Диагностика процессов сорбции и диффузии влаги в полимерных композиционных материалах

• Автор: Кротов, Анатолий Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Барнаул
• Количество страниц: 124 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 ОСОБЕННОСТИ ВЛАГОПЕРЕНОСА В ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ (ПКМ) НА ОСНОВЕ ЭПОКСИСОЕДИНЕНИЙ
1.1 Влияние влаги на физико-механические свойства современных конструкционных ПКМ
1.1.1 Эпоксидное связующее и пленочные клеи
1.1.2 Армирующие волокна
1.1.3 Чувствительность параметров влагопереноса к климатическому старению
1.1.4 Устойчивость физико-механических характеристик ПКМ к воздействию влаги
1.1.5 Изменение структуры и свойств наполнителей в присутствии влаги
1.1.6 Прогнозирование изменения механических свойств ПКМ под воздействием влаги
1.2 Обзор методов прогнозирования влагопереноса в ПКМ
1.2.1 Типы аномальной кинетики сорбции влаги в ПКМ
1.2.2 Обзор моделей аномальной кинетики сорбции
1.2.3 Моделирование диффузии с позиций термодинамики необратимых процессов
1.2.4 Обзор моделей диффузии с точки зрения параметра переноса (коэффициента диффузии)
1.3 Химические превращения в эпоксидных связующих, пласт ифицирован пых влагой
(химическая реакция)
1.4 Проблемы структурной гетерогенности и анизотропии свойств ПКМ при сорбции и
диффузии влаги
1.4.1 Экспериментальное исследование зависимости влагосодержания от геометрических размеров
образца
1.4.2 Моделирование кромочного эффекта
1.4.3 Тензор коэффициента диффузии
1.4.4 Моделирование влагопереноса в периодических системах
1.4.5 Моделирование влагопереноса в пористых материалах
1.4.6 Моделирование влагопереноса в слоистых материалах
1.4.7 Моделирование влагопереноса по границе раздела "волокно-связующее"
1.5 Задачи исследований
2 ТЕОРИЯ ВЛАГОПЕРЕНОСА В ПКМ (ПОСТАНОВКА МОДЕЛИ ДИФФУЗИИ)
2.1 Уравнение неразрывности при переносе массы (фиковская компонента)
2.1.1 Общее уравнение диффузии
2.1.2 Диффузия в отрезок
2.1.3 Диффузия в полуось
2.1.4 Нормальная диффузия в отрезок
2.1.5 Общая модель фиковской диффузии для образцов малых форм
2.2 Влияние характерных размеров на процесс влагопереноса (кромка, анизотропия)
2.3 Учет неравновесных эффектов кинетики сорбции воды ПКМ
2.3.1 Структурная релаксация (пластификация)
2.3.2 Учет химических реакций в теории влагопереноса
2.4 Общая модель влагопереноса
2.4.1 Первый случай (Рис. 2.4)
2.4.2 Второй случай (Рис. 2.5)
2.4.3 Третий случай (Рис. 2.6)

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
3.1 Выбор объектов исследования и их свойства
3.2 Методика проведения эксперимента по исследованию влагопереноса в ПКМ
3.2.1 Отбор образцов
3.2.2 Аппаратура, среда
3.2.3 Подготовка к испытаниям
3.2.4 Проведение испытаний
3.3 Определение параметров модели влагопереноса с помощью пакета FITTER
3.3.1 Выбор опорных образцов для аппроксимации цикла "увлажнение-сушка"
3.3.2 Аппроксимация кинетики десорбции воды из ПКМ
3.3.3 Аппроксимация неравновесных слагаемых сорбционного эксперимента
4 ИЛЛЮСТРАЦИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ МОДЕЛИ ВЛАГОПЕРЕНОСА В ПКМ
4.1 Экспериментальные результаты и недостаточность традиционного подхода для их
аппроксимации
4.1.1 Погрешности оценки изменения массы
4.2 Десорбционный эксперимент
4.2.1 Стеклопластики
4.2.2 Базальтопластики
4.3 Сорбционный эксперимент
4.3.1 Стеклопластики
4.3.2 Базальтопластики
4.4 Работоспособность моделей сорбции и диффузии влаги в ПКМ: анализ сходимости и
адекватности
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БЛАГОДАРНОСТИ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ К ВЛАГЕ ПКМ АВИАЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. FITTER ADD-IN PROCEDURE FOR EXCEL 7.0 (1998-1999) © POLYCERT LTD
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПКМ
Линейная дилатометрия образцов ПКМ
Динамический механический анализ образцов ПКМ
Дифференциальная спектрометрия
Измерение модуля сдвига в плоскости листа методом трехопорного изгиба
Метод широкоугольной рентгеновской дифракции
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ЭЛЕКТРОННЫЙ КАТАЛОГ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Значение воды как фактора, влияющего на комплекс физико-химических свойств материалов, определяется спецификой взаимодействия компонентов в системе. При этом вода занимает особое положение среди низкомолекулярных жидкостей, играющих в общем случае роль пластификаторов полимерных композиционных материалов (ПКМ) [1]. Это определяется тем, что вода в наибольшей степени склонна к структурообразованию [2]. Вода образует упорядоченные структуры в пределах жидкого состояния, характер которых зависит от температуры, предыстории и наличия второго компонента в системе (в данном случае компоненты ПКМ) [3].
Проблема взаимодействия влаги с ПКМ, включает следующие аспекты:
1. установление механизма взаимодействия влаги со структурными элементами ПКМ,
2. перенос влаги через компоненты ПКМ,
3. кинетика сорбционных и десорбционных процессов,
4. зависимость равновесного содержания влаги от химического строения компонентов ПКМ и температуры,
5. влияние влаги на релаксационные переходы и состояния ПКМ,
6. зависимость всего комплекса физико-механических и эксплуатационных свойств ПКМ и изделий из них от влажности окружающей среды.
Для полной оценки макроскопических особенностей взаимодействия ПКМ с влагой необходимо независимое определение кинетики сорбции (и в общем случае десорбции), включая и область равновесия. Коэффициенты диффузии при переносе влаги через ПКМ, равно как и другие свойства системы "полимер - вода", в очень сильной степени зависят от концентрации диффузанта. Все это определяет сложный характер диффузии воды через ПКМ, который в общем случае носит нефиковский характер [4], обусловленный перераспределением свободного объема в ПКМ вследствие пластифицирующего действия воды на матрицу, образованием и развитием микро- и

Строгое математическое описание диффузионно-конвективной модели дается уравнением [93]
+ (0<*<А;г>0)
dt дх2 дх J { ’

e(x>oU=o» ф»о|*=о=с«
(1.27)

где с - концентрация; v - скорость перемещения границы раздела набухшего и не набухшего объемов материала, см/с; D - коэффициент диффузии, см2/с;/ - плотность источников.
Вообще, основное уравнение системы (1.27) (при / = 0) можно получить из (1.6), если принять, что D = D{x), тогда [88]
дс д ( „ЭсЛ 3D дс _ д1 с
— = — D— =----------------+ D—
dt Эху дх) дх дх дх

(1.28)

Решение уравнения (1.28) для полуограниченного тела
с(х,0) = 0, 0 < х < со, с(х,/) = с0, t > 0, х = 0, c(x,t) —> 0, t > 0, х —>
представлено, например, в [4, 94]
(1.29)

r x-vt Л
=- I + exp

2 4dî) erfc (и) = -4= e~x dx.

x + vt 2-jDt
(1.30)
В свою очередь выражение (1.28) (Д v = const) можно свести к виду (1.24) с помощью преобразования [95]
cv=c- exp
t 2 л

2D 4 D

(1.31)
при соответствующих преобразованиях начальных и граничных условий.