ABOUT ONE METHOD OF STUDYING THE COEFFICIENT OF THERMAL EXPANSION OF POLYMERS

Abstract


The problem of studying the deformation response of film samples made of UV-curable polymers to temperature changes is considered. It is difficult to obtain massive samples of these polymers due to the peculiarities of their polymerization. This paper suggests a methodology for tests that allows us to determine the temperature dependence of the coefficient of linear thermal expansion (CTE) in a wide range, including the relaxation transition. As measuring equipment was used a dynamic mechanical analyzer TA Instruments Q800 DMA with liquid nitrogen cooling system GCA, which allows varying temperature and its rate of change in wide ranges, controlling and measuring forces and displacements with high accuracy. The proposed approaches are applicable to any film samples and provide an opportunity to establish functional dependences of CTE not only on temperature, but also on its rate of change. At the same time, in contrast to traditional methods, the described procedures allow obtaining correct data under the conditions of relaxation transitions taking into account the influence of the temperature change rate on these processes. Considerable attention is paid to calibrate the measuring equipment, in particular, the measurement and compensation of the temperature deformation of the tooling. The measurements results are compared with known literature sources, manufacturers data, the results of measurements of samples with known characteristics and with the results obtained on a horizontal dilatometer. It is shown that the proposed method of measurements is correct and has a number of advantages over traditional methods of research when working with film samples or in cases where it is necessary to take the effect of the rate of temperature change on CTE into account.

Full Text

Современные подходы к проектированию изделий, основанные на математическом моделировании, включающем описание термомеханического поведения конструкций в широких температурных диапазонах, требуют, как можно более полной информации о физико-механических свойствах материалов, зачастую, в виде функциональных зависимостей их значений от температуры и других параметров окружающей среды. На сегодняшний день широкое распространение во всех отраслях промышленности получили полимеры, обладающие по сравнению с другими конструкционными материалами целым спектром уникальных эксплуатационных характеристик и большим разнообразием технологических параметров. Однако известно [1], что физико-механические свойства полимеров значительно зависят от температуры и истории ее изменения, релаксационных процессов, скоростей деформаций, напряженного состояния и др. В некоторых случаях, например, в волоконно-оптических датчиках, термомеханические процессы в защитно-упрочняющих полимерных покрытиях (ЗУП) нанесенных на световоды, используемые в качестве чувствительных элементов, могут оказывать значительное влияние на точность измерений и в целом на эксплуатационные характеристики таких изделий [2,3]. Кроме того, ряд эмпирических исследований показал, что выбор материала ЗУП, использование многослойной конструкции, и даже соотношение толщин полимерных покрытий в них могут существенно влиять на чувствительность волоконно-оптических датчиков к изменению температуры, в одних случаях улучшая, в других, ухудшая их эксплуатационные характеристики [4–9]. Точность чувствительных элементов таких сенсорных систем зачастую обусловлено специально сформированным напряженно деформированным состоянием (НДС). Одним из параметров, влияющих на НДС в оптическом волокне чувствительного контура, является КЛТР полимеров ЗУП. В этой связи необходимо определение закономерностей влияния температуры на КЛТР полимеров, методики его измерения и построение функциональных зависимостей, учитывающих условия и характер эксплуатации конкретных изделий. Исследованиям зависимости КЛТР от различных параметров посвящены ряд работ, в частности, в статье А.И. Слуцкера с соавторами [10] описано исследование температурной зависимости термического расширения поливинилацетата (ПВА) в области релаксационного перехода. В работе Р. Хувинка и А. Ставермана [11] приведены экспериментально полученные зависимости удельного объема как функции температуры, для полиметилметакрилата. В работе Р.С. Спенсера [12] исследовано влияние температуры и скорости охлаждения на удельный объем полистирола, приведены экспериментальные данные и получена аналитическая зависимость. В работах [13,14] Д.М. Хатчинсон и А.Д. Ковакс исследуют зависимость температурного расширения стекол от истории температурного воздействия. В работе [15] методами натурного эксперимента А.Н. Труфановым и И.Н. Шардаковым было показано, что деформационный отклик пленочных полимерных образцов на температурное воздействие зависит не только от температуры, но и от скорости ее изменения. А в общем случае, в условиях цикличного нагрева и охлаждения при одинаковых абсолютных значениях температуры КЛТР полимеров может отличаться на десятки процентов [15–17]. Температурная деформация полимеров обусловлена существенным вкладом как ангармонических колебаний атомов, так и конформационными эффектами, связанными с проявлениями сегментальной подвижности цепей и межмолекулярным взаимодействием; если первый механизм практически не имеет инерции, и эта составляющая температурного расширения синфазно следует за изменением температуры [18], то конформационные переходы, как известно, развиваются в материале с течением времени, которое обусловлено характерными временами релаксации, зависит от температуры и от истории ее изменения [1,11]. Таким образом, можно утверждать, что температурная зависимость коэффициента термического расширения полимеров носит сложный нелинейный характер, является функцией не только температуры, но и скорости ее изменения, что особенно ярко проявляется в интервалах, включающих терморелаксационные переходы в материале. На сегодняшний день в литературных источниках эта проблема не раскрыта в полной мере. Следовательно, в рамках описанной проблематики актуальна задача разработки новых подходов и методик исследований, позволяющих на основе экспериментальных данных строить математические модели, адекватно описывать наблюдаемые на практике эффекты, давать качественную и количественную оценку температурных деформаций полимеров с учетом истории изменения температуры. В представленной работе, предложена методика, идентификации температурной зависимости КЛТР для пленочных полимерных образцов. Предлагаемые в рамках исследования подходы востребованы для математического описания термомеханического поведения УФ отверждаемых полимеров, которые в виде различных пленочных покрытий широко используются в оптоволоконных приложениях. В настоящее время в расчетных схемах используют, как правило, не зависящие от температуры осредненные на некотором интервале значения КЛТР для высокоэластичного и застеклованного состояний [19,20], что не позволяет в полной мере учитывать влияние полимерных покрытий на привносимые погрешности в волоконно-оптических датчиках, обусловленные происходящими в них термомеханическими процессами и их влиянием на НДС в оптическом волокне.

About the authors

А. N Trufanov

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

References

  1. Бартенев Г.М., Зеленев Ю.В. Физика и механика полимеров: Учебное пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1983. 391 с.
  2. Wong D. Effect of fiber coating on temperature sensitivity in polarimetric sensors // J. Light. Technol. 1992. Vol. 10, № 6. P. 842–846. doi: 10.1109/50.143085
  3. Kikuchi Y. et al. Polarimetric strain and pressure sensors using temperature-independent polarization maintaining optical fiber // 2nd Intl Conf on Optical Fiber Sensors: OFS’84 / ed. Kersten R.T., Kist R. 1984. Vol. 0514. P. 395. doi: 10.1117/12.945120
  4. Chang K.S. Pressure-induced birefringence in a coated highly birefringent optical fiber // J. Light. Technol. 1990. Vol. 8, № 12. P. 1850–1855. doi: 10.1109/50.62882
  5. Окоси Т. Волоконно-оптические датчики // Л.: Энергоатомиздат, 1990. 256 с.
  6. Suhir E. Spring constant in the buckling of dual-coated optical fibers // J. Light. Technol. 1988. Vol. 6, № 7. P. 1240–1244. doi: 10.1109/50.4121
  7. Vangheluwe D.C.L. Exact calculation of the spring constant in the buckling of optical fibers // Appl. Opt. 1984. Vol. 23, № 13. P. 2045–2046. doi: 10.1364/AO.23.002045
  8. Ruffin P.B., Sung C.C. Sensitivity of polarization-maintaining fibers to temperature variations / ed. Wade J.F., Tuchman A. 1991. P. 160–167. doi: 10.1117/12.45632
  9. Yoshizawa N. et al. Low temperature characteristics of UV-curable resin coated optical fiber // J. Light. Technol. 1985. Vol. 3, № 4. P. 779–784. doi: 10.1109/JLT.1985.1074255
  10. Термическое расширение полимеров при циклически изменяющейся температуре / А.И. Слуцкер [и др.] // Журнал технической физики. 2003. Т. 73. № 7. С. 75–81.
  11. Хувинк Р., Ставерман А. Химия и технология полимеров: Пер. с нем. Т. 2, Промышленное получение и свойства полимеров Ч. 1. Л.: Химия, 1965. 512 с.
  12. Spencer R.S. Volume-temperature-time relationships for polystyrene // J. Colloid Sci. 1949. Vol. 4, № 3. P. 229–240. doi: 10.1016/0095-8522(49)90006-9
  13. Hutchinson J.M., Kovacs A.J. A simple phenomenological approach to the thermal behavior of glasses during uniform heating or cooling // J. Polym. Sci. Polym. Phys. Ed. Wiley Online Library, 1976. Vol. 14, № 9. P. 1575–1590. doi: 10.1002/pol.1976.180140905
  14. Hutchinson J.M., Kovacs A.J. Effects of thermal history on structural recovery of glasses during isobaric heating // Polym. Eng. Sci. Wiley Online Library, 1984. Vol. 24, № 14. P. 1087–1103. doi: 10.1002/pen.760241404
  15. Shardakov I.N., Trufanov A.N. Identification of the temperature dependence of the thermal expansion coefficient of polymers // Polymers (Basel). 2021. Vol. 13, № 18. P. 3035. doi: 10.3390/polym13183035
  16. Korolev A., Mishnev M., Ulrikh D.V. Non-Linearity of Thermosetting Polymers’ and GRPs’ Thermal Expanding: Experimental Study and Modeling // Polymers (Basel). 2022. Vol. 14, № 20. P. 4281. doi: 10.3390/polym14204281
  17. Korolev A. et al. Relaxation Model of the Relations between the Elastic Modulus and Thermal Expansivity of Thermosetting Polymers and FRPs // Polymers (Basel). 2023. Vol. 15, № 3. P. 699. doi: 10.3390/polym15030699
  18. Новикова С.И. Тепловое расширение твердых тел. М.: Наука, 1974. 292 с.
  19. Product Data. DeSolite DS-2015. DSM Desotech Inc. [Electronic resource]. URL: https://focenter.com/wp-content/uploads/documents/AngstromBond---Fiber-Optic-Center-AngstromBond-DSM-DS-2015-UV-Cure-Secondary-Coating-(1Kg)-Fiber-Optic-Center.pdf (accessed: 31.03.2020).
  20. Product Data. DeSolite 3471-1-152A. DSM Desotech Inc. USA, Illinois, 2015.
  21. Kamasa P., Myśliński P., Pyda M. Thermal expansivity of polystyrene determined by multi-frequency dilatometry // Thermochim. Acta. Elsevier, 2005. Vol. 433, № 1–2. P. 93–97. doi: 10.1016/j.tca.2004.11.014
  22. Tong H.M. et al. Thickness‐direction coefficient of thermal expansion measurement of thin polymer films // Rev. Sci. Instrum. 1991. Vol. 62, № 2. P. 422–430. doi: 10.1063/1.1142137
  23. Pochan D.J. et al. Thermal expansion and glass transition behaviour of thin polymer films with and without a free surface via neutron reflectometry // MRS Proc. Materials Research Society, 1998. Vol. 543. P. 163. doi: 10.1557/PROC-543-163
  24. Kremer F., Serghei A. Broadband dielectric spectroscopy on the molecular dynamics in thin polymer layers // Abstracts of papers of the American Chemical Society. 234th ACS National Meeting, Boston, MA, August 19-23, 2007. Vol. 234.
  25. Beaucage G., Composto R., Stein R.S. Ellipsometric study of the glass transition and thermal expansion coefficients of thin polymer films // J. Polym. Sci. Part B Polym. Phys. 1993. Vol. 31, № 3. doi: 10.1002/polb.1993.090310310
  26. Bauer C. et al. Capacitive scanning dilatometry and frequency-dependent thermal expansion of polymer films // Phys. Rev. E. APS, 2000. Vol. 61, № 2. P. 1755. doi: 10.1103/PhysRevE.61.1755
  27. Мазурин О.В. Тепловое расширение стекла. Л.: Наука, 1969. 216 с
  28. Леко В.К., Мазурин О.В. Свойства кварцевого стекла. Л.: Наука, 1985. 166 с.
  29. Новицкий Л.А., Кожевников И.Г. Теплофизические свойства материалов при низких температурах: Справочник. М.: Машиностроение, 1975. 216 с.
  30. Кикоин И.К. Таблицы физических величин. Справочник. М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.
  31. ГОСТ Р 56753-2015. Пластмассы. Определение механических свойств при динамическом нагружении. Часть 11. Температура стеклования.
  32. International Standard ISO 6721-11:2019(E). Plastics—determination of dynamic mechanical properties—part 11: Glass transition temperature; International organization for standardization: Geneva, Switzerland, 2019.
  33. Белецкий В.М., Кривов Г.А. Алюминиевые сплавы (состав, свойства, технология, применение): справочник. К.: КОМИНТЕХ, 2005. 365 с.
  34. Пехович А.И., Жидких В.М. Расчеты теплового режима твердых тел. Л.: Энергия, 1968. 304 с.
  35. Product Data. Epo-tek ® 330 [Electronic resource]. 2021. URL: https://www.epotek.com/docs/en/Datasheet/330.pdf.
  36. ФОТООТВЕРЖДАЕМЫЕ АКРИЛАТНЫЕ КОМПОЗИЦИИ (ОБЗОР) / И. А. Сарычев [и др.] // Труды ВИАМ. – 2022. – № 9 (115). – С. 68-82. doi: 10.18577/2307-6046-2022-0-9-68-82

Statistics

Views

Abstract - 47

PDF (Russian) - 30

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2024 Trufanov А.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies