научная статья по теме ТВЕРДОФАЗНАЯ ЭКСТРУЗИЯ ПОЛИАМИДА, ОСУЩЕСТВЛЯЕМАЯ ПРИ ПРОСТОМ СДВИГЕ Физика

Текст научной статьи на тему «ТВЕРДОФАЗНАЯ ЭКСТРУЗИЯ ПОЛИАМИДА, ОСУЩЕСТВЛЯЕМАЯ ПРИ ПРОСТОМ СДВИГЕ»

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.

Показать целиком