с 01.01.2010 по настоящее время
Ярославль, Россия
Ярославская область, Россия
Ярославль, Россия
ГРНТИ 61.63 Технология производства резин и изделий из них
ОКСО 01.04.03 Механика и математическое моделирование
ББК 30 Техника и технические науки в целом
ТБК 50 Технические науки в целом
BISAC TEC000000 General
Важнейшей задачей резиновой промышленности является непрерывное повышение качества, надежности и долговечности изделий, в том числе резиновых мембран, которые нашли широкое применение в автомобильной, авиационной, станкостроительной, химической и других отраслях промышленности. Мембраны в большинстве случаев эксплуатируются в сложных условиях нагружения, что приводит к разнообразию зон и характера потенциальных разрушений, которые проявляются в процессе их эксплуатации. В тоже время при разработке новых рецептур резиновых мембран, чаще всего, применяют стандартные методы определения физико-механических характеристик резин, большинство из которых предполагают испытание материала в условиях простого одноосного растяжения-сжатия и не учитывают структурные изменения в материале при нагружении. В данной работе проведено исследование структурных изменений в мембранах при нагружении в сложнонапряженном состоянии, которое реализовывалось путем индентировании резиновой мембраны сферическим индентором. Структурные изменения оценивались методом гидростатического взвешивания. Установлено, что в сложнонапряженном состоянии резины на основе кристаллизующегося каучука СКИ-3 не имеют явно выраженного преимущества перед резинами на основе аморфного каучука СКМС-30АРК. При индентировании происходит подавление ориентационных процессов в резинах на основе кристаллизующегося каучука СКИ-3, что приводит к значимому снижению их прочностных свойств.
резиновые мембраны, сложнонапряженное состояние, индентирование, аморфные каучуки, кристаллизующиеся каучуки
Введение. Свойства резиновых изделий, в том числе резиновых мембран [1, 5], во многом определяются структурными изменениями, протекающими в процессе их эксплуатации. Стоит отметить, что в реальных условиях работы мембран эластомерная составляющая, воспринимающая внешние нагрузки, находится в условиях сложнонапряженного состояния [2–4]. В тоже время, стандартные методы испытаний, использующиеся при разработке рецептур мембран, в большинстве случаев предполагают испытание материала в условиях простого одноосного растяжения и не учитывают структурные изменения в материале при нагружении. В этой связи актуальным представляется исследование структурных изменений в резиновых мембранах при нагружении в сложном напряженно-деформированном состоянии.
Специфика свойств мембран обусловливает широкий спектр применяемых для их изготовления каучуков, поэтому в качестве объектов исследования были выбраны резины на основе кристаллизующегося каучука СКИ-3 и аморфного каучука СКМС-30АРК, широко использующихся в промышленности РТИ [6]. Исследовались как не наполненные вулканизаты, так и резины, содержащие 40 мас.ч. технического углерода N339.
Методика. Сложнонапряженное состояние резиновой мембраны реализовывалось путем её индентирования стальным полированным шарообразным индентором с помощью реверсивной приставки к разрывной испытательной машине [7]. Анализ напряженно-деформированного состояния проводился с применением метода конечных элементов [8, 9]. Структурные изменения в материале оценивали методом гидростатического взвешивания, который заключается в расчете плотности растянутых до заданной деформации образцов резин после их взвешивания на торсионных весах в воздушной среде и в этиловом спирте [10]. В случае с образцами-мембранами образцы вырубались из их центральной части. Плотность резин оценивалась после выдержки 60÷70 мин, то есть оценивались те структурные изменения, которые сохранились в материале после снятия нагрузки.
Основная часть. В случае одноосного растяжения (рис. 1) для обеих резин при небольших значениях относительного удлинения (~ до 50 %) отмечается рост плотности, связанный, по-видимому, с ориентацией исходной надмолекулярной структуры материала. При дальнейшем деформировании наблюдается снижение плотности, что, вероятно, обусловлено разрушением исходной сетки физических связей в местах максимальной концентрации напряжений. Дальнейший рост плотности под действием нагружения вызван начавшимся процессом ориентации и образованием новой ориентированной структуры. Далее, в предразрывной стадии, в материале образуются микродефекты (микротрещины, вакуоли и т.д.), приводящие к его разрушению, что сопровождается снижением плотности.
Рис. 1. Относительное изменение плотности при одноосном растяжении
Можно отметить, что в резинах на основе каучука СКИ-3 как в ненаполненном, так и в наполненном состоянии, относительное изменение плотности на всех стадиях деформирования оказывается больше, чем в резинах на основе СКМС-30АРК. То есть, каучук СКИ-3 при одноосном растяжении в гораздо большей степени способен к ориентационному упрочнению, что и обусловливает более высокие прочности резин на его основе (табл. 1).
Таблица 1
Влияние типа каучука на условную прочность резин при одноосном растяжении
|
Показатель |
Ненаполненные резины |
Наполненные резины |
||
|
СКИ-3 |
СКМС-30АРК |
СКИ-3 |
СКМС-30АРК |
|
|
Условная |
19,8 |
2,61 |
22,3 |
21,9 |
В условиях сложнонапряженного состояния картина меняется коренным образом (рис. 2). Для ненаполненных резин уже при деформациях ~ 10 ÷ 20 % происходит резкое снижение плотности, которое прекращается только при удлинениях ~ 100 ÷ 200 %. Тенденция к росту плотности появляется только в предразрывной стадии, но и в этом случае плотность материала остается значительно ниже исходной, что говорит о том, что в условиях сложнонапряженного состояния ориентационные процессы в материале серьезно затруднены, следствием чего является падение прочности резин относительно того уровня, который наблюдался при одноосном растяжении. Это ярко выражено для резин на основе каучука СКИ-3 (значения коэффициента «С» в табл. 2).
Наполнение резин активным техническим углеродом вызывает резкое увеличение концентрации узлов физической сетки в системе за счет связей «каучук - технический углерод», что приводит к существенному росту прочности исходных надмолекулярных структур вулканизата. Этим объясняется наличие участка роста плотности наполненных резин при небольших
(10÷20 %) деформациях в условиях сложнонапряженного состояния.
Рис. 2. Относительное изменение плотности в сложнонапряженном состоянии
Последующее же снижение плотности, в данном случае, оказывается менее выраженным, по сравнению с ненаполненными резинами. Кривая для резин на основе каучука СКИ-3 лежит значительно ниже кривой для резин на основе каучука СКМС-30АРК. В предразрывной стадии деформирования для вулканизатов СКИ-3 наблюдается рост плотности, слабо выраженный у резин на основе СКМС-30АРК.
Физико-механические свойства резин связаны, в основном, с взаимным влиянием двух факторов: во-первых, с образованием в материале уплотненных ориентированных структур, в результате чего плотность должна возрастать, во-вторых, с разрушением надмолекулярных образований и с образованием дефектов (вакуолей, микротрещин), что должно приводить к снижению плотности. Сравнение характера зависимостей, полученных при одноосном нагружении и сложнонапряженном состоянии, позволяет сделать ряд выводов. При одноосном растяжении образование в материале дефектов начинается, в основном, после того, как макромолекулярные цепи сориентировались вдоль направления действия силы [5]. При этом во всех случаях наблюдается снижение плотности резин в предразрывной стадии деформирования (при деформациях ~ 70 ÷ 90 % от разрывной). При индентировании мембран рост плотности материала на конечных стадиях испытания, особенно у резин на основе каучука СКИ-3, обусловлен процессом образования ориентированных структур, наиболее интенсивно протекающим в предразрывной стадии. В сложнонапряженном состоянии процессы ориентации протекают иначе, чем при одноосном нагружении. В конечном итоге это приводит к снижению прочности вулканизатов СКИ-3. При этом у резин на основе аморфного, не имеющего способности к ориентационной кристаллизации и ориентационному упрочнению, каучука СКМС-30АРК снижения прочности не отмечается.
При индентировании мембраны реализуется неоднородное напряженно-деформированное состояние, поэтому определить абсолютные значения физико-механических показателей на основании только экспериментальных данных не представляется возможным. Поэтому было проведено моделирование процесса нагружения резиновой мембраны сферическим индентором методом конечных элементов с целью выявления наиболее опасных сечений, а также анализа прочностных свойств исследуемых резин [11, 12, 14, 15].
Детально математический аппарат анализа описан в работах [8, 9, 13]. Для того чтобы сопоставить результаты конечно-элементного расчета с прочностью при одноосном растяжении использовалась функция следующего вида (1):
+(1-
)
(1)
где 
экспериментально определяемые коэффициенты:
– характеризует относительный вклад первого инварианта (нормальных напряжений) в прочность, соответственно (1-а) характеризует стойкость к касательным напряжениям;
– значения первого и второго инвариант тензора напряжений; 
значения главных напряжений; 
– характеризует абсолютную прочность материала; 
– условная прочность при одноосном растяжении, МПа.
Расчет показал, что максимальные напряжения концентрируются в области потери контакта индентора с мембраной и располагаются по окружности, центр которой совпадает с осью перемещения индентора (рис. 3). Это позволяет сделать предположение о том, что ориентация макромолекул в предразрывной стадии происходит в окружном направлении, а разрушение материала происходит за счет «расщепления» этих структур.
Рис. 3. Осесимметричная модель нагружения
резиновой мембраны индентором (стрелкой показана область концентрации напряжений)
Об этом же говорит характер разрушения образцов (рис. 4).
Он оказался одинаков у всех типов эластомеров и представляет отверстие в зоне контакта индентора с мембраной. В ненаполненном состоянии диаметр отверстия зависит от типа каучука. У образцов на основе каучука СКИ-3 диаметр образующегося отверстия заметно меньше, чем у образцов, изготовленных на основе каучука СКМС-30АРК. Экспериментально показано, что максимальные значения перемещения индентора имеют ненаполненные вулканизаты именно этого каучука (табл. 2). Это вызывает смещение области максимальных напряжений ближе к центру мембраны и, соответственно, уменьшение размера области разрушения. Различий в характере разрушения наполненных резин не выявлено.
Тип каучука: а, в – СКИ-3; б, г – СКМС-30АРК
Рис. 4. Характер разрушения ненаполненных (а, б) и наполненных (в, г) мембран
Таблица 2
Влияние типа каучука на НДС и физико-механические свойства резин в сложнонапряженном состоянии
|
Показатель |
Ненаполненные |
Наполненные |
||
|
СКИ-3 |
СКМС-30АРК |
СКИ-3 |
СКМС-30АРК |
|
|
a |
0,069 |
2,023 |
0,571 |
1,057 |
|
1-а |
0,931 |
-1,023 |
0,429 |
-0,057 |
|
C |
1,364 |
5,280 |
12,731 |
23,144 |
|
Перемещение индентора при разрыве, мм |
210 |
100 |
140 |
125 |
|
Относительное изменение площади поверхности мембраны при разрыве, % |
600 |
300 |
430 |
410 |
Анализ параметров «С» и «1-а» функции (1) показал, что в сложнонапряженном состоянии минимальными прочностными характеристиками обладают резины на основе кристаллизующегося каучука СКИ-3, что подтверждается значениями коэффициента «С» (чем меньше значение данного коэффициента, тем меньше прочность материала). Связано это с тем, что резины на его основе в сложнонапряженном состоянии обладают низкой стойкостью к касательным напряжениям, что показывают значения параметра «1-а» (чем больше значение коэффициента, тем ниже стойкость к касательным напряжениям). Эта зависимость качественно сохраняется и при введении наполнителя, но на более высоком количественном уровне.
Выводы. Подводя итог вышеизложенному можно заключить, что в сложном напряженно-деформированном состоянии механизм формирования свойств резин при одноосном растяжении и сложнонапряженном состоянии имеет ряд существенных различий, о чем свидетельствуют результаты анализа структуры резин посредством метода гидростатического взвешивания по относительному изменению плотности и расчета методом конечных элементов. В сложнонапряженном состоянии резины на основе кристаллизующегося каучука СКИ-3 не имеют явно выраженного преимущества перед резинами на основе аморфного каучука СКМС-30АРК. Полученные результаты открывают новые пути совершенствования рецептур для мембран, условия эксплуатации которых предполагают работу в сложном напряженно-деформированном состоянии.
1. ГОСТ 21905-76. Мембраны резиновые. Термины и определения. М.: Изд-во Комитета стандартов, мер, измерительных приборов при Совете Министров СССР, 1976. 10 с.
2. Зуев Ю.С. Разрушение эластомеров в условиях характерных для эксплуатации. М.: Химия, 1980. 288 с.
3. Guo Q. Polymer Morphology: Principles, Characterization, and Processing John Wiley & Sons, Inc., New Jersey, Canada, 2016. 472 p.
4. Технология резины: Рецептуростроение и испытания. Под ред. Дика Дж. С; Пер. с англ. Под ред. Шершнева В.А. СПб.: Научные основы и технологии, 2010. 620 с.
5. Резниченко С.В., Морозов Ю.Л. Большой справочник резинщика. Том 2. Резины и резинотехнические изделия. М.: ООО «Издательский центр «Техинформ» МАИ», 2012. 648 с.
6. Резниченко С.В., Морозов Ю.Л. (ред.) Большой справочник резинщика. Том 1. Каучуки и ингредиенты М.: Техинформ, 2012. 744 с.
7. Несиоловская Т.Н., Куделин Д.В. Комплексный подход к проектированию тонкостенных резиновых изделий // Научно-технический вестник Поволжья. 2012. № 2 С. 229-233.
8. Куделин Д.В., Несиоловская Т.Н. Анализ НДС плоской резиновой мембраны в сложнонапряженном состоянии // Математика и математическое образование. Теория и практика: Межвузовский сб. научных трудов. Выпуск 13. Ярославль: Изд. ЯГТУ, 2018. С. 183-190.
9. Куделин Д.В., Несиоловская Т.Н. Моделирование напряженно-деформированного состояния резиновой мембраны при продавливании шарообразным индентором // Математические методы в технике и технологиях: сб. тр. междунар. науч. конф.: в 12 т. Т. 3. Под общ. ред. А. А. Большакова. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2018. С. 140-144.
10. ГОСТ 15139-69 Пластмассы. Методы определения плотности (объемной массы). М.: Издательство стандартов, 1981.
11. Гольберг И.И. Механическое поведение полимерных материалов (математическое описание). М.: Химия, 1970. 189 с.
12. Axel J. R. Day, Miller K.A. “Equibiaxial Stretching of Elastomeric Sheets, An Analytical Verification of Experimental Technique” ABAQUS 2000 User’s Conference Proceedings, Newport, Rhode Island, May 30-June 2, 2000. Pp. 205-220.
13. Yeoh O.H. Some Forms of the Strain Energy Function for Rubber // Rubber Chemistry and Technology. 1993. Vol. 66. Pp. 754-771.
14. Kaliske M. On the Finite Element Implementation of Rubber-like Materials at Finite Strains // Engineering Computations. 1997. Vol. 14. No. 2. Pp. 216-232.
15. Gokhale Nitin S., Deshpande Sanjay S., Bedekar Sanjeev V. Practical Finite Element Analysis. Finite To Infinite. 2008. 446 p.
