Исследование динамических свойств резины

московскни институт тонкои хнмнческои технологии мм. М. В. ЛОМОНОСОВА На иравах рухолиси М. М. УЕЗИИКОВСКИЙ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РЕЗИНЫ АВТОРЕФЕРАТ ДНССЕРТАДИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОИ СТЕПЕНИ ДОКТОРА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК МОСКВА 1958 Работа вмнолнена о Научно-нссиедовательском инстнтуте шинной нромышленностн ВВЕДЕНИЕ В шинах, так же как и во многих других изделиях, резина подвергается многократному циклическому нагруженню. Поскольку деформирсванне резины, при конечной скорости нагружения, есть процесс термодинамически необратимый, некоторая часть работы внешних снл при этом неизбежно рассеивается в виде тепла.

При многократных деформациях, осуществляемых с достаточно высокой частотой механические потери цикла или потери на гистерезнс приводят к разогреву, оказывающему весьма вредное влияние как на усталостную,еарочность самой резины, так и яа прочность связи между элементами сложных многослойных резиновых, резино-тканевых, резине-металлических и других конструкций.

При заданном динамическом режиме интенсивность теплообразования существенно зависит от состава резины. Так, общепризнано, что повышенное теплосбразсвэнне в резинах нз большинства синтетических каучуков (по сравнению с резинами из натуральною каучука) является наиболее серьезяьам их недостатком; обусловнвшнм, в частности, те громадные трудности, с которыми пришлось столкнуться шинной промытплеиности при их освоении. Практическая значимость настоящей работы определяется тем, что умение количественно характеризовать динамические свойсрва резины и знание общих закономерностей зависимости этих свойств от состава н технология, являются основными условия)ии рациональной разработки резин для мкогочислеиных изделий, работающих в условиях многократного циклическою напружения. Изыскание новых возможностей снижения теплообразсвання в шинных резинах является важнейшим этапом решения большой народнохозяйственной задачи получения высококачественных шин из синтетического каучука.

Последнее обусловило определенную нааравленность настоящей работы, нашедшую, в частности, отражение в том, что заключительный раздел диссертации посвящен специальному рассмотрению некоторых ее практических приложений применительно к задачам, стоящим перед исследователями-шикииками. Рапота проведена прн непосредственном участии научных сотрудников: Е. Г. Вострокиутова, М, К. Хромова, Л. С. Присса и инженеров: В. С. Юровской, И. Г. Бродского, Ю. П, Матвеева.

3 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА Характеризуя на основе литературных данных состояние наших знаний в области механических свойств резины, нужно констатировать значительные успехи, достигнутые в понимании обших закономерностей деформации высокополимерных материалов. В основе своей молекулярный механизм высокоэластичности, так же как и природу переходов из высокоэластического в застекловаяное и вязко-текучее состояния, можно считать установленнымии. Основопологаюшее значение в этой области имели работы советских ученых: П. П. Кобеко, Я; И.

Френкеля, В. А. Каргина, А. П. Александрова, Е. В. Кувшииского, Ю. С. Лазуркина, С. Н. Журкова, М. В. Волькенштейна, Б. А. Догадкина, Г. Л. Слонимского и других. Благодаря работам В. Куна, Х. М. Джемса и Е. Гута, Л. Треллора, М; В. Волькенштейна, В. И. Цветкова, Г. М. Бартенева и многих других отечественных и зарубежных исследователей, известные успехи достигнуты также в развитии количественной теории высокоэластнчности. Главным образом, это относится к применению статистической термодинамики для описания упругого равновесия. Попытки количественного описания закономерностей неравновесного состояния ие привели пока к результатам, практическая ценность которых была бы достаточно убедительной.

Это, в равной мере, относится и к чисто феноменологическим исследованиям и к попыткам количестцеиной интерпретации тех или иных молекулярных представлений. Поскольку механическое поведение резины чзри динамическом нагруженин может быть описано лишь на основе соответствующих положений кинетики высокоэластичностн, ясно, что достаточно обшая теория динамических свойств резины пока также отсутствует. По поводу имеюшихся экоперименталъных данных следует отметить, что резины, являющиеся по своему составу сложными многокомпонеитными системами. были объектами лишь очень немногих физических исследований, почему решаемая в настояшей работе задача установления обших закономерностей влияния рецептуры и технологии на динамические свойства резины и ее гистерезис, при различных режимах нагружения, до последнего времени ие была даже достаточно четко поставлена.

В правильной постановке этой задачи большую роль сытрали рдбогы по созданию шин из СК, проводившиеся в последние годы в НИИ шинной промышленности В. Ф. Евстратовым, Г. Н. Буйко и их сотрудниками. Большинство известных по литературе приборов, предназпачеи1 ных для изучения двиамических свойств резины, предусматривает! испытание резиновых образцов в условиях гармонического,нагру- жеиия и позволяет одновременно определять показатели, на основе которых могут быть вычислены динамический модуль и одна из гистерезисных характеристик (относительный .гистерезис, коэффициент внутреннего трения, угол сдвига фаз, мнимая составляющая комплексного динамического модуля и т. д.); прн этом, механическая система, включающая испытуемый образец, совершает свободные либо вынужденные колебания.

В режиме вынужденных колебаний, когда на образец задается синусоидальная нагрузка, динамические характеристики определяются либо по условиям резонанса, либо по измерению амплитуды омещенив~гла сдвига фаз (или площади петли гистерезиса). В режиме свободных колебамий определяется собственная частота системы и декремент затухания. Широко раопространены методы двнамичеаких нспытамий, основанные ма измерении т.

н. упругого отскока. Наряду с прибором Шоба, дающим условную харайтернстику «эластичности по отскокуа разработан ряд приборов, использующих метод отскока для определения динамических характеристик, имеющих более простой физический смысл. В последнее время многочисленных исследователей привлекает' изучение поведения резины в механическом поле звуковой и ультразвуковой частоты. Для подобными исследований созданы приборы, основанные на измерении параметров проходяших либо стоячих волн в испытуемом образце резины. К этой группе методов непосредственно примыкает метод, основанный на изучении свободного сокрашения предварительно растянутой резиновой полоски. Следует также упомянуть, что во многих испытаниях динамической усталости (на флексометре Гудрича, машине МРС-2 завода Металлист и др.) определение выносливости сочетается с измерением температуры, развивающейся в иопыгуемом образце.

Температура образца ислользуется при этом как характеристика тепло- образования в изучаемом динамическом режиме. Несмотря на разнообразие описанных в литературе приборов и методов (использовавшихся для исследовательских целей разными, преимушественно зарубежными, авторами), оснашение ими производственных, а также и исследовательских лабораторий отечественной резиновой и шинной промышленности совершенно недостаточно. В результате, до настояшего времени не сделаны выводы об оптимальных значениях динамичеоких характеристик резин, предназначенных для работы в тех или иных изделиях и отсутспзуют количественные данные о зависимости динамических свойств резины от основных факторов рецептуры и технологии. Недостаточны также имеющиеся данные по зависимости определяемых значений динамических характеристик от условий испытания, в особенности от величины деформаций (не говоря уже о том, что почти все такого рода данные получены лишь дая пре.

дельно простых по составу менапалнеяных вулканизатов натуралы ного и некоторых синтетических каучуков). Ь 2. ПОКАЗАТЕЛИ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОИСТВА РЕЗИНЫ Для количественной характеристики механического поведения резины при динамическом нагруженин свойства ее целесообразно характеризовать двумя основными показателями: динамическим модулем упругости — Е н модулем внутреннего трения К.

Последний показатель введен в настоящей работе впервые. Его физический смысл и связь с другими применяемыми показателями гистерезиса рассматриваются ниже. При циклическом нагружении, для малых деформаций любого вида, динамичесиий модуль может быть определен как коэффициент пропорциональности между аплитудными значениями цапряжения (1а) и деформации ( за) в соответствии с соотношением: 1о=Е з о (1) Из (1) следует, что полная удельная (т.

е. отнесенная к единице однородно деформмруемого объема) энергия цикла (тг) приближенно выражается через амплитуду деформации квк: 1 Ез а 2 (2) На основании опытных данных, полученных рядом исследова.- телей на различных высокополимерных материалах, можно считать установленным, что относительный гистерезис, т.

е. отношение механических потерь к полной энергии цикла, в первом приближении не зависит от деформаций. Отсюда следует, что удельные механические потери цикла (с1) могут быть выражены как функция деформации аналогичная (2). Записвв ее в форме: 1 Ч= 2 Кав з (3) вводим коэффициент К, имеющий размерность напряжения и смысл материальной константы, характеризующей внутреннее трение резины.

По аналогии с динамическими модулем упругости Е, он может быть назван модулем внутреннего трения резины. Из соотношения (3) модуль внутреннего трения К может быть определен, как удвоенное значение удельных- механичесиих потерь никла, о~несенное к квадрату деформации. Определяемое твквм образом понятие модуля внутреннего трения имеет ясный фнзичеокий омысл и не нуждается, лля овоего обоснования, в каких-либо априорных допущениях относительно реологических свойств ~резины.

6 Представляет интерес выявление связи между модулем внут. реннего трения и другими показателями, применяемыми для количественной характеристики гистерезноных свойСтв. Анализ проведен для двух основных случаев: а) свойства материала описываются кельвниовой моделью, б) свойства материала описываются максвелловой моделью. Выражения, связывающие модуль внупреннего трения с динамической вязкостью (т, ), имеют при этом вид: К=2 я мчи (Кельвин) (4а) зм Ем мчм К= (Максвелл) (4б) Е~ +вРЧ1 Связь между модулем внутреннего треаии л синусом угла потерь ( ) дается соотношениями: (оа) К=2 м 1' Еэк +еРф, ° 61пе (Кельвин) 2мЕ К= !+Е~ !н1Ч' м м ,'5б) В приведенных выражениях, через Е», Чк, Ем, 1(м обозначены упруго вязкие характеристики соответствуюпцвг элементов моделей Кельвина и Максвелла; м — круговая частота колебаний.

Наиболее простой оказывается связь между модулем внутреннего трения и мнимой составляющей динамического модуля, выражаемого комплексным числом (Е' = Е'+ )Е"). Соотношение: К=2я Е" (6) оказывается справедливым, независимо от того какая реологическая модель принимается для описания механического поведения резины. Из (6) следует, что применительно к хртучаю гармонического нагружения, модуль внутреннего трения является показателем аналогичным мнимой составляющей комплексного динамического модуля. Применение модуля внутреннего трения для практических целей предпочтительнее как из.за более простого физического смысла этой величины, тан и вследствие ее врименимости к описанию любых циклических нагружений (в том числе негармонических).