, (7)
где g – вес образца;
Полезная упругость
. (8)
Методика эксперимента
Экспериментальная часть данной лабораторной работы состоит из двух частей. В первой части работы сшитый эластомер (привести рецептуру резиновой смеси и условия вулканизации) подвергается действию постоянной нагрузки. Величина нагрузки должна быть подобрана такой, чтобы e нач. составляла 200–300%. Перед испытанием с помощью толщиномера в рабочей части образца замеряют толщину с точностью до 0,01 мм, а затем рассчитывают начальную площадь поперечного сечения рабочего участка S 0.
Величина постоянного значения s усл. после приложения нагрузки P равна:
. (9)
Во времени эксперимента определяют длину рабочего участка l.
Относительное удлинение e подсчитывают по формуле:
, (10)
где l 0 – начальная длина рабочего участка.
Вначале после приложения нагрузки величину l замеряют часто, а затем через более длинные интервалы времени. Замеры l прекращают, если через 20 минут с момента последнего замера не произошло видимого изменения длины образца.
На этом этапе прекращают наблюдать ползучесть, и образец освобождают от нагрузки, продолжая измерять длину рабочего участка.
Наблюдения за восстанавливаемостью прекращают, если через 20 минут с момента последнего замера не произошло видимого изменения длины образца.
Результаты измерений и расчетов сводятся в таблицу 1.
Таблица 1
Результаты измерений и расчетов по ползучести
и восстанавливаемости
| Время наблюдения t, сек | Длина рабочего участка l, мм | 
|
| Нагрузка снята | ||
Как правило, студенту выдаются 2 образца сшитого эластомера, отличающиеся количеством сшивающего агента в резиновой смеси для их получения. Таким образом, степень сшивки образцов различна, что неизбежно должно отразиться на их ползучести и восстанавливаемости. Величину нагрузки P второго образца рассчитывают из условия возникновения s усл. той же величины, что и для первого образца.
По результатам таблицы 1 строят графики зависимости e – t, аналогичные изображенным на рис. 5.
Вторая часть эксперимента лабораторной работы посвящена изучению гистерезиса сшитых эластомеров. Сшитый эластомер в виде стандартной лопатки закрепляют в зажимах разрывной машины. Перед этим с помощью толщиномера определяется начальная площадь поперечного сечения рабочего участка. Скорость растяжения образца составляет 50 мм/мин. Через каждые 6 секунд после начала растяжения записывается величина нагрузки P, возникающей в образце. Через 120 секунд (2 минуты) при начальной длине рабочего участка l 0, равно 25 мм, величина e достигнет 400%. После этого ход нижнего зажима с помощью переключателя меняют на обратный и снова записывают через каждые 6 секунд показания нагрузки, но уже при сокращении образца. Замеры продолжают до тех пор, пока нагрузка в образце не станет нулевой. За 6 секунд нижний зажим проходит 5 мм, что при l 0 = 25 мм составляет величину 20%.
По результатам эксперимента заполняют таблицу 2.
Таблица 2
Расчетно-экспериментальные данные по изучению гистерезиса образца сшитого эластомера (1 цикл)
| Относительная деформация e, % | Нагрузка P, Н | 
|
| Растяжение | ||
| Сокращение | ||
После первого цикла «растяжение–сокращение» нужно провести второй цикл сразу же после достижения в ходе сокращения первого цикла значения P = 0. Результаты второго цикла также сводятся в таблицу 3, аналогичную таблице 2.
Результаты испытаний и расчетов таблиц 2 и 3 представляют графически на рисунке, вид которого будет подобен рис. 6.
Обсуждение полученных результатов
В этой части лабораторной работы студент, используя теоретические основы рассматриваемых вопросов ползучести, восстанавливаемости и гистерезиса, а также расчетные данные, должен всесторонне обсудить полученные экспериментальные результаты. При объяснении имеющихся экспериментально-расчетных данных нужно, прежде всего, обратить внимание на влияние химической, топологической и физической структуры испытанных образцов на изучаемые релаксационные явления. Например, степень сшивания эластомера должна определенным образом сказаться на величинах e нач. , e вэл. и e ост. при изучении ползучести и восстанавливаемости. Кроме того, и доля необратимой деформации в общей деформации
также будет зависеть от густоты пространственной сетки.
По полученным расчетно-экспериментальным данным необходимо построить графики (рис.7).
Рис.7. Зависимости величины деформации ε от времени t
1-образец с содержанием серы 0,5 масс. ч.
2-образец с содержанием серы 1,0 масс. ч.
В обоих экспериментах величина приложенной нагрузки P должна вызывать одинаковое начальное напряжение s усл.. Поэтому P рассчитывают с учетом величины начальной площади сечения рабочего участка испытываемого образца.
В данном разделе по результатам ползучести студентам рекомендуется рассчитать величину молекулярной массы отрезка макроцепи между соседними узлами сшивки (MC) обоих образцов с разным содержанием серы. Для этого необходимо определить (e общ - e ост.) у каждого образца. Затем, нужно рассчитать степень деформации растяжения l = (e общ. - e ост.) + 1.
Из формулы:
рассчитываем модуль упругости сшитого эластомера Е.
Значение МС определяется из выражения:
, (11)
где R – газовая постоянная, 8,31 
;
T – температура, К;
r – плотность резины, 
.
Если модуль E будет иметь размерность Па 
, то размерность по рассчитанной формуле (11) величины МС составит 
.
Студентам необходимо провести качественное обсуждение рис.7. Необходимо объяснить два наблюдаемых факта:1- большую величину e общ для менее сшитого образца; 2- меньшую величину e ост у более сшитого образца.
Обсуждение результатов по гистерезису начинается с расчета количественных характеристик по формулам (5 и 8). Необходимые для расчетов площади под кривыми растяжения и сокращения определяем весовым способом. После расчета сравниваем полученные количественные характеристики для обоих образцов. При обсуждении необходимо обратить внимание на величину остаточной деформации в ходе первого цикла.
Для второго цикла «растяжение–сокращение» также должны быть определены количественные данные по гистерезису.
Выводы
В заключении, на основании обсуждения расчетно-экспериментальных данных делаются соответствующие выводы. Если в «Обсуждении результатов» могут быть рассмотрены различные, и даже, противоположные точки зрения на полученные результаты, то в выводах должны быть даны краткие, однозначные, логически завершенные формулировки итогов обсуждения результатов.
Вопросы для самоподготовки и самоконтроля
1. Дайте общее определение понятия «релаксация».
2. Укажите интервал времен быстрой физической релаксации и перечислите соответствующие физические процессы, протекающие в полимерах за эти времена.
3. Укажите интервал времен медленной физической релаксации и перечислите соответствующие физические процессы, протекающие в полимерах за эти времена.
4. Укажите интервал времен химической релаксации и перечислите соответствующие химические процессы, протекающие в полимерах за эти времена.
5. Два идентичных образца были подвергнуты циклической деформации в режиме «растяжение – сокращение» при разных температурах. При какой температуре испытания (более высокой или более низкой) гистерезис будет меньше?
6. Почему при быстрой или, наоборот, очень медленной скорости растяжения гистерезис невелик?
7. Какая марка резины более подходит для изготовления резинового амортизатора: резина с большим гистерезисом или маленьким?
8. В каком случае остаточная деформация резины после ее восстановления окажется выше:
1-й случай: образец резины подвергается действию постоянной нагрузки в течение 4-х часов?
2-й случай: образец резины подвергается действию постоянной нагрузки в течение 8-ми часов?
9. Начертите на одном графике кривые ползучести–восстановления для резины:
а) наполненной техническим углеродом
б) ненаполненной техническим углеродом.
Литература
1. Кулезнев, В.Н. Физика и химия полимеров / В.Н. Кулезнев, В.А. Шершнев. – М.: Высшая школа, 1988. – 313 с.
2. Тугов, И.И.Химия и физика полимеров /И.И. Тугов, Г. И. Кострыкина. – М.: Химия, 1989. – 431с.
3.Гуль, В.Е. Структура и механические свойства полимеров / В.Е. Гуль, В.Н. Кулезнев. – М.: Высшая школа, 1979. – 351с.
Лабораторная работа № 3