автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.01, диссертация на тему:Динамическая вязкоупругость синтетических нитей в0начальной стадии деформирования

кандидата технических наук
Горшков, Александр Сергеевич
город
Санкт-Петербург
год
2004
специальность ВАК РФ
05.19.01
Автореферат по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности на тему «Динамическая вязкоупругость синтетических нитей в0начальной стадии деформирования»

Автореферат диссертации по теме "Динамическая вязкоупругость синтетических нитей в0начальной стадии деформирования"

На правах рукописи

Горшков Александр Сергеевич

ДИНАМИЧЕСКАЯ ВЯЗКОУПРУГОСТЬ СИНТЕТИЧЕСКИХ НИТЕЙ В НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ

Специальность 05.19.01 — Материаловедение производств текстильной и легкой

промышленности 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела (по техническим наукам)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете технологии и дизайна.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Сталевич Аркадий Михайлович

кандидат технических наук, доцент Романова Алла Александровна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шляхтенко Павел Григорьевич доктор физико-математических наук Марихин Вячеслав Александрович

Ведущее предприятие: Институт высокомолекулярных соединений РАН

Защита диссертации состоится 22 июня 2004 года в И45 часов на заседании диссертационного совета Д 212.236.01 при Санкт-Петербургском государственном университете технологии и дизайна. Адрес: 191186, г. Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 18, ауд. 241.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПГУТД.

Автореферат разослан "20" мая 2004 года.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью) просьба направлять по адресу: 191186, г. Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 18, ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук

А.Е. Рудин

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность_проблемы. При решении разнообразных

материаловедческих и технологических задач возрастает интерес к физико-механическим характеристикам, относящимся к механическим воздействиям, близким к условиям эксплуатации. При этом необходимость изучения механических свойств синтетических нитей в динамических режимах испытаний обусловлена тем, что в ряде случаев производства и эксплуатации синтетических нитей и изделий из них к статическим нагружениям добавляются различные динамические воздействия.

Как показывает накопленный опыт исследований, в зависимости от выбранного метода измерений могут существенно различаться получаемые значения характеристик деформационной жесткости. Сравнительный анализ результатов статических и высокоскоростных измерений показал, что различия в получаемых значениях модулей упругости указывают на их релаксационный характер. Кроме того, определенных успехов в области развития методов спектрального анализа синтетических нитей и тканей в последнее время добились лишь в зоне обычных и длительных статических воздействий. При сопоставлении статических и высокоскоростных методов испытаний при определении величины модуля упругости обнаруживается недостаточно изученный участок кратковременных механических воздействий.

В предыдущих работах было показано, что при свободных продольных колебаниях синтетических нитей в некоторых случаях наблюдается сложная форма колебательного процесса в виде амплитудно-модулированных колебаний (АМК). Вместе с тем установлено, что данная динамическая специфика изучена недостаточно.

Изучение особенностей ориентированных полимеров, проявляющихся при свободных продольных колебаниях, имеет прямое отношение к дальнейшему развитию методов спектрального анализа свойств синтетических нитей. Необходимость математического моде 1 анических

свойств синтетических нитей продиктована потребностями научного решения технологических задач по сравнительному анализу, структурной обусловленности, целенаправленному технологическому регулированию свойств получаемых материалов.

Диссертационная работа выполнена в лаборатории механики ориентированных полимеров частично за счет грантов 2000 ТОО-9.2.-2052 и НШ 1.9.03 «Физика и механика полимеров и материаловедение ориентированных полимеров».

Цель работы состояла в дальнейшем экспериментальном изучении динамической вязкоупругости синтетических нитей методом свободных продольных колебаний статически нагруженных образцов.

Основные задачи работы:

- проанализировать взаимосвязь между механическими характеристиками, полученными методом свободных продольных колебаний и полученными при статических и высокоскоростных испытаниях;

- изучить особенности появления и исчезновения амплитудно-модулированных колебаний (АМК) у ряда синтетических нитей;

- провести контрольные испытания с целью экспериментального подтверждения обусловленности изучаемых АМК структурно-кинетическими свойствами нитей;

- разработать методику определения максимального и минимального значений динамического модуля;

- дать структурно-кинетическое объяснение появлению и исчезновению АМК на начальной стадии деформирования синтетических нитей.

Научная новизна работы состоит в уточнении временной зависимости релаксирующего модуля в диапазоне малых времен - от 10"4 до 1 с; в экспериментальном подтверждении состоятельности начального значения релаксирующего модуля, получаемого из статических измерений; в

установлении согласованности максимального и минимального значений динамического модуля в области проявления ЛМК с высокоскоростными и статическими измерениями и обнаружении на этой основе монотонности убывания релаксирующего модуля в изучаемой зоне малых времен; в объяснении наблюдаемых АМК неоднородностью надмолекулярного строения ориентированных полимеров в сочетании с активирующим действием внешней нагрузки на спектр релаксации.

Практическая значимость работы заключается в разработке метода экспериментального изучения АМК у исследуемых синтетических нитей; в определении диапазонов напряжений, деформаций, температур и частот, при которых проявляются АМК; в разработке методики определения максимального и минимального значений динамического модуля.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на XXVIII Международном семинаре "Анализ и синтез нелинейных механических колебательных систем. Актуальные проблемы механики" (1-10 июня 2000 года, Санкт-Петербург (Репино)), на Международном научном Конгрессе - 2000 "Фундаментальные проблемы естествознания и техники" (3-8 июля 2000 года, Санкт-Петербург), на семинаре Института проблем машиноведения РАН, дважды на семинарах научно-технического общества им. акад. А.Н.Крылова.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 10 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата. Получен 1 патент.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 160 страницах машинописного текста. Состоит из введения, 5 глав, выводов, списка цитируемой литературы, содержащего 152 наименования, включает 32 рисунка.

2.КРАТКОЕСОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования.

В первой главе рассмотрены основные методы исследования ориентированных полимеров, дан их сравнительный анализ.

Основное внимание при этом уделено методу свободных продольных колебаний. В случае свободных колебаний для моделирования динамических вязкоупругих свойств ориентированных полимеров, как правило, используют классическое уравнение

тх'*т]х'+кх = 0 , 0)

в котором т - масса груза, Т| - коэффициент вязкости образца, к - коэффициент жесткости образца, х - динамическая составляющая деформации.

Однако в ряде экспериментальных исследований было обнаружено, что действительный процесс свободных колебаний только с введением ряда допущений можно рассматривать в виде математической модели (1).

Недостаточная разработанность математического моделирования при аналитическом описании колебаний сложной формы привела к необходимости рассмотрения режима свободных колебаний в ряде усложнений модели (1).

Во второй главе проведено описание объектов исследования, методики проведения измерений и их статистической обработки.

В качестве объектов исследования использовались образцы комплексных синтетических нитей технического назначения: ПЭТФ (114 текс), СВМ (29,4 текс), армос (100 текс), терлон (29,4 текс) (таблица 1).

Для сравнительного анализа были использованы комплексные синтетические нити терлон (58,8 текс) и СВМ (58,8 текс), а также монофиламентные синтетические нити ПЭТФ диаметром 0,63 и 0,55 мм.

Механические исследования проводились на установке, сконструированной на кафедре Сопротивления материалов СПГУТД под руководством проф. В.Г. Тиранова.

В третьей главе исследовались механические характеристики синтетических нитей, получаемые методом свободных продольных колебаний.

Установлено, что полученные этим методом значения динамического модуля упругости оказались близкими к значениям, прогнозируемым по результатам статических и высокоскоростных испытаний (рисунок 1). При этом численные значения динамического модуля, рассчитанные по основной

(несущей) частоте свободных колебаний, удовлетворительно согласуются с значениями начального модуля Ео, которые получались из "семейства" кривых релаксации посредством их спектральной экстраполяции на малые времена. Таблица 1. Механические характеристики объектов исследования

Наименование нити Линейная плотность, Т [текс] Разрывное напряжение, ар [МПа] Удлинение при разрыве, Ср[%] Начальный модуль, Е0 [ГПа]

ПЭТФ 114 970 10 15

свм 29,4 3900 4,0 120

армос 100 3350 2,8 125

терлон 29,4 2900 3,0 95

24

20 --

16

12 ""

Е а, ГПа

Ч--4

-2 0 2 4 6 8 I (г,с)

1 - ё =3,2-10"2 с1; 2-е =3,2-1(Г4; 3-е =32-10'6 с'1; 4 - е =32-10"8 с"1; 5 - г =32 с"1

Рисунок 1 - Обобщенные результаты трех методов исследований для комплексной нити ПЭТФ (114 текс) при Т=293 К (кривые 1-4 - статических; точка 5 - высокоскоростных, кривая 6 - свободных продольных колебаний)

7

Сравнение всех трех методов исследования обнаруживает монотонный характер изменения соответствующих численных значений модуля.

Как было указано ранее, в ряде работ при изучении свободных колебаний синтетических нитей было обнаружено появление сложной формы колебательною процесса в виде модулированных по амплитуде колебаний (АМК). Более тщательное изучение этого явления в изотермическом режиме позволило выявить, что после появления по мере дальнейшего увеличения нагрузки АМК постепенно усиливаются, затем ослабевают и при некотором значении приложенного напряжения исчезают. Описанное изменение формы колебательного процесса в случае появления и исчезновения АМК на примере комплексной нити СВМ показано на рисунке 2 а.

Особый характер появления, и исчезновения АМК обнаружен для синтетической нити армос. Для этой нити характерны две области появления и исчезновения АМК (таблица 2).

При варьировании температуры испытания было обнаружено, что АМК исчезают при температурах, близких к температуре расстекловывания или какого-либо "размягчения" объектов исследования. Пример такого исчезновения для комплексной нити СВМ приведен на рисунке 2 б.

Диапазоны напряжений и деформаций, внутри которых наблюдаются АМК, приведены в таблице 2.

Таблица 2. Области появления и исчезновения АМК при Т=293 К

Образец Деформация 8, % Напряжение а, МПа

СВМ (29,4 текс) 0,41-0,51 390-520

армос (100 текс) 0,26-0,33 315-400'

0,61-0,65 750-800

терлон (29,4 текс) 0,42-0,47 350-450-

ПЭТФ (114 текс) 0,47-0,56 60-72

В' указанных областях механические характеристики меняются следующим образом: динамический модуль упругости дважды меняет свою монотонность, а механические потери имеют острый максимум.

Рисунок 2 - Появление и исчезновение АМК для синтетической нити СВМ

(29,4 текс) в зависимости от приложенного напряжения о* при постоянной

температуре Т=293 К (а) и исчезновение АМК по мере увеличения температуры

Т при постоянном напряжении а = 470 МПа (б) 9

Наличие АМК у монофиламентных нитей ПЭТФ подтвердило, что анализируемое явление не связано с комплексным строением изучаемых синтетических нитей. Проявление АМК у нитей СВМ и терлон с линейной плотностью 58,8 текс также подтвердило, что наблюдаемые АМК не связаны с поперечными размерами нитей.

Динамическая часть деформации Ea(t) в случае АМК может быть аппроксимирована

efí{t) = AcosaBCIIí-cos{ú)MOdt + h<p) , (2)

где Á - амплитуда результирующих колебаний, сОосн = (a»i+(02) /2 - основная (несущая) частота колебаний, - частота модуляции амплитуды,

Дф - разность фаз. Уравнение (2) представляет собой результат сложения двух гармонических колебаний одинакового направления с близкими частотами и <йд,. Значения этих частот можно определить по формулам:

(3)

(4)

где частоты определяются непосредственно из осциллограмм.

По значениям можно определить максимальное и

минимальное значения динамического модуля:

(5)

где { - длина нити (м), у - объемная плотность (г/см3), Т- линейная плотность (текс), m - масса груза (кг).

В четвертой главе проведена экспериментальная проверка достоверности наблюдаемых АМК. С этой целью было проведено несколько серий измерений в изменяющихся условиях.

В первой серии испытаний проводилась проверка влияния: напряженно-деформированного состояния, частоты свободных колебаний и массы груза - на характер наблюдаемого явления. Обнаружено, что по отношению к любому объекту, у которого наблюдаются АМК, всегда можно найти другой или

несколько объектов, у которых в тех же диапазонах напряжений, деформаций, масс грузов и частот колебаний наблюдаются лишь классические затухающие колебания.

Во второй серии испытаний проводилась проверка влияния различных инструментальных факторов и предполагаемых внешних причин возбуждения второй моды колебаний. С этой целью были проделаны следующие эксперименты: возбуждались поперечные и крутильные колебания в сочетании с продольными колебаниями; варьировались способы возбуждения свободных продольных колебаний; изменялась масса установки; варьировалось по массе и конструктивному исполнению плечо сельсин-датчика; для предотвращения отрыва от площадки нижнего зажима нити груз жестко крепился к ней. Все перечисленные и ряд других проверочных измерений показали стабильность появления АМК.

Отметим еще ряд особенностей, подтверждающих влияние вязкоупругости исследуемых материалов на происхождение наблюдаемых АМК. Во-первых, для нитей различного химического строения диапазоны частот, внутри которых появляются и исчезают АМК, также различны. Из таблицы 3 видно, что при одних и тех же значениях частот свободных колебаний у одних объектов проявляются АМК (левая часть таблицы), тогда как у других наблюдаются классические затухающие колебания (правая часть таблицы). Во-вторых, АМК не наблюдаются у ряда синтетических нитей, находящихся в расстеклованном состоянии (например, у полипропилена, полиэтилена), а также у металлических пружин в том же интервале частот, в котором АМК появляются и исчезают у исследуемых объектов.

В пятой главе рассмотрены варианты объяснения наблюдаемых АМК.

У высокоориентированных полимеров от скорости деформирования существенным образом зависит численное значение показателя жесткости. Как видно из рисунка 1, по мере увеличения скорости деформирования значение релаксирующего модуля увеличивается. Вследствие этого, в отличие от низкомолекулярных твердых тел, параметр жесткости синтетической нити в

Таблица 3. Сопоставление значений жесткости к и частоты свободных колебаний со для различных объектов исследования

Наличие АМК при данной частоте колебаний Отсутствие АМК при данной частоте колбаний

Объект га, [кг] к, [кН/м] к/т, [с"1] со, [с'] Объект ш, [кг] к, [кН/м] к/т, [с"1] о, [с"1]

СВМ ПЭТФ

(29,4 текс) 0,95 13,9 14,6-103 121,0 (114 текс) 0,55 8,1 14,6-103 121,0

терлон ПЭТФ моно

(58,8 текс) 1,55 22,5 14,5-103 120,6 <1=0,5 5 мм 1,15 16,6 14,4-103 120,0

ПЭТФ СВМ

(114 текс) 0,7 7,0 10-Ю3 100 (29,4 текс) 1,25 12,5 10-Ю3 100

ПЭТФ моно терлон

<1=0,63 мм 1,95 19,5 10-Ю3 100 (58,8 текс) 2,15 21,5 10-Ю3 100

армос терлон

(100 текс) 5,55 44,8 8,1-Ю3 90 (58,8 текс) 2,95 24,1 8,2-103 90,4

СВМ

(29,4 текс) 1,55 12,7 8,2-103 90,4

СВМ армос

(29,4 текс) 1,1 12,1 10.9103 104,7 (100 текс) 3,75 40,1 10.9-103 104,7

терлон

(58,8 текс) 1,95 21,2 10,9-103 104,7

процессе свободных колебаний изменяется. Уравнение (1) в этом случае будет содержать переменные параметры. Отмечалось*, что из решения дифференциальных уравнений свободных колебаний нити с переменными параметрами выявляется возможность параметрического резонанса и вследствие этого возможность обрыва нити.

Для объяснения наблюдаемых АМК предлагается структурно-кинетическая модель ориентированного полимера, согласно которой причиной появления ЛМК является неравномерное распределение нагрузки по структурным элементам полимера. При этом наиболее нагруженные элементы быстрее релаксируют по сравнению с менее нагруженными. Вследствие этого деформационный процесс сопровождается внутренним перераспределением нагрузки. Если частота указанного перераспределения оказывается близкой к собственной частоте колебаний нити, наблюдаются АМК.

С позиций моделирования нелинейно-наследственной вязкоупругости ориентированного полимера спек1р релаксации, смещаясь в сторону меньших значений времен релаксации как бы навстречу увеличивающейся нагрузке, при некотором значении приложенного напряжения вследствие ее активирующего действия сближается с периодом свободных колебаний и вследствие этого происходит возникновение АМК.

Рассмотренные варианты объяснения могут быть дополнены с позиций математических аналогий в других областях физики. На основании обобщенной теории переноса модель ориентированного полимера при определенных условиях приводит к возникновению ядра релаксации осциллирующего типа, т.е. к возникновению внутренней- виброрелаксации, механизмы которой известны в гидро и газодинамике. Внутренняя виброрелаксация, порождаемая неоднородностью строения и неравномерностью процесса рассеяния потока импульса по различным

♦Мигушов И.И. Механика текстильной нити и ткани: Моногр.- М.: Легкая индустрия, 1980.160 с.

молекулярным цепям, может быть причиной возникновения ЛМК. О возможности существования осциллирующего ядра релаксации указывалось в наследственной механике твердых тел*.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1) Для комплексных синтетических нитей ПЭТФ, армос, СВМ, терлон определяемые методом свободных продольных колебаний значения динамического модуля оказались близкими к начальным значениям релаксирующего модуля, прогнозируемым методами спектрального анализа нелинейной вязкоупругости ориентированных полимеров в режимах ползучести и релаксации. Тем самым подтверждается состоятельность получаемых параметров спектра релаксации и уточняется убывающий характер релаксирующего модуля в диапазоне малых времен - от

2) Для указанных комплексных синтетических нитей, а также монофиламентных нитей ПЭТФ определены интервалы напряжений, внутри которых появляются, усиливаются, ослабевают и исчезают амплитудно-модулированные колебания (АМК). У синтетической нити армос в дополнение к первой зоне АМК обнаружено также повторное появление АМК, объясняемое особенностями строения статистического сополимера.

3) Для проверки стабильности наблюдаемых АМК усовершенствована экспериментальная установка и проведены специальные испытания, показавшие устойчивость появления и исчезновения АМК.

4) Для всех исследованных синтетических нитей установлено, что АМК не появляются при температурах, близких к температуре стеклования или какого-либо другого "размягчения". Предлагается метод определения температуры, после которой АМК не появляются. АМК не наблюдаются также у ряда синтетических нитей (например, у полипропилена, полиэтилена), которые находятся в расстеклованном состоянии.

*Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. - М., 1988. - 712 с.

5) Полученные максимальное и минимальное значения динамического модуля в области проявления АМК удовлетворительно согласуются с высокоскоростными и статическими значениями релаксирующего модуля, уточняя тем самым монотонность релаксации модуля в зоне малых времен. Максимальное из указанных значений динамического модуля отражает упругий микромеханизм деформирования в режиме свободных колебаний, а второе -минимальное значение, близкое к среднему значению статического релаксирующего модуля, отражает вязкоупругий микромеханизм деформирования.

6)Рассмотрены варианты объяснения изучаемых АМК с позиций структурно-кинетических особенностей ориентированных полимеров, связанных с неоднородностью надмолекулярного строения ориентированных полимеров в сочетании с активирующим действием внешней нагрузки на спектр релаксации.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1)Пат. 33650 и1 (ЯИ) Устройство для определения динамических характеристик комплексных нитей./ Горшков А.С., Сталевич А.М., Романова А.А., Рымкевич П.П. - Опубл. 27.10.2003, Б.И. №30; Кл. О 01 N3/30.

2)Романова А.А., Горшков А.С. Оценка влияния динамических воздействий на технологические процессы производства и переработки текстильных нитей. //Совершенствование м-дов худ. проектир-я и технол. изделий сферы быта и услуг: Сб.научн.тр.-СПб.: СПбТИС, 1995. - С. 27-29.

3)Романова А.А., Рымкевич П.П., Горшков А.С. Методы обобщенной теории переноса для описания механического поведения полимерных синтетических нитей. //Мат. моделирование в мех. деформ. тел. Тез. докл. XVI Междунар. конф. - СПб., 1998.- С.45.

4)Романова А.А., Горшков А.С. Об особенностях механического поведения полимерных синтетических нитей при динамических воздействиях.

//Товаровсдпо-технологический факультет: Сб. научн. тр.- СПб.: СПбТЭИ, 2000.-С. 100-103. -

5)Романова АА, Горшков JI.C. Динамическое деформированию ^итетачгски* нитей. //Проблемы и перспективы развития сферы сервиса /Санкт- Петербург, 23-24 апреля 2001 г. / - Материалы конференции: в двух частях. -СПб.:СПбГИСЭ, 2001.-Часть 1.-С. 116-117.

6)Горшков А.С., Сталевич A.M., Романова А.А Физико-механические свойства нитей в условиях неразрушающих механических воздействий. //Дни науки-2001: Вестник межвузовской научно-технической конференции.-СПб.: СПГУТД,2001.-С26.

7)Горшков А.С., Романова А.А., Рымкевич П.П., Сталевич A.M. Метод обнаружения различающихся микромеханизмов деформирования ориентированных полимеров в неразрушающей зоне воздействия. //Физико-химия полимеров: Синтез, свойства и применение: Сб. науч. тр.- Тверь: Твер. гос. ун-т, 2003. Вып. 9. - С. 60-64.

8)Горшков А.С., Романова АА., Рымкевич П.П., Сталевич A.M. Моделирование динамической релаксации высокоориентированных аморфно-кристаллических полимеров. // Физико-химия полимеров: Синтез, свойства и применение: Сб. науч. тр.- Тверь: Твер. гос. ун-т, 2003. Вып. 9. - С. 85-89.

9)Горшков А.С., Сталевич A.M., Романова АА. Особенности сопротивления ориентированных полимеров слабым механическим воздействиям. //Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности: Сб. науч. тр. Вып.5. - СПб.: СПГУТД, 2003. - С. 60-63.

10)Горшков А.С., Романова А.А., Рымкевич П.П., Сталевич A.M. Амплитудная модуляция ориентированных полимеров в начальной стадии деформирования.//Физико-химия полимеров: Синтез, свойства и применение: Сб. науч. тр.- Тверь, 2004. Вып. 10. - С. 111-112.