ОБ ОДНОМ МЕТОДЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРНОГО РАСШИРЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ

Труфанов, А.Н.

doi:10.15593/perm.mech/2024.2.01

ОБ ОДНОМ МЕТОДЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРНОГО РАСШИРЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ

А.Н. Труфанов

Сведения об авторе

А.Н. Труфанов
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация

https://doi.org/10.15593/perm.mech/2024.2.01

Рассмотрена проблема исследования деформационного отклика пленочных образцов из УФ-отверждаемых полимеров на изменение температуры, получение массивных образцов из которых затруднительно ввиду особенности их полимеризации. В работе предложена методика натурных испытаний, позволяющая определять температурную зависимость коэффициента линейного температурного расширения (КЛТР) в широком диапазоне, включающем релаксационный переход. В качестве измерительной аппаратуры использован динамический механический анализатор ТА Instruments Q800 DMA с системой охлаждения жидким азотом GCA, который позволяет в широких диапазонах варьировать температуру и скорость ее изменения, с высокой точностью контролировать и измерять усилия и перемещения. Предложенные подходы применимы для любых пленочных образцов, предоставляют возможность устанавливать функциональные зависимости КЛТР не только от температуры, но и от скорости ее изменения. При этом, в отличие от традиционных методов, описанные процедуры позволяют получать корректные данные в условиях протекания релаксационных переходов с учетом влияния на эти процессы скорости изменения температуры. Значительное внимание в работе уделено калибровке измерительной аппаратуры, в частности измерению и компенсации температурной деформации оснастки. Результаты измерений сопоставлены с известными литературными источниками, данными производителей, с результатами измерений образцов с известными характеристиками и с результатами, полученными на горизонтальном дилатометре. Показано, что предложенная методика измерений корректна и обладает рядом преимуществ над традиционными методами исследования при работе с пленочными образцами или в случаях, когда необходимо учитывать влияние на КЛТР скорости изменения температуры.

Ключевые слова

полимерыизмерение КЛТРнатурный эксперименттермическая деформациярелаксационный переходпленки.

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

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.

Keywords

thermal propertiesthermal expansivitycoefficient of thermal expansionglass transitionthermal expansion behaviorpolymer film sample.

Литература

1.Бартенев, Г.М. Физика и механика полимеров: учебное пособие для втузов / Г.М. Бартенев, Ю.В. Зеленев. – М.: Высшая школа, 1983. – 391 с. Scholar
2.Wong, D. Effect of fiber coating on temperature sensitivity in polarimetric sensors / D. Wong // J. Light. Technol. – 1992. – Vol. 10, no. 6. – P. 842–846. DOI: 10.1109/50.143085 Scholar
3.Polarimetric strain and pressure sensors using temperature-independent polarization maintaining optical fiber / Y. Kikuchi [et al.] // 2nd Intl Conf on Optical Fiber Sensors: OFS’84 / ed. R.T. Kersten, R. Kist. – 1984. – Vol. 0514. – P. 395. DOI: 10.1117/12.945120 Scholar
4.Chang, K.S. Pressure-induced birefringence in a coated highly birefringent optical fiber / K.S. Chang // J. Light. Technol. – 1990. – Vol. 8, no. 12. – P. 1850–1855. DOI: 10.1109/50.62882 Scholar
5.Окоси, Т. Волоконно-оптические датчики / Т. Окоси. – Л.: Энергоатомиздат, 1990. – 256 с. Scholar
6.Suhir, E. Spring constant in the buckling of dual-coated optical fibers / E. Suhir // J. Light. Technol. – 1988. – Vol. 6, no. 7. – P. 1240–1244. DOI: 10.1109/50.4121 Scholar
7.Vangheluwe, D.C.L. Exact calculation of the spring constant in the buckling of optical fibers / D.C.L. Vangheluwe // Appl. Opt. – 1984. – Vol. 23, no. 13. – P. 2045–2046. DOI: 10.1364/AO.23.002045 Scholar
8.Ruffin, P.B. Sensitivity of polarization-maintaining fibers to temperature variations / P.B. Ruffin, C.C. Sung; ed. J.F. Wade, A. Tuchman. – 1991. – P. 160–167. DOI: 10.1117/12.45632 Scholar
9.Low temperature characteristics of UV-curable resin coated optical fiber / N. Yoshizawa [et al.] // J. Light. Technol. – 1985. – Vol. 3, no. 4. – P. 779–784. DOI: 10.1109/JLT.1985.1074255 Scholar
10.Термическое расширение полимеров при циклически изменяющейся температуре / А.И. Слуцкер [и др.] // Журнал технической физики. – 2003. – Т. 73, № 7. – С. 75–81. Scholar
11.Хувинк, Р. Химия и технология полимеров: пер. с нем. Т. 2: Промышленное получение и свойства полимеров / Р. Хувинк, А. Ставерман. – Л.: Химия, 1965. – Ч. 1. – 512 с. Scholar
12.Spencer, R.S. Volume-temperature-time relationships for polystyrene / R.S. Spencer // J. Colloid Sci. – 1949. – Vol. 4, no. 3. – P. 229–240. DOI: 10.1016/0095-8522(49)90006-9 Scholar
13.Hutchinson, J.M. A simple phenomenological approach to the thermal behavior of glasses during uniform heating or cooling / J.M. Hutchinson, A.J. Kovacs // J. Polym. Sci. Polym. Phys. Ed. Wiley Online Library. – 1976. – Vol. 14, no. 9. – P. 1575–1590. DOI: 10.1002/pol.1976.180140905 Scholar
14.Hutchinson, J.M. Effects of thermal history on structural recovery of glasses during isobaric heating / J.M. Hutchinson, A.J. Kovacs // Polym. Eng. Sci. Wiley Online Library. – 1984. – Vol. 24, no. 14. – P. 1087–1103. DOI: 10.1002/pen.760241404 Scholar
15.Shardakov, I.N. Identification of the temperature dependence of the thermal expansion coefficient of polymers / I.N. Shardakov, A.N. Trufanov // Polymers (Basel). – 2021. – Vol. 13, no. 18. – P. 3035. DOI: 10.3390/polym13183035 Scholar
16.Korolev, A. Non-Linearity of Thermosetting Polymers’ and GRPs’ Thermal Expanding: Experimental Study and Modeling / A. Korolev, M. Mishnev, D.V. Ulrikh // Polymers (Basel). – 2022. – Vol. 14, no. 20. – P. 4281. DOI: 10.3390/polym14204281 Scholar
17.Relaxation Model of the Relations between the Elastic Modulus and Thermal Expansivity of Thermosetting Polymers and FRPs / A. Korolev [et al.] // Polymers (Basel). – 2023. – Vol. 15, no. 3. – P. 699. DOI: 10.3390/polym15030699 Scholar
18.Новикова, С.И. Тепловое расширение твердых тел / С.И. Новикова. – М.: Наука, 1974. – 292 с. Scholar
19.Product Data. DeSolite DS-2015. DSM Desotech Inc. [Электронный ресурс]. – 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 (дата обращения: 31.03.2020). Scholar
20.Product Data. DeSolite 3471-1-152A. DSM Desotech Inc. USA, Illinois, 2015. Scholar
21.Kamasa, P. Thermal expansivity of polystyrene determined by multi-frequency dilatometry / P. Kamasa, P. Myśliński, M. Pyda // Thermochim. Acta. Elsevier. – 2005. – Vol. 433, no. 1-2. – P. 93–97. DOI: 10.1016/j.tca.2004.11.014 Scholar
22.Thickness-direction coefficient of thermal expansion measurement of thin polymer films / H.M. Tong [et al.] // Rev. Sci. Instrum. – 1991. – Vol. 62, no. 2. – P. 422–430. DOI: 10.1063/1.1142137 Scholar
23.Thermal expansion and glass transition behaviour of thin polymer films with and without a free surface via neutron reflectometry / D.J. Pochan [et al.] // MRS Proc. Materials Research Society. – 1998. – Vol. 543. – P. 163. DOI: 10.1557/PROC-543-163 Scholar
24.Kremer, F. Broadband dielectric spectroscopy on the molecular dynamics in thin polymer layers / F. Kremer, A. Serghei // Abstracts of papers of the American Chemical Society. 234th ACS National Meeting, Boston, MA, August 19-23. – 2007. – Vol. 234. Scholar
25.Beaucage, G. Ellipsometric study of the glass transition and thermal expansion coefficients of thin polymer films / G. Beaucage, R. Composto, R.S. Stein // J. Polym. Sci. Part B Polym. Phys. – 1993. – Vol. 31, no. 3. DOI: 10.1002/polb.1993.090310310 Scholar
26.Capacitive scanning dilatometry and frequency-dependent thermal expansion of polymer films / C. Bauer [et al.] // Phys. Rev. E. APS. – 2000. – Vol. 61, no. 2. – P. 1755. DOI: 10.1103/PhysRevE.61.1755 Scholar
27.Мазурин, О.В. Тепловое расширение стекла / О.В. Мазурин. – Л.: Наука, 1969. – 216 с. Scholar
28.Леко, В.К. Свойства кварцевого стекла / В.К. Леко, О.В. Мазурин. – Л.: Наука, 1985. – 166 с. Scholar
29.Новицкий, Л.А. Теплофизические свойства материалов при низких температурах: справочник / Л.А. Новицкий, И.Г. Кожевников. – М.: Машиностроение, 1975. – 216 с. Scholar
30.Кикоин, И.К. Таблицы физических величин: справочник / И.К. Кикоин. – М.: Атомиздат, 1976. – 1008 с. Scholar
31.ГОСТ Р 56753-2015. Пластмассы. Определение механических свойств при динамическом нагружении. Часть 11. Температура стеклования. – М., 2015. Scholar
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. Scholar
33.Белецкий, В.М. Алюминиевые сплавы (состав, свойства, технология, применение): справочник / В.М. Белецкий, Г.А. Кривов. – К.: КОМИНТЕХ, 2005. – 365 с. Scholar
34.Пехович, А.И. Расчеты теплового режима твердых тел / А.И. Пехович, В.М. Жидких. – Л.: Энергия, 1968. – 304 с. Scholar
35.Product Data. Epo-tek ® 330 [Электронный ресурс]. 2021. – URL: https://www.epotek.com/docs/en/Datasheet/330.pdf (дата обращения: 31.03.2024). Scholar
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 Scholar

1.Bartenev G.M., Zelenev IU.V. Fizika i mekhanika polimerov: Uchebnoe posobie dlia vtuzov [Physics and Mechanics of Polymers: Textbook for universities]. Moscow, Vysshaia shkola, 1983. 391 p. Scholar
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 Scholar
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 Scholar
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 Scholar
5.Okosi T. Volokonno-opticheskie datchiki [Fiber optic sensors] // Leningrad: Energoatomizdat. 1990. 256 p. Scholar
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 Scholar
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 Scholar
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 Scholar
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 Scholar
10.Slutsker A.I. et al. Termicheskoe rasshirenie polimerov pri tsiklicheski izmeniaishchešsia temperature [Thermal expansion of polymers at cyclically varying temperature] // Zhurnal tekhnicheskoi fiziki. 2003. Vol. 73, № 7. P. 75–81. Scholar
11.Khuvink R., Staverman A. Khimiia i tekhnologiia polimerov: Perevod s nemetskogo. Vol. 2, Promyshlennoe poluchenie i svoistva polimerov. Part. 1. [Chemistry and Technology of Polymers. Translation from German. Vol. 2. Industrial production and properties of polymers. Part 1]. Leningrad, Khimiia, 1965. 512 p. Scholar
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 Scholar
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 Scholar
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 Scholar
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 Scholar
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 Scholar
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 Scholar
18.Novikova S.I. Teplovoe rasshrenie tverdykh tel [Thermal expansion of solids]. Moscow, Nauka, 1974. 292 p. Scholar
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). Scholar
20.Product Data. DeSolite 3471-1-152A. DSM Desotech Inc. USA, Illinois, 2015. Scholar
21.Kamasa P., Mysliński 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 Scholar
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 Scholar
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 Scholar
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. Scholar
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 Scholar
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 Scholar
27.Mazurin O.V. et al. Teplovoe rasshrenie stekla [Thermal expansion of glass]. Leningrad, Nauka, 1969. 216 p. Scholar
28.Leko V.K., Mazurin O.V. Svoistva Kvartsevogo Stekla [Properties of Silica Glass]. Leningrad, Nauka, 1985. 166 p. Scholar
29.Novitskii L.A., Kozhevnikov I.G. Teplofizicheskie svoistva materialov pri nizkikh temperaturakh: Spravochnik [Thermophysical properties of materials at low temperatures: Handbook]. Moscow, Mashinostroenie, 1975. 216 p. Scholar
30.Kikoin I.K. Tablitsy fizicheskikh velichin. Spravochnik [Tables of physical quantities. Reference book]. Moscow: Atomizdat, 1976. 1008 p. Scholar
31.GOST R 56753-2015. Plastmassy. Opredelenie mekhanicheskikh svoistv pri dinamicheskom nagruzhenii. Chast' 11. Temperatura steklovaniia [GOST P 56753-2015. Plastics. Determination of mechanical properties under dynamic loading. Part 11. Glass transition temperature]. Scholar
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. Scholar
33.Beletskii V.M., Krivov G.A. Aliuminievye splavy (sostav, svoistva, tekhnologija, primenenie): spravochnik [Aluminum alloys (composition, properties, technology, application): reference book]. Kiev: KOMINTEKh, 2005. 365 p. Scholar
34.Pekhovich A.I., Zhidkikh V.M. Raschety teplovogo rezhima tverdykh tel [Calculations of thermal regime of solids]. Leningrad: Energiia, 1968. 304 p. Scholar
35.Product Data. Epo-tek ® 330 [Electronic resource]. 2021. URL: https://www.epotek.com/docs/en/Datasheet/330.pdf. Scholar
36.Sarychev I.A., Butuzov A.V., Serkova E.A., Dolgova E.V. Fotootverzhdaemye akrilatnye kompozitsii (obzor) [Photo-cured acrylate compositions (overview)]. Trudy VIAM, 2022, № 9 (115), pp.68-82. doi: 10.18577/2307-6046-2022-0-9-68-82 Scholar

Другие статьи выпуска

Весь выпуск (№ 2, 2024)

Скачать PDF

Информация о статье

Опубликована: 17.06.2024
В выпуске: 17.06.2024
Выпуск: № 2 (2024)

ОБ ОДНОМ МЕТОДЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРНОГО РАСШИРЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ

Аннотация

Ключевые слова

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

Keywords

Литература

Другие статьи выпуска

Информация о статье