автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.01, диссертация на тему: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.