Исследование деформационно-прочностных свойств полимеров

В данной работе используется разрывная машина РМ-5. Для характеристики прочности образца замеряется нагрузка Р (г), действующая на образец с постоянной скоростью. Если дополнительный груз, весом в 5 кг на маятнике прибора не закрепляется, то отсчеты необходимо производить по круглой шкале прибора с индексом А. Если этот груз закрепляется, то отсчеты производятся по шкале В разрывной машины.

Для характеристики деформации образцов полимеров измеряется их увеличивающаяся длина по линейке прибора в сантиметрах и заносится в таблицу 8, графу 2.

Перед студентами ставится задача снять кривую зависимости напряжения опытных образцов от деформации через каждый сантиметр удлинения. Для этого конец подготовленного образца необходимо закрепить в верхнем неподвижном зажиме разрывной машины. Осторожно! Можно сломать самый чувствительный элемент прибора – призму! Второй конец образца закрепляется в нижнем подвижном зажиме разрывной машины.

Нужно так закрепить образец в зажимах разрывной машины, чтобы длина его рабочего участка соответствовала точно 4 см. Если закрепление пленки произведено правильно, то нагрузка по круглой шкале прибора (индикаторе нагрузки) должна быть равна нулю. Это первое показание необходимо занести в графы 1, 2, таблицы 8.

 

Таблица 8. Результаты испытаний образца полимера (название) на разрывной машине РМ-5

Длина образца (ι), см	Удлинение образца (Δι), см	Нагрузка образца (ρ)	Относительное удлинение (ε), %	Напряжение образца (υ), МПа
г	Н
…	…

И т.д. до разрыва образца. Длина таблицы может составить примерно 20-25см.

 

Теперь можно приступать к непосредственным измерениям зависимости напряжения от деформации. Включайте мотор машины РМ-5 и записывайте значения нагрузки Р после удлинения пленки на каждый сантиметр. Одновременно ведите наблюдения за изменением ширины образцов пленок при растяжении. У пленок, полученных из аморфных полимеров (например, из поливинилхлорида) ширина убывает постепенно в процессе растяжения. Если полимер обладает кристаллической структурой, то при растяжении ширина его пленки резко уменьшается с образованием «шейки». В тексте отчета необходимо отметить появление «шейки», если оно было выявлено.

 

Пример расчета. Допустим. после растяжения образца до 5 см, нагрузка образца составила 1500 г. Записываем это значение в графу 3 табл. 8 для образца 1. Теперь необходимо выразить эту нагрузку в Н. Известно, что 1 кгс = 9,81 Н или 1 кгс ≈ 10Н, поэтому, в начале нагрузку выражают в кгс, а затем в Н. Пример: Необходимо выразить значение 1500г в Н: 1500г – 1,5 кгс = 15Н. Расчетное значение нагрузки в Н записывайте в графу 4, таблицы 8.

 

Подобные наблюдения, измерения и их регистрацию продолжайте вплоть до разрыва образца. Все результаты заносите в таблицу 8.

 

Обработка экспериментальных данных.

 

Удлинение образцов выразите в относительных единицах по формуле (2):

 

= (2)

 

где – относительное удлинение, %

- удлинение образца, см

- исходная длина образца, см

Напряжение образцов рассчитывается по формуле (3):

 

, Па (3)

 

 

где - напряжение образца, Па (или МПа, т.е. Па 10⁶)

S – площадь поперечного сечения образца, м² (из графы 7, табл.7)

- нагрузка образца, Н

 

Полученные данные следует занести в таблицу 8, графы 5, 6.

Пример расчета. Если длина образца () после растяжения рабочая длина составила 5 см, а исходная длина образца () всегда 4 см, то удлинение () будет: При этом относительное удлинение составит:

Теперь рассчитаем значение напряжения образца (), толщиной 0,1мм (площадь поперечного сечения составляет 1 10^-6м²) при нагрузке, равной 1500 г (15Н):

 

Необходимо выполнить подобные расчеты для всех значений удлинения образцов вплоть до разрыва и внести в таблицу 8, графы 5, 6.

Далее следует выписать значение толщины образца, разрушающего напряжения и относительного удлинения, т.е значения последней строки в таблице 8, (если образец при растяжении разорвался) и сравнить их со значениями этих показателей в соответствующих стандартах. Необходимо сделать вывод о соответствии (несоответствии) испытуемых пленок по данным показателям требованиям стандарта. Желательно назвать возможную причину несоответствия, если оно обнаружено.

Далее по данным таблицы 8 (граф 5, 6) необходимо построить кривую зависимости напряжения () от деформации (). Прежде всего, нужно правильно выбрать масштаб рисунка. Рекомендуется выбрать масштаб для максимального значения относительной деформации () примерно вдвое больше по сравнению с масштабом максимального значения напряжения (), тогда кривая вытянется вдоль оси ординат и примет типичный вид.

 

Пример расчета. Допустим, разрывное напряжение образца пленки составляет 23МПа, а относительное удлинение – 385%, то рекомендуется по оси абсцисс отложить 6 см с масштабом 2 см = 10МПа, а по оси ординат 16 см с масштабом 4 см = 100%. После чего нужно нанести на рисунок в виде точек все опытные данные, начиная с нулевой отметки. Рисунок следует подписать, как показано в примере (см. рисунок). Впрочем, можно выбрать и другой масштаб.

На одном рисунке можно совместить кривые для ряда исследуемых полимеров.

 

100 200 300 ,%

 

Рисунок. Деформационная кривая (указать название полимерной пленки)

 

Далее необходимо из учебной литературы [4, с 145 (146), 151; 5, с 453, 456] привести данные о характере структуры исследуемых полимеров (кристаллическая или аморфная). Для аморфных полимеров следует указать возможное физическое состояние пленок (стеклообразное, высокоэластическое) и перенести в отчет рисунки типовых кривых их растяжения (физико-механических кривых), для тех состояний полимеров, которые характерны для испытуемых образцов.

Далее следует сравнить вид типовых кривых, как правило, кристаллических или высокоэластических с экспериментально построенной кривой и сделать вывод об их подобии или различии. Если выявлено существенное различие типовой и экспериментальной кривых растяжения аналогичных по структуре полимеров, то следует углубиться в изучение темы «Надмолекулярные структуры полимеров» [4, с 137; 5, с 425] высказать версию о причинах этого различия. Оформить этот анализ в виде обсуждения результатов, либо вывода.