ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2009, том 51, № 8, с. 1473-1480
РЕОЛОГИЯ
УДК 541.64:532.135
ТВЕРДОФАЗНАЯ ЭКСТРУЗИЯ ПОЛИАМИДА, ОСУЩЕСТВЛЯЕМАЯ ПРИ ПРОСТОМ СДВИГЕ
© 2009 г. В. А. Белошенко, А. В. Возняк, Ю. В. Возняк
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина Национальной академии наук Украины
83114 Донецк, ул. Р. Люксембург, 72 Поступила в редакцию 02.04.2008 г. Принята в печать 22.01.2009 г.
На примере полиамида исследованы возможности новых методов интенсивной пластической деформации, основанных на простом сдвиге (равноканальной многоугловой, Т-образной, винтовой экструзии), для структурной модификации гибкоцепных аморфно-кристаллических полимеров. Выявлено влияние схемы и способа деформирования, температуры и скорости экструзии на физико- механические свойства полимера. Обсуждены особенности поведения материала в зависимости от условий твердофазной экструзии.
ВВЕДЕНИЕ
Твердофазная экструзия — один из известных методов достижения высокоориентированного состояния полимеров [1, 2]. Он основан на про-давливании полимера через коническую или щелевую фильеру, что позволяет получать изделия различной конфигурации, обладающие высокими деформационно-прочностными характеристиками. Процесс экструзии сопровождается изменением формы или размеров исходной полимерной заготовки.
В последние годы значительный интерес вызывает экструзия, основанная не на вытяжке материала, а на его простом сдвиге. Эти методы относятся к числу способов интенсивной пластической деформации, используемых для получения наноструктурных металлических материалов [3]. Авторами [4—7] показана перспективность применения одного из них — равноканальной угловой экструзии (РКУЭ) для модификации структуры и свойств аморфно-кристаллических полимеров, который осуществляется путем продавливания полимерной заготовки через два взаимопересекающихся канала одинакового сечения. В отличие от традиционных способов реализации твердофазной экструзии РКУЭ не приводит к изменению геометрии полимерной заготовки, однако может улучшать ее физико-механические характеристики.
В настоящей работе на примере ПА, полученного низкотемпературной полимеризацией капролак-тама (капролон В), исследована возможность применения новых схем твердофазной экструзии, основанных на простом сдвиге — равноканальной многоугловой экструзии (РКМУЭ), винтовой экструзии и равноканальной Т-образной экструзии
E-mail: bel@hpress.fti.ac.donetsk.ua (Белошенко Виктор Александрович).
для структурной модификации гибкоцепных аморфно-кристаллических полимеров.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
При РКМУЭ цилиндрическая заготовка продавливается через устройство, состоящее из нескольких пар каналов одного диаметра, пересекающихся под заданными углами [8]. На рис. 1а приведены схема РКМУЭ и угловые схемы каналов при использовании четырех и восьми деформирующих втулок. Главной особенностью РКМУЭ является наличие в одном устройстве нескольких очагов сдвиговой деформации, что обеспечивает высокопроизводительную реализацию дробного режима деформирования с большими значениями накопленной деформации е при проходе заготовки через каналы.
Величина эквивалентной (разовой) деформации в одном цикле РКМУЭ рассчитывается по формуле [8]
п
е = 2У СМ 73
I=1
Здесь — половина угла пересечения сегментов канала, п — число углов пересечения каналов. При многократном циклировании накопленная деформация бн = 2Ы&, где N - число циклов деформирования.
Схема винтовой экструзии приведена на рис. 1б. Процесс винтовой экструзии представляет собой проталкивание призматической заготовки через матрицу с винтовым каналом. Сечение канала, ортогональное оси экструзии, постоянно вдоль оси. Угол наклона винтовой линии к оси экструзии изменяется по высоте матрицы, однако на начальном и конечном участках он равен ну-
(а) Р
е1 е24
(в)
Р 1
^ 1 И И
■*-3, 4 „_
Рис. 1. Схемы РКМУЭ (а), винтовой (б) и Т-образной экструзии (в).
лю. Величина эквивалентной деформации при винтовой экструзии б тах = , где р - угол ската винтовой линии (наиболее удаленной от оси экструзии).
В ходе винтовой экструзии материал испытывает интенсивную деформацию при сохранении идентичности начального и конечного сечений образца. При этом можно выделить четыре зоны деформации (рис. 1б) [2]. Две из них (1 и 2) расположены в начале и конце винтового участка матрицы. Зона 3 находится в винтовой части и охватывает основной объем образца, кроме периферийного слоя толщиной 1—2 мм. Деформация в этой зоне представляет собой простой сдвиг в продольной плоскости, поворачивающейся вокруг оси экструзии. Деформация в зоне 4 осуществляется простым сдвигом вдоль контура сечения образца.
В случае равноканальной Т-образной экструзии (рис. 1в) заготовка выдавливается из вертикального канала в два горизонтальных, причем площади поперечных сечений всех каналов равны. Величина эквивалентной деформации при Т-образной экструзии
2
Е = 7з
Принципиальное отличие равноканальной Т-образной экструзии от РКМУЭ состоит в том, что при первой наблюдается не только сдвиг, но и значительное растяжение материала, что проявляется в искажении координатной сетки, предварительно нанесенной на осевое сечение составного образца [2].
Образцы необходимого размера из ПА (диаметр 15 мм, длина 50 мм — РКМУЭ; диаметр 16 мм, длина 70 мм — Т-образная экструзия; сечение (23 х 18) мм2, длина 80 мм — винтовая экструзия) получали механической обработкой промышленного продукта. Экструзию проводили на гидравлическом прессе со скоростью перемещения заготовки V, = 0.6—4.0 мм/с. Температуру экструзии Тэ варьировали в интервале 353—483 К.
Микротвердость Нц измеряли на приборе ПМТ-3; плотность образцов у определяли методом гидростатического взвешивания, используя весы серии АХ200 фирмы "8Ытаё2и". Изменение линейных размеров образцов, вырезанных в различных направлениях по отношению к направлению течения материала, фиксировали на дилатометре DIL 402 РС/4 ^128сЫ, скорость нагревания 1 град/мин. ДСК осуществляли с использованием термоаналитического комплекса DuPont 9900. Скорость нагревания образцов 20 град/мин, масса навески 15 мг. Испытания на одноосное сжатие проводили на универсальной испытательной машине Р-50 на образцах диаметром 10 и высотой 15 мм. Скорость сближения опорных площадок 10 мм/мин.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Известно, что для полимеров величина микротвердости Нц пропорциональна пределу текучести стт материала [9], поэтому об изменении последнего судили по поведению Нц. Такой подход позволил не только упростить процедуру механических испытаний, но и получить информацию об однородности деформации по сечению экс-трудатов.
е
5
е
7
2
Равноканальная многоугловая экструзия
Результаты исследования РКМУЭ металлических материалов [10, 11] показали, что наиболее эффективным параметром данного процесса, позволяющим существенно изменять их структуру и свойства, является величина накопленной деформации. Повышение Тэ главным образом применяется для снижения сопротивления деформированию и увеличения пластичности [11]. Варьирование v, заметного воздействия на характеристики деформированных металлов не оказывает.
Для полимеров влияние v, и Тэ на свойства экструдатов значительно [2]. Учитывая эти обстоятельства, была рассмотрена роль всех перечисленных факторов (е , v,, Тэ) в формировании комплекса физико-механических свойств ПА, подвергнутого РКМУЭ.
На рис. 2 приведено распределение Нц по поперечному сечению экструдатов в зависимости от температуры, скорости экструзии и числа пересекающихся каналов в случае РКМУЭ. Видно, что РКМУЭ способствует увеличению микротвердости экструдатов. При v, = 4.0 мм/с наблюдается повышение Нц на периферийных участках. Уменьшение скорости экструзии до 1.1—0.6 мм/с приводит к большему росту абсолютных значений Нц, а неоднородность в распределении Нц становится менее заметной за счет увеличения Нц в центральных областях сечений. Рост числа пересекающихся каналов (величины накопленной деформации е от 1.3 до 4.0) также способствует снижению неоднородности в распределении микротвердости.
Измерения распределения Нц на продольном сечении экструдатов в направлении от центра к краю образца (перпендикулярно оси цилиндра) показали аналогичный результат: при использовании V, = 4.0 мм/с значения микротвердости у концов экструдатов превышали таковые в центре. При vэ = 1.1—0.6 мм/с неоднородности в распределении Нц в продольном сечении не наблюдалось. Следует также отметить, что исходные образцы ПА обладали малой степенью анизотропии: среднее значение Нц в поперечном сечении
Н^ составляет 80 МПа, в продольном сечении Н^ равно 84 МПа. У экструдатов наблюдалась заметная анизотропия в Нц: Н^ ^ Н^. Например, в случае РКМУЭ при п = 7, = 0.6 мм/с, Тэ = 423 К величина Н^ = 132 МПа, Н\ = 163 МПа.
Неоднородность в распределении Нц по сечению экструдированного полимера обусловлена различиями степени перестройки его структуры в периферийной зоне и центре экструдата. Они
МПа
120
80
120
80
10
2'
1'
3 14
й, мм
Рис. 2. Распределение микротвердости по поперечному сечению экструдатов ПА при РКМУЭ при п = 3 (а) и 7 (б). Тэ = 353 (1, 1'), 423 (2, 2) и 473 К (3); ^ = 0.6(1, 2, 3) и 4.0 мм/с (1', 2'). Здесь и далее штриховой линией показана микротвердость исходных образцов.
имеют место и при традиционной схеме твердофазной экструзии, сопровождающейся формоизменением заготовки. Их причина связана с трением полимера при прохождении его через деформирующий канал матрицы [12]. Возникающие при этом дополнительные сдвиговые напряжения способствуют большему упрочнению поверхностных слоев по сравнению с серединой заготовки. К такому же результату может приводить и происходящий за счет трения разогрев поверхности полимерной заготовки, вследствие которого в указанной области создаются благоприятные условия для ориентации полимерных цепей. Увеличение Тэ нивелирует роль разогрева, вызванного трением, что снижает разницу в значениях Нц, соответствующих центральной и периферийной зонам (рис. 2). Величина Тэ полимера, при которой наблюдается максимальный рост Нц, составляет (0.8—
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.