Полимеры находят широкое применение в различных отраслях промышленности, что вызвано разнообразием их свойств, которые можно изменять при применении новых технологий. Информация о структурных переходах в полимерах необходима для назначения технологических режимов их переработки в изделия [1, 2].
В общем случае полимеры подразделяются на твердые (полиэтилен, поливинилхлорид, Капролон В, политетрафторэтилен и др.) и мягкие (резина, эластомеры и т. д.). К наиболее распространенным твердым полимерам относят Капролон В и политетрафторэтилен (фторопласт). Капролон В (ТУ 6–14–29–96) представляет собой высокомолекулярный продукт анионной полимеризации ε-капролактама в присутствии щелочных катализаторов и различных активаторов [1]. Выпускается в виде блоков и заготовок различных массы и размеров. Капролон В применяется как конструкционный и антифрикционный материал для изготовления крупногабаритных толстостенных или нестандартных изделий, получаемых механической обработкой блоков и заготовок различного назначения [1, 2]. Структурный переход в Капролоне В происходит при температуре 25 °С [1], при этом гексагональная решетка перестраивается в моноклинную при кристаллической фазе полимера. Фторопласт используется в различных отраслях промышленности, в том числе в качестве конструкционного или изоляционного материала [3]. На сегодняшний день одной из наиболее популярных разновидностей фторопласта считается коксонаполненный фторопласт (Ф4К20), который получается с использованием помощью метода плоскощелевой экструзии. Листы, выполненные из этого материала, характеризуются повышенной ударопрочностью, значительной атмосферостойкостью, отличной формуемостью, гибкостью и способностью к горячей сварке. Изделия из Ф4К20 обладают способностью выдерживать воздействия таких агрессивных сред как этиленгликоль, серная, дымящая азотная, фосфорная, фтористоводородная и соляная кислоты, амины, щелочи, хлорированные и ароматические углеводороды, влажный и сухой хлор и пр. На сегодняшний день коксонаполненный фторопласт используются в цветной и черной металлургии, химической промышленности, электротехнике и авиастроении. В Ф4К20 происходят структурные твердофазные переходы в кристаллической фазе при температурах 19,6 °С и 30 °С, которые сопровождаются поглощением теплоты и являются весьма удобными с точки зрения их обнаружения в ходе лабораторных исследований на различных устройствах.
Структурные переходы в Ф4К20 и Капролоне В были также обнаружены методом неразрушающего контроля температурных характеристик структурных переходов в полимерах, который основан на модели распространения тепла в плоском полупространстве [4–8], реализованным в информационно-измерительной системе (ИИС) [9, 10].
На рис. 1 и 2 представлены термограммы для изделий из Ф4К20 и Капролона В. Условия опытов: радиус нагревателя R = 4×10–3 м; толщина изделия Hи = 7×10–3 м; мощность на нагревателе N = 0,7 Вт; временной шаг измерения температуры Dt = 0,5 с [1, 2, 8]. Подложка зонда из пенополиуретана толщиной Hп = 20×10–3 м. Начальная температура изделия из Ф4К20 Tн = 24 °С, а из Капролона В — Tн = 17 °С. Скорость нагрева v = 10 °C/мин для изделия из Ф4К20, для Капролона В — v = 13 °C/мин на рабочем участке (II) термограммы (рис. 5 и 6).
Рис. 1 Термограмма для изделия из Ф4К20
Рис. 2 Термограмма для изделия из Капролона В
Оценки дисперсий текущих параметров d1i и d0iна рабочем участке, в случае отсутствия структурного твердофазного перехода, можно считать постоянными, их рассчитывают по формулам, представленным в [4–8]. Если в исследуемом изделии происходит структурный твердофазный переход, сопровождающийся тепловым эффектом, то значения текущих параметров d1i и d0i существенно изменяются в узком температурном интервале. Построив зависимость одного из текущих параметров d1i, d0i(или их дисперсий 
, 
) от температуры изделия (
), по характерным сигналам определяют температурные интервалы структурных твердофазных переходов в полимерах [4, 6]. На рис. 3 и 4 представлены графические зависимости
для изделий из Ф4К20 и Капролона В соответственно.
Рис. 3 Зависимость , построенная по термограмме для изделия из Ф4К20
Рис. 4 Зависимость , построенная по термограмме для изделия из Капролона В
При регистрации термограммы в результате эксперимента возникают наводки, и наблюдается некоторая нестабильность мощности на нагревателе [3]. Некоторая зашумленность термограммы проявилась затем и на графической зависимости , которую можно снизить с помощью коррекции.
Для получения скорректированных термограмм использовали пакет прикладных программ для статистической обработки данных Advanced Grapher Version 2.2. Критериями для принятия аппроксимирующей функции при описании экспериментальной термограммы являлись [3]: наибольшее значение множественного коэффициента детерминации R2 и наименьшее значение стандартной ошибки аппроксимации ε (табл. 1).
Таблица 1
Аппроксимирующая функция для экспериментальной термограммы
|
Рисунок |
Уравнение для термограммы |
R2 |
ε |
|
3 |
T(t) = (8,351023·10(-17))·t7 - (1,6282566·10(-13))·t6 + + (1,3116676·10(-10))·t5 - (5,7076589·10(-8))·t4 + + (1,4926557·10(-5))·t3 - 0,0025392·t2 + 0,3083838·t+ + 23,6932367 |
0,999 |
0,086 |
|
4 |
T(t)= (3,2562317·10(-21))·t9 - (7,4501648·10(-18))·t8 + + (7,259254·10(-15))·t7 - (3,9451117·10(-12))·t6 + + (1,3194481·10(-9))·t5 - (2,848452·10(-7))·t4 + + (4,1309381·10(-5))·t3 - 0,0043347·t2 + 0,3766347·t + + 16,8768816 |
0,998 |
0,291 |
Значения скорости изменения температуры (рис. 5 и 6) получены по термограммам, которые аппроксимированы полиномом (см. табл. 1).
Рис. 5 Скорость изменения температуры для изделия из Ф4К20
Рис. 6 Скорость изменения температуры для изделия из Капролона В
При структурном переходе в полимере, который сопровождается тепловым эффектом, значения текущих параметров d0i существенно изменяются в узких временном и температурном интервалах [9]. Построив зависимость текущих параметров d0i или дисперсий 
от температуры изделия (
), по сигналам определяем температуру структурных переходов в полимерах при 30 °С в коксонаполненном фторопласте марки Ф4К20 и в Капролоне В при 25 °С (рис. 7 и 8).
Рис. 7 Зависимость для изделия из Ф4К20
Рис. 8 Зависимость для изделия из Капролона В
Таким образом, с помощью аппроксимации термограмм в методе неразрушающего контроля температурных характеристик структурных переходов в полимерах возможно построить графические зависимости , на которых явно проявляются структурные переходы в виде полезных сигналов.
Литература:
1. Статистическая обработка результатов неразрушающего контроля теплофизических свойств полимеров / Н. П. Жуков, Н. Ф. Майникова, А. А. Балашов, С. С. Никулин. — Москва, 2004. — 21 с. — Деп. в ВИНИТИ 20.04.2004, № 657-В2004.
2. Статистическая обработка результатов неразрушающего контроля температурно-временных характеристик структурных превращений в полимерах / Н. Ф. Майникова, Н. П. Жуков, А. А. Балашов, С. С. Никулин. — Москва, 2004. — 14 с. — Деп. В ВИНИТИ 20.04.2004, № 658-В2004.
3. Балашов, А. А. Реализация метрологического эксперимента в информационно-измерительной системе на политетрафторэтилене / А. А. Балашов, Д. С. Кацуба // Технические науки: теория и практика: материалы II Международ. науч. конф. (г. Чита, январь 2014 г.). — Чита: Издательство Молодой ученый, 2014. — С. 85–87.
4. Метод неразрушающего контроля температурных характеристик структурных переходов в полимерах / Н. П. Жуков, Н. Ф. Майникова, И. В. Рогов, А. А. Балашов // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В. И. Вернадского. — 2010. № 1–3. — С. 253–259.
5. Об одном методе термического анализа для неразрушающего контроля теплофизических свойств полимеров / Н. Ф. Майникова, Ю. Л. Муромцев, И. В. Рогов, А. А. Балашов // Пластические массы. — 2001. № 2. — С. 30–33.
6. Об одном методе исследования твердофазных переходов в полимерах / Н. Ф. Майникова, Ю. Л. Муромцев, Н. П. Жуков, А. А. Балашов // Пластические массы. — 2002. № 6. — С. 23–26.
7. Моделирование процесса теплопереноса от плоского источника тепла при теплофизических измерениях / Ю. Л. Муромцев, Н. П. Жуков, Н. Ф. Майникова, И. В. Рогов, А. А. Балашов // Вестник ТГТУ. — 1999. Т. 5, № 4. — С. 543–552.
8. Определение условий адекватности модели распределения тепла в плоском полупространстве реальному процессу при теплофизическом контроле / Н. Ф. Майникова, Н. П. Жуков, А. А. Балашов, С. С. Никулин // Вестник ТГТУ. — 2006. Т. 12, № 3–1. — С. 610–616.
9. Балашов, А. А. Информационно-измерительная система неразрушающего контроля температурных характеристик структурных переходов в полимерах / А. А. Балашов, Н. П. Жуков, Н. Ф. Майникова // Приборы. — 2010. — № 12(126). — С. 53–57.
10. Балашов, А. А. Проектирование информационно-измерительной системы для экспресс-контроля твердофазных переходов в полимерах / А. А. Балашов [и др.] // Современные информационные технологии. — 2012. № 15. — С. 19–21.
