Приложение А (справочное). Метод оценки температуры размягчения полимерной матрицы

Приложение А
(справочное)

Метод оценки температуры размягчения полимерной матрицы

А.1 Общие положения

А.1.1 Метод устанавливает порядок испытаний АКП для оценки температуры начала размягчения полимерной матрицы.

А.1.2 Метод основан на анализе термомеханической диаграммы, полученной с использованием релаксометра при нагружении образца на поперечный трехточечный изгиб до заданного значения прогиба, нагреве образца в нагревательной камере и регистрации изменения нагрузки, с которой образец сопротивляется заданному прогибу по мере возрастания температуры.

Примечание - Снижения силы сопротивления образца изгибу приобретает наибольшую скорость в температурном диапазоне, когда нагреваемая полимерная матрица в образце начинает переходить из стеклообразного состояния в эластичное. При последующем дифференциально-термическом анализе определяют температуру стеклования полимерной матрицы.

А.1.3 Схема испытания по определению температуры начала размягчения образца приведена на рисунке А.1:

- образец 3 с опорами 8 помещают в предварительно охлажденную до комнатной температуры нагревательную камеру 2;

- образец 3 изгибают через нажимной наконечник нагружающего устройства 5 до заданного значения прогиба;

- фиксируют значения температуры системой измерения в нагревательной камере 2 и соответствующие ей значения силы сопротивления образца изгибу системой 7 в течение всего периода испытаний.

1 - термометр сопротивления; 2 - нагревательная камера; 3 - образец; 4 - силоизмерительный датчик; 5 - нагружающее устройство; 6 - система измерения температуры; 7 - система измерения силы; 8 - опора нагружающего устройства

Рисунок А.1 - Схема испытания образца при определении температуры начала размягчения опытного образца

А.2 Аппаратура

Для испытания образцов применяют устройство (релаксометр), который должен состоять:

- из камеры нагревательной, обеспечивающей возможность нагрева образца до температуры 200 °C;

- устройства нагружающего;

- датчика силоизмерительного с погрешностью измерения не более 0,5 %;

- датчика температуры с погрешностью измерения не более 1 %.

Релаксометр должен быть оснащен средствами управления нагрева, обеспечивающими изменение температуры в нагревательной камере со скоростью (1,0  0,2) °C/мин, и программно-измерительным комплексом для регистрации и визуализации результатов испытаний.

А.3 Образцы

А.3.1 Образцы для испытаний должны быть отобраны в соответствии с требованиями раздела 4.

А.3.2 Длина образцов для испытаний должна быть 12d _н (где d _н - номинальный диаметр). Длина l _р рабочего участка этих образцов должна находиться в пределах (9d н  2) мм.

А.4 Проведение испытаний

А.4.1 Приспособление для испытаний настраивают на значение испытательной базы, соответствующее значению l _р.

А.4.2 Настраивают приборы для измерения силы и регулирования температуры в рабочие диапазоны измерений.

А.4.3 Образец устанавливают в релаксометр таким образом, чтобы нажимной наконечник прибора воздействовал на середину рабочего участка образца, находящегося между опорами.

А.4.4 Нагружающим устройством изгибают образец до тех пор, пока приложенная к нему нагрузка не достигнет значения в соответствии с А.4.5.

А.4.5 Испытательная нагрузка, действующая на образец, должна составлять 10 % значения нагрузки, вызывающей разрушение образца при заданной испытательной базе (расстояние между опорами).

Предполагаемое значение нагрузки P, Н, вычисляют по формуле

,

(А.1)

где - предел прочности при растяжении, МПа;

l _р - длина рабочего участка образца, мм.

Для образцов круглого сечения значение момента сопротивления w, мм ³, вычисляют по формуле

.

(А.2)

Нагрузку контролируют по показаниям силоизмерительного датчика.

А.4.6 Выдерживают образец при заданном положении не менее 5 мин. После этого включают программно-измерительный комплекс и нагревательную камеру в рабочий режим и визуально следят за изменением температуры в камере.

А.4.7 При повышении температуры в камере на 1 °C программно-измерительный комплекс переводят в режим записи термомеханической диаграммы - массива значений температуры T _i и силы P _i с дискретностью изменения температуры не более 2 °C.

А.4.8 После завершения испытания образец извлекают из камеры, а камеру охлаждают до комнатной температуры.

А.5 Обработка результатов испытаний

А.5.1 В процессе обработки результатов испытаний должны быть проанализированы термомеханические диаграммы каждого испытанного образца, приведенные на рисунке А.2.

А.5.2 Во время испытания программно-измерительный комплекс строит график термомеханической диаграммы образца в координатах P(T), используя массив значений температуры T _i, и силы P _i.

А.5.3 На графике визуально оценивают приближенное положение границ начального и рабочего участков диаграммы. За начальный участок термомеханической диаграммы принимают приблизительно линейное изменение нагрузки при повышении температуры. За рабочий участок принимают участок ускоренного или замедленного изменения нагрузки. При необходимости на повторном этапе обработки данных положение границ начального и рабочего участков термомеханической диаграммы может быть уточнено.

А.5.4 Начальный участок термомеханической диаграммы аппроксимируют линейной функцией

,

(A.3)

где m и n - значения эмпирических констант прямой, аппроксимирующей начальный, предшествующий началу размягчения полимерной матрицы, участок зависимости нагрузки P _i, с которой образец сопротивляется изгибу, от температуры T _i в нагревательной камере, определяемые с помощью программ обработки данных.

А.5.5 Для каждого члена массива значений температуры Т _i, и силы P _i находят значения приведенной нагрузки P _1i по формуле

.

(А.4)

А.5.6 Строят новый массив значений температуры T _i и силы P _1i, начальный и рабочий участки массива [T _i, P _1i] аппроксимируют сигмоидом P ₁(T), который вычисляют по формуле

,

(А.5)

где a, b, c, d - эмпирические константы сигмоида, аппроксимирующего экспериментальные данные;

T - значение температуры в нагревательной камере, °C.

а) Термомеханическая диаграмма	б) Приведенная термомеханическая диаграмма
в) Диаграмма первых производных от приведенной силы по температуре	г) Диаграмма вторых производных от приведенной силы по температуре

А-В - начальный участок термомеханической диаграммы; В-С - рабочий участок термомеханической диаграммы; 1 - точка размягчения; 2 - первая точка -перехода; 3 - точка стеклования; 4 - вторая точка -перехода; 5 - аппроксимация сигмоидом

Рисунок А2 - Дифференциальный термомеханический анализ (пример)

А.5.7 Строят диаграммы изменения значений первой и второй производных по температуре для функции P ₁(T).

А.5.8 Значение температуры, при которой первая производная имеет максимальное значение, принимают за температуру стеклования T _g. Для найденного значения T _g на термомеханической диаграмме находят соответствующее числовое значение первой производной .

А.5.9 Значение температуры, при которой и вторая производная от функции P ₁(T) имеет минимальное значение, принимают за температуру - температуру -перехода, для которой на термомеханической диаграмме находят численные значения функции , ее первой производной , второй производной .

А.5.10 Значение температуры, при которой вторая производная от функции P ₁(T) имеет максимальное значение, принимают за температуру , для которой на термомеханической диаграмме находят числовые значения функции .

А.5.11 По полученным значениям , , и соответствующим им значениям P ₁(T) оценивают правильность предварительной оценки границ начального и рабочего участков диаграммы термомеханической кривой и, при необходимости, проводят повторную уточняющую обработку диаграммы.

А.5.12 Температуру начала размягчения T _p, °C, вычисляют по формуле

,

(А.6)

где

.

(А.7)

А.5.13 После обработки термомеханических диаграмм испытаний всех образцов в группе вычисляют средние арифметические значения температуры стеклования и температуры размягчения.

А.6 Требования к точности испытаний и обработки результатов

А.6.1 Температура в испытательной камере должна быть измерена с погрешностью не более 2 °C.

А.6.2 Сила сопротивления образца поперечному изгибу должна быть измерена с погрешностью не более 0,5 % максимального значения силы, полученного во время испытаний.

А.6.3 Значения оцениваемой характеристики, констант и других величин, используемых в промежуточных расчетах, должны быть определены до третьей значащей цифры.

А.7 Протокол испытаний

Протокол испытаний должен содержать:

- сведения об образцах, приведенные в акте отбора образцов;

- дату проведения испытаний;

- наименование организации, проводившей испытание;

- значения измеряемых характеристик для каждого испытанного образца;

- значения определяемых характеристик каждого образца, полученные при обработке результатов испытания;

- средние значения определяемых характеристик и результаты статистической обработки полученных данных;

- исходную термодинамическую диаграмму испытания каждого образца;

- приведенную термодинамическую диаграмму испытания каждого образца;

- диаграмму зависимости первой производной приведенного усилия от температуры для каждого образца;

- диаграмму зависимости второй производной приведенного усилия от температуры для каждого образца;

- сведения о лицах, проводивших испытания, и их подписи.