыш Э.Г., Маршалкович A.C. Оптически-чувствительные материалы // Метод фотоупругости: под общ. ред. Г.Л. Хесина / М.: Стройиздат, 1975. - т. 1. - С. 403- 467.
12. Хесин Г.Л., Аскадский A.A., Маршалкович А. С. Основные пути синтеза оптически чувствительных полимеров для различных направлений метода фотоупругости // Синтез и изучение
свойств оптически-чувствительных материалов: Сб. научи. трудов МИСИ . - М.: МИСИ, 1987. - С.5-22.
13. Askadsky A.A., Marshalkovich A.S., Surov G.V., Sidorova G.I., Dvalishvili V.V. Using biréfringent polymeric materials characterized by regulated acoustic stiffness for the purposes jf dynamic photoelasticity // Proc. SPJE. - vol. 2791. - 1996. - P. 102-107.
The literature
1. Askadskii A.A. Predicting the physical characteristics of polymers on their chemical structure / / Synthesis and properties of optically-sensitive materials: Sat. Nauchn. IISS publications. - M.: IISS, 1987. - P.22-71.
2. Askadskii A.A., Goleneva L.M., Bychkov K.A., Gradient Multimodulus polymeric materials / / Macromolecular compounds. - Ser. A, ie 37. - № 5. - 1978. - S. 829-836.
3. Askadskii A.A., Marshalkovich A.S., Goleneva L.M., Sidorov, G.I. Optically-sensitive polymers to simulate the stress-strain state of structures and facilities by the photo-magnetoelastic / / Theoretical Foundations of construction: Proceedings of the VII Polish-Russian seminar. - Moscow: ASV, 1998. - S. 201-206.
4. Askadskii A.A., Marshalkovich A.S., Matveev,T.P., Shepherd A., Sidorova, G..I Prediction of op-theoretic and mechanical properties of polymers used in the method of photoelasticity, Mechanics of composite-GOVERNMENTAL makterialov. - № 5. - 1983. - S. 906-913.
5. Askadskii A.A., Pankratov V.A., Frenkel T.S..M. etc. The composition for the preparation of polymers / Auto. cert. USSR № 1558941. - Bull. image. - № 15. - 1990.
6. Askadskii A.A., Sidorova, G.I., Marshalkovich A.S. and other optical-sensitive polymer component zitsiya / Auto. cert. USSR № 1219617. - Bull. image. - № 11. - 1986.
7. Marshalkovich A.S. Synthesis of optically sensitive polymer materials to simulate the stresses of constructions. / / Experimental Mechanics. Prospects for the development and application of (He-sinskie reading). - M.: MSSU, 2001. - S. 145-154.
8. Marshalkovich A.S., AA Askadskii Optically sensitive polymer materials for the method of dynamic photoelasticity / Experimental Mechanics, and the calculation of structures (Kostinsky reading). - M.: MSSU, 2004. - S. 236-243.
9. Marshalkovich A.S., Sidorova, G.I. Optically-sensitive polymers for modeling strained-but-strain state of composite structures using photoelasticity: Theoretical wasps nova construction: Proceedings of the V Polish-Russian seminar. - Moscow: ASV, 1996. - S. 237-242.
10. Kharlamov E.A., Marshalkovich A.S. Predicting the elastic modulus of some polymers, which are located in the glassy state / / Polymer. - Ser. A, ie 20. - № 5. - 1978. - S. 1155-1159.
11. Strel'chuk N.A., Yaralov L.K. Taratorin B.I Lett EG, Marshalkovich AS Optically-sensitive materials / method of photoelasticity: a gen. Ed. GL Khesin / M.: Stroiizdat, 1975. - T. 1. - S. 403 - 467.
12. Khesin G.L., Askadskii A.A., A.S. Marshalkovich The main ways of synthesis of optically sensitive polymers for various lines of the method of photoelastic / / Synthesis and properties of optically-sensitive materials: Sat. Nauchn. IISS publications. - M.: IISS, 1987. - P.5-22.
13. Askadsky A.A., Marshalkovich A.S., Surov G.V., Sidorova G.I., Dvalishvili V.V. Using birefringent polymeric materials characterized by regulated acoustic stiffness for the purposes jf dynamic photoelasticity // Proc. SPJE. - vol. 2791. - 1996. - P. 102-107.
Ключевые слова: Оптически чувствительные полимеры, метод фотоупругости, Key words: optically sensitive polymers, the method of photoelasticity
Статья представлена Редакционным советом «Вестник МГСУ
