§ 1.4 Пример применения оптического дилатометра. Действия, предпринимаемые для устранения погрешностей.

Широко распространенные индикаторные дилатометры, используемые для определения термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) твердых тел (ГОСТ 15173–70), оказываются неприменимыми при исследовании тонких и эластичных материалов вследствие влияния нагрузки индикатора (механического, электрического и т.п.) [1]. Для определения ТКЛР полимерных материалов, находящихся в высокоэластическом состоянии, а также любых пленочных материалов и волокон необходим метод с бесконтактным измерением длины образца, исключающим нагрузки на образец во время испытания.

Наиболее полно данным условиям отвечают оптические дилатометры [2, 3], однако сложности в установке образца, закреплении груза и его некоторое влияние на образец затрудняют использование установок при исследовании волокон и пленок. В данной работе описан дилатометр для определения ТКЛР полимеров, пленочных материалов, волокон, сочетающий простоту конструкции с надежностью и точностью получаемых экспериментальных результатов (рис. 1).

Рисунок 4. Схема оптического дилатометра

Установка состоит из бинокулярного микроскопа марки МГ-1 разрешающей способностью 5 мкм и криотермокамеры для образцов, позволяющей проводить испытания в диапазоне температур от -180°C до +500°C. На боковых стенках камеры, имеющих продольные каналы для прохождения паров жидкого азота, расположен нагреватель, подключенный к высокоточному регулятору температуры ВРТ-3, который совместно с программным задатчиком типа РУ-5 обеспечивает равномерный симметричный нагрев системы. Программный задатчик позволяет проводить эксперимент при скоростях нагрева до 5–6 град/мин и при фиксированной температуре, поддерживаемой с погрешностью 0,1 град. Образец из исследуемого материала размером 65×14 мм и толщиной от 15 мк до 2 мм помещается на медную калиброванную сменную вставку с двумя овальными прорезями так, чтобы его концы находились в прорезях (для волокон применяется вставка с выфрезерованной канавкой, в которую вкладывается исследуемое волокно).

Для исключения случайной погрешности, связанной с короблением образца, зазор между ним и медной крышкой 6 путем подбора толщины вставки выбирается равным 0,3–5 мм. Высокая равномерность температурного поля в образце обеспечивается при помощи выбора длины криотермического устройства вдвое большей длины образца и специальным профилированием нагревателя, при этом максимальный температурный перепад по образцу во всем диапазоне рабочих температур не превышает 0,2 град. Криотермическое устройство окружено волокнистой теплоизоляцией и помещено в кожух, в котором имеются кварцевые смотровые окна для подсвета концов образца.

Длина образца измеряется при помощи микроскопа, фиксирующего концы образца в проходящем свете. Температура определяется медь-константановой термопарой, спай которой помещается на поверхности образца в его центральной части. Все медные детали установки никелируются для предотвращения их окисления. На рис. 4 показано также верхнее зеркало. Исследование ТКЛР электролитической меди показало хорошую сопоставимость результатов с литературными данными [4].

На рис.5 приведены результаты определения ТКЛР эпоксидной смолы марки ЭДИ, отвержденной в течение 6 ч при 60°C, и полиэтилена ПЭ (ρ=920 кг/м3) на оптическом и индикаторном дилатометрах). В области высокоэластического состояния (Т>Тc) в материале происходит увеличение молекулярной подвижности, поэтому индикаторный дилатометр, оказывающий механическое воздействие на образец, показывает заниженные результаты. Для частично кристаллического полимера ПЭ в области предплавления (области α-перехода; Т>50°С) наблюдается дальнейшее уменьшение жесткости системы, что приводит к еще более существенной разнице в показаниях оптического и индикаторного дилатометров. Кроме того, нагрузка затормаживает процесс расстеклования полимера, что проявляется в сдвиге температуры стеклования в область высоких температур.

Рисунок 5. Температурная зависимость термического коэффициента линейного расширения эпоксидной смолы марки ЭДИ (1, 2) и полиэтилена ρ=920 кг/м3 (3, 4), полученная на оптическом (2, 4) и индикаторном (1, 3) дилатометрах.

Высокая чувствительность оптического дилатометра позволяет использовать его для выявления зон релаксационных переходов в полимерах. Например, при исследовании ТКЛР ряда сополимеров этилена с полярными мономерами были обнаружены области γ(-120°С); γ'(-90÷-70°С); β(Тc =-20°С) и α(+50÷+100°С)-релаксации [5].