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 100 o C). 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) = E 1 ε exp (-t/τ 1 ) + E 2 ε exp (-t/τ 2 ) (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 Δε 1, Δε 2, Δε 3. zostaną przyłożone odpowiednio w chwilach τ 1, τ 2, τ 3..., to całkowite naprężenie w chwili t opisuje równanie 2: σ(t) = Δε 1 G (t-τ 1 ) + Δε 2 G (t-τ 2 ) + Δε 3 G (t-τ 3 ) +. (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, ε 0 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 (100-1000 s) fazie procesu relaksacji, odpowiednio n 1, n 2, n 3. 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 n 1, n 2 i n 3. 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 n 1, n 2 i n 3. 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