Релаксация напряжений в ацетатцеллюлозных пластиках

А.В. Сорокина, О.А.Фридман

ВлГУ, г. Владимир, Россия, eklip.nauka@mail.ru

Изделия из полимеров очень часто включают в себя элементы конструкции, изготовленные из металла, стекла или пластика с иными механическими свойствами.

В этом случае полимерный материал работает в режиме релаксации при постоянной деформации, как правило, растягивающего напряжения. Примером могут служить очки. Даже металлические оправы очков, как минимум имеют полимерные наконечники заушников. В силу целого ряда специфических особенностей, (включая декоративные) в производстве оправ очков почти исключительно используются ацетатцеллюлозные пластики, главным образом листовые. Шарнирные петли в рамку оправы, армирующие стержни в заушники и собственно линзы в готовую оправу монтируются таким образом, что на пластик действуют растягивающие напряжения. Более того в процессе эксплуатации очков при переменных температурах начальное напряжение меняется от значений близких к пределу текучести до нуля. Таким образом, в ацетатцеллюлозном пластике многократно возникают и релаксируют растягивающие напряжения. Исследование влияния различных рецептурно-технологических факторов на процесс релаксации напряжений при той или иной постоянной деформации в ацетатцеллюлозных пластиках было нами проведено в целях принятия конструкторских и технологических решений, обеспечивающих процесс изготовления изделий, сохраняющих работоспособность в процессе их длительной эксплуатации. Введение пластификатора изменяет температурно-временную зависимость механических свойств по сравнению с непластифицированными полимерами. Однако остаётся открытым вопрос в какой мере это обусловлено изменением структуры материала, вследствие изменения условий его формования, а в какой - изменением реакции сформованного материала на механические воздействия. Нами исследовался ацетат целлюлозы (АЦ) со степенью замещения 2,5 (содержание связанной уксусной кислоты – 55,5%). В качестве пластификатора использовали диэтилфталат. Образцы для испытаний готовили по одной из следующих методик:

- через 10%-ный раствор АЦ в ацетоне;

- Через расплав.

В первом случае пленки получали поливом раствора через щелевую фильеру на стеклянную подложку. Перед испытанием пленки высушивали до постоянного веса. Пленки имели толщину (70±10) мкм. Во втором случае, сначала компоненты смешивали в Z – образном смесителе, затем получали гранулят на экструзионной установке. Из гранулята образцы для испытаний изготавливали либо методом литья под давлением, либо экструзией. Температура переработки повышалась от 190 до 240 °С по мере снижения концентрации пластификатора. Механические испытания проводили на разрывной машине ZM -20, снабженной термокамерой. На этой же машине исследовали процесс релаксации напряжений. Исследование влияния концентрации пластификатора на релаксацию напряжений в полимерных материалах сопряжено с определенными методическими трудностями, так как корректным, будет проведение исследований при начальных напряжениях не превышающих предел текучести при растяжении, тогда как предел текучести зависит от концентрации пластификатора.

На рис. 1 приведены графики релаксации напряжения ацетатцеллюлозных материалов при различных концентрациях пластификатора (диэтилфталата). Как видно из графика, скорость релаксации тем выше, чем выше концентрация пластификатора, а величина условно-равновесного напряжения (σ_∞) напротив снижается при увеличении концентрации пластификатора. Предистория образца, т.е. способ его изготовления (литье под давлением, экструзия, прессование или отлив пленки через раствор) влияет на скорость релаксации и величину условноравновесного напряжения в той степени, в какой изменяется значение предела текучести при растяжении, так как скорость релаксации и абсолютное снижение напряжения тем больше, чем ближе величина начального напряжения к пределу текучести при растяжении. (Сравним рис. 1 и рис. 2). Точно также влияет температура испытания. Однако при равной начальной деформации скорость релаксации и релаксирующая часть напряжения (σ_o - σ_∞) практически не изменяются (рис. 3).

Представляет практический интерес оценка способности материала выдерживать многократно возникающие растягивающие напряжения в режиме: растяжение – релаксация при постоянной деформации - снятие нагрузки (восстановление) – растяжение – релаксация – снятие нагрузки и т.д. Такой процесс идет, к примеру, при замене линз в оправах очков, а также в процессе производства оправ очков методами механической обработки листового ацетатцеллюлозного пластика. Естественно, что в результате каждого цикла нагружение – релаксация при постоянной деформации – снятие нагрузки (восстановление) в той или иной степени меняется структура материала даже если деформации значительно ниже величины относительного удлинения при пределе текучести.

По мере роста начальной деформации растет и величина релаксирующей части напряжения, достигая максимума при пределе текучести при растяжении (рис. 4). Интересно, что по максимуму на графике зависимости условно равновесного напряжения от начальной деформации можно определить точное значение деформации при пределе текучести (кривая 2 на рис. 4).

На основе результатов данной работы выданы рекомендации по изменению технологии изготовления оправ очков для коррекции зрения с целью обеспечения размерной стабильности и функциональной надежности изделий.