ĆWICZENIE Oznaczanie szybkości relaksacji naprężeń wulkanizatów

ĆWICZENIE Oznaczanie szybkości relaksacji naprężeń wulkanizatów

ĆWICZENIE
Oznaczanie szybkości relaksacji naprężeń wulkanizatów
1
1. CEL ĆWICZENIA
Celem dwiczenia pn. „Oznaczanie szybkości relaksacji naprężeo wulkanizatów” jest określenie
wpływu rodzaju węzłów w sieci elastomerowej na zdolnośd materiału do relaksacji i przenoszenia
naprężeo pod wpływem zewnętrznego obciążenia.
2. WPROWADZENIE
W przypadku materiałów polimerowych naprężenie σ niezbędne do utrzymania odkształcenia ε
zmniejsza się w miarę upływu czasu t (rys. 1). Zjawisko to nazywa się relaksacją naprężeń. Zjawisko
relaksacji naprężeo jest określane w próbie pełzania. Dane są często przedstawiane w postaci
wykresu naprężenie względem czasu. Szybkośd relaksacji naprężeo definiuje nachylenie tej krzywej
w dowolnym punkcie.
Rys. 1. Zależność naprężenia od wydłużenia – procesy relaksacyjne
Zjawisko relaksacji naprężeo jest zależne od temperatury, ponieważ gdy maleje temperatura
zwiększa się tarcie wewnętrzne a w konsekwencji wzrasta czas relaksacji. Zjawisko to zależy również
od budowy polimeru i rodzaju węzłów sieci utworzonych w wulkanizacie.
Relaksacja naprężeo w przypadku polimerów nieusieciowanych lub charakteryzujących się małą
gęstością usieciowania może zachodzid zgodnie z różnymi mechanizmami. W polimerze
niekrystalicznym liniowym występuje główny proces α relaksacji związany z ruchami segmentów oraz
wtórne procesy relaksacji (np. β, γ) poniżej i powyżej temperatury zeszklenia. Wynikają one
z ruchliwości małych odcinków łaocucha makrocząsteczki i obrotów grup bocznych.
Na procesy relaksacji naprężeo główny wpływ ma budowa sieci przestrzennej elastomerów, w tym
charakter węzłów sieci. Przyjmuje się, że budowa sieci przestrzennej elastomerów jest
mikroheterogeniczna, a więc niejednorodna. W układach takich występują wielofunkcyjne węzły sieci
agregacyjne lub adsorpcyjne. Fizyczne węzły sieci mają ważny wpływ na procesy relaksacji
w temperaturze pokojowej (relaksacja fizyczna). Główną przyczyną spadku naprężenia wulkanizatów
w tej temperaturze są przegrupowania węzłów agregacyjnych oraz splątao łaocuchów. Węzły natury
2
chemicznej są trwałe w takich warunkach pomiaru, a ich wpływ na przebieg procesu relaksacji
naprężeo ujawnia się wyraźnie dopiero w wyższej temperaturze (powyżej 100oC).
Rodzaj węzłów sieci ma wpływ nie tylko na przebieg, ale i na szybkośd relaksacji naprężeo. Relaksacja
jest znacznie szybsza w przypadku elastomerów usieciowanych siarką i donorami siarki,
czyli zawierających siarczkowe i polisiarczkowe węzły sieci w stosunku do sieciowanych nadtlenkami
lub radiacyjnie (wiązania kowalencyjne C-C).
Zjawiska relaksacji naprężeo i płynięcia zachodzące w elastomerach można opisad za pomocą modeli
reologicznych tj. układów tłumików i sprężyn. Najprostszy jest model Maxwell’a (rys. 2), nie jest on
jednak dobrym przybliżeniem matematycznym dla procesu relaksacji. Lepszy w tym przypadku jest
model Morwin’a (rys. 3), w którym związek pomiędzy naprężeniem σ a odkształceniem ε jest
następujący (równanie 1):
σ(t) = E1ε exp (-t/τ1) + E2ε exp (-t/τ2)
(1)
Rys. 2. Model Maxwell’a
Rys. 3. Model Morwin’a
W przypadku gdy naprężenie dąży do zera, po nieskooczenie długim czasie relaksację naprężeo
opisuje model Zener’a (rys. 4).
3
Rys. 4. Model Zener’a
Proces relaksacji naprężeo można również opisad z zastosowaniem zasady superpozycji Boltzmana,
przyjmując następujące założenia:
1. relaksacja naprężeo w próbce jest funkcją całkowitej historii wydłużenia,
2. każdy ślad wydłużenia ma swój niezależny udział w koocowej wartości naprężenia, którą
można wyznaczyd poprzez zsumowanie wszystkich niezależnych udziałów.
Jeżeli przyrosty wydłużenia Δε1, Δε2, Δε3 …. zostaną przyłożone odpowiednio w chwilach τ1, τ2, τ3...,
to całkowite naprężenie w chwili t opisuje równanie 2:
σ(t) = Δε1G (t-τ1) + Δε2G (t-τ2) + Δε3G (t-τ3) + ….
(2)
gdzie: G (t-τ) jest modułem równowagowym G(t) = σ(t)/ε.
Nie ma jednego uniwersalnego wzoru, który opisywałby zjawisko relaksacji naprężeo. Stosowanych
jest kilka równao empirycznych. Jednym z nich i najprostszym jest równanie 3:
(3)
gdzie: σ – naprężenie, ε0 – odkształcenie, K – parametr związany z naprężeniem, n – szybkośd
relaksacji [s-1].
W oparciu o to równanie wyznaczyd można szybkośd relaksacji naprężeo n dla badanych próbek
elastomerów.
3. PRZEBIEG ĆWICZENIA
Przy użyciu uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej ZWICK, model 1435 współpracującej
z odpowiednio oprogramowanym komputerem przeprowadzid pomiary relaksacji naprężeo dla
wybranych próbek wulkanizatów, zawierających węzły sieci o różnym charakterze. Wyznaczyd
szybkości relaksacji naprężeo w pierwszej (czas relaksacji 0-10 s), drugiej (10 – 100 s) i trzeciej (1001000 s) fazie procesu relaksacji, odpowiednio n1, n2, n3.
4
4. APARATURA POMIAROWA
Pomiar wykonywany jest przy pomocy uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej ZWICK. Próbki do
badao w kształcie wiosełek typu w-3 umieszcza się w uchwytach aparatu i poddaje relaksacji w czasie
1800 s.
5. WYKONANIE ĆWICZENIA
1. Uruchomid aparat ZWICK oraz program obsługujący przebieg pomiaru.
2. Wyciąd próbki wulkanizatów do badao.
3. Uruchomid program do relaksacji naprężeo, wpisad parametry pomiaru oraz próbki w oknie
pomiarowym.
5. Zamocowad próbkę w uchwyty aparatu.
6. Przeprowadzid pomiar relaksacji naprężeo.
7. Wyniki zapisad w postaci arkusza Excel.
8. Obliczyd wartości szybkości relaksacji naprężeo n1, n2 i n3.
6. OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA
6.1. Cel ćwiczenia
6.2. Metodyka pomiarów
Charakterystyka obiektu badao, opis stosowanej metodyki i aparatury pomiarowej oraz warunki
prowadzenia pomiarów.
6.3. Wyniki pomiarów
Wykresy naprężenia w funkcji czasu pomiaru dla każdej z próbek.
6.4. Opracowanie wyników pomiarów
Wykorzystując dane pomiarowe zapisane w arkuszach Excel i odpowiednio przekształcone równanie
3 obliczyd wartości szybkości relaksacji n1, n2 i n3.
6.5. Wnioski
7. PYTANIA SPRAWDZAJĄCE
1. Wyjaśnid na czy polega zjawisko relaksacji naprężeo.
2. Opisad mechanizmy relaksacji naprężeo.
3. Scharakteryzowad czynniki wpływające na przebieg relaksacji naprężeo w elastomerach.
5