Устройство для определения вязких свойств полимеров, наполненных твердыми частицами

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ, НАПОЛНЕННЫХ ТВЕРДЫМИ ЧАСТИЦАМИ(71) Заявители Ставров Василий Петрович Спиглазов Александр Владимирович(72) Авторы Ставров Василий Петрович Спиглазов Александр Владимирович(73) Патентообладатели Ставров Василий Петрович Спиглазов Александр Владимирович(57) 1. Устройство для определения вязких свойств полимеров, наполненных твердыми частицами, содержащее плоскопараллельные плиты, средства нагружения и датчики усилия и толщины образца, отличающееся тем, что поверхности плит выполнены с выступами и (или) впадинами, ориентированными перпендикулярно направлению течения материала образца, причем глубина впадин и (или) высота выступов равны преимущественно толщине частиц наполнителя, а расстояния между ними - средней длине частиц. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что поверхности плит покрыты проволочной сеткой, диаметры проволоки и размер ячейки которой равны толщине и средней длине частиц наполнителя соответственно. 1257 Полезная модель относится к технике испытаний материалов и может быть использована для определения показателей вязких свойств полимеров, наполненных древесными и иными твердыми частицами. Известны устройства для определения вязких свойств материалов, в т.ч. полимерных расплавов, содержащие две плоскопараллельные плиты, средства нагружения, датчики усилия и перемещения 1-8. При испытаниях полимерных материалов в таких устройствах образец помещают между плитами и с помощью средств нагружения сжимают так, что материал растекается в диск. С помощью датчика перемещения измеряют толщину диска и скорость ее изменения. В устройстве 2 преобразованные сигналы датчиков вводят в решающее устройство,которое по алгоритму, основанному на известных формулах, выведенных из условий прилипания материала к плитам, вычисляет показатели вязких свойств. В других случаях 3,4 на основе соотношений, также выведенных из условий прилипания на границе образецплита, рассчитывают параметры степенного закона течения - коэффициент консистенции и показатель степени. При испытаниях в таких устройствах полимеров, наполненных твердыми частицами,частицы наполнителя, расположенные вблизи поверхности плит и перемещаемые растекающимся по поверхности плит матричным полимером, скользят относительно этой поверхности. В результате характер течения отличается от сдвигового, для которого выведены соотношения, используемые для расчета показателей вязких свойств, а рассчитанные по этим соотношениям характеристики отличаются от действительных. Скорость скольжения частиц наполнителя и касательные напряжения на границе образца зависят от состава и структуры материала, а также от температуры, способа обработки поверхности плит, от толщины образца, усилия сжатия и других условий испытаний. Поэтому даже введение поправок или использование различных приемов обработки результатов испытаний 5-8 не компенсируют погрешности, связанные с недостатками конструкции устройства. В том и другом случае результат измерений содержит методическую составляющую погрешности, обусловленную скольжением материала относительно поверхности плит. Устройство для определения вязких свойств полимеров, наполненных твердыми частицами, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому, содержит две плоскопараллельные плиты, средства нагружения, датчики усилия и толщины образца 9. Для создания условий течения на поверхности, аналогичных условиям течения материала в пресс-формах при изготовлении изделий, а также для облегчения съема образца после испытаний поверхности плит выполняют полированными с твердыми и гладкими покрытиями, чаще всего хромированными. На нижней плите могут кольцевые риски глубиной до 0,1 мм для точной установки образца в центре плиты. На режим течения материала эти риски не влияют. Данное устройство, как и описанные выше аналоги, не обеспечивает достаточной точности определения показателей вязких свойств наполненных полимеров ввиду скольжения частиц наполнителя и прилегающего к ним материала относительно поверхности плит при испытаниях образца. В экспериментах обнаруживается зависимость определяемых показателей от шероховатости плит, от размеров частиц в исследуемом образце, от размеров образца и усилия его сжатия. Исключить методическую погрешность, обусловленную скольжением частиц на поверхности плит, невозможно, поскольку неизвестны касательные напряжения в каждой точке и местная скорость скольжения. Предлагаемое техническое решение направлено на обеспечение условий прилипания на поверхности плит при испытаниях наполненных полимеров и повышение за счет этого точности определения показателей вязких свойств. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения вязких свойств полимеров, наполненных твердыми частицами, содержащем плоскопараллельные плиты,2 1257 средства нагружения и датчики усилия и толщины образца, поверхности плит выполнены с выступами и (или) впадинами, ориентированными перпендикулярно направлению течения материала образца, причем глубина впадин и (или) высота выступов равны преимущественно толщине частиц наполнителя, а расстояния между ними - средней длине частиц. В частном варианте исполнения устройства поверхности плит покрыты проволочной сеткой, диаметры проволоки и размер ячейки которой равны толщине и средней длине частиц наполнителя соответственно. Техническое решение поясняется иллюстрациями. На фиг. 1 показан общий вид устройства на фиг. 2 - вид на одну из плит на фиг. 3 - сечение образца и плит в направлении течения материала при испытаниях на фиг. 4 - то же в частном случае исполнения устройства. Устройство (см. фиг. 1) содержит плоскопараллельные плиты 1 (они могут быть обогреваемыми и (или) охлаждаемыми, в зависимости от заданного режима испытаний), средство нагружения 2 (например, гидроцилиндр) с измерителем усилия, датчик 3 толщины образца 4, деформируемого между плитами. На поверхностях плит, контактирующих с образцом в процессе испытаний, имеются выступы и (или) впадины, ориентированные перпендикулярно направлению течения материала образца (на фиг. 2 - концентричные). Как видно из фиг. 3, глубина впадини(или) высота выступов равны преимущественно толщинечастиц наполнителя, а расстояния между ними- средней длинечастиц. При исполнении в частном варианте (см. фиг. 4) диаметр проволокисоизмерим с толщиной частиц , а размер ячейки- со средней длинойчастиц наполнителя. Устройство работает следующим образом. Цилиндрический образец 4 (см. фиг. 1) нагревают до температуры вязкотекучего состояния материала и с помощью средств нагружения 2 сжимают заданным усилием между плитами 1. Материал растекается, при этом увеличивается радиус деформируемого образца. Частицы наполнителя, находящиеся вблизи поверхности плит и увлекаемые потоком матричного полимера, перемещаются к периферии плит и ориентируются при этом преимущественно в направлении течения. Концы частиц 5, достигая впадин или выступов,имеющихся на поверхности плит (см. фиг. 3), упираются в них, и дальнейшее перемещение этих частиц становится невозможным. Одновременно затормаживается весь приповерхностный слой матричного полимера. Таким образом, создаются условия течения, соответствующие прилипанию материала образца к поверхности плит. Выбранное соотношение между толщиной и средней длиной частиц наполнителя с одной стороны и глубиной впадин (высотой выступов) и расстояниями между ними - с другой исключает проскальзывание относительно плит практически всех частиц, находящихся в приповерхностном слое. При наличии на поверхности плит металлической сетки 6 (см. фиг. 4) функции выступов и впадин выполняют отдельные проволочные элементы 7. Расположенные на расстояниях , соизмеримых со средней длиной частицнаполнителя, они также обеспечивают торможение всего поверхностного слоя образца. Отсутствие относительного скольжения частиц наполнителя вблизи поверхности плит, а также связанного с ними матричного полимера в поверхностном слое создает режим течения наполненного частицами полимера, аналогичный режиму течения при условии прилипания материала к плитам. Показатели вязких свойств, вычисляемые затем по заданным значениям усилия, измеренным значениям текущей толщины образца и скорости ее изменения с использованием известных соотношений, выведенных при условии прилипания материала к плитам, уже не содержат методическую погрешность, обусловленную несоответствием расчетного и действительного режимов деформирования испытываемого образца. Следовательно, повышается точность определения показателей вязких свойств материала. 3 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.