CHANGE OF MECHANICAL PROPERTIES OF THIN-LAYER MEMBRANES UNDER THE INFLUENCE OF LIQUID MEDIUM

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Thin-layer membranes and membrane compositions find application in different indus- tries as independent design elements and as coatings. With the development of new technolo- gies, functional coatings are become increasingly widespread. During the process of exploita- tion design elements and coatings interact with the environment. For the competent design of structures with thin-layer membranes, it is necessary to know the influence of the liquid me- dium on the change in their mechanical properties. The results of experimental studies on the topic under consideration are presented

Full Text

Введение. Тонкослойные мембраны и мембранные композиции находят широкое применение, как самостоятельные элементы конструкции, так и в качестве покрытий [1-3]. С развитием новых технологий начинают получать все более широкое распространение новые функциональные покрытия [4-9]. В процессе эксплуатации мембраны и покрытия взаимодействуют с окружающей средой. Функциональные покрытия, помимо поверхностного взаимодействия со средой, испытывают взаимодействие с жидкостью при раскапсуляции. При этом могут существенно измениться механические свойства мембран и покрытий. В связи с этим возникают вопросы, связанные с оценкой механических свойств мембран и мембранных композиций, взаимодействующих с жид- кой средой. Для определения механических характеристик мембран и мембранных композиций, выдержанных в жидкой среде, используется экспериментально- теоретический метод, основанный на синтезе экспериментальных данных и теоретических соотношений, полученных из нелинейной теории тонких оболочек и теории пластичности [10-13]. Из эксперимента снимают кривую «прогиб Н - давление P». По полученным результатам замеров производят теоретическую обработку, определяя, в частности, модуль упругости или условный модуль упругости, строят кривые деформирования и составляют заключение о степени износа материала исследуемого образца. Композиционные мембраны в жидкой среде. Проведены исследования композиции, состоящей из полимерной тонкой пленки и плотной бумажной ос- новы, общей толщиной 0,25 мм (рис.1). Такие композиции широко используются, например, как рекламные рулонные материалы и др. Рассмотрены изменения механических свойств композиций, находившихся в контакте с водой в течение 1, 10 и 20 минут. Зависимость высоты подъема купола H от давления P приведена на рис. 2, зависимость «интенсивность напряжений ?i - деформаций ?i» - на рисунке 3, а зависимость «условный модуль упругости Е - деформаций ?i» - на рис. 4. Как видно из рис. 2 - 4, взаимодействие пленочной композиции с жидкостью значительно снижает ее свойства. Уже в течение первой минуты взаимодействия происходит существенное снижение механических свойств. Микропористые мембраны в жидкой среде. Исследованы механические характеристики капроновых мембран толщиной 0,2 мм со средним диаметром микропор 0,2 мкм (фирма «ХИМИФИЛ»). Такие мембраны используются, на- пример, для переноса жидких биологически активных соединений [14]. Подготовлены несколько комплектов образцов, состоящих из двух слоев капроновых мембран толщиной каждого слоя 0,2 мм. На экспериментальном этапе при исследовании каждого комплекта использовалась полимерная подложка толщиной 0,08 мм. Изображение образца в процессе испытания приведено на рисунке 5. Экспериментальные данные для комплектов образцов, не контактировавших с водой, представлены в таблице 1. Для изучения влияния влажности на механические свойства капроновых мембран с порами 0,2 мкм были также выполнены экспериментальные исследования образцов из двух слоев мембран толщиной каждого слоя 0,2 мм, которые в течение 25 минут выдерживались в обычной воде при комнатной температуре. На экспериментальном этапе использовалась полимерная подложка толщи- ной 0,08 мм. Экспериментальные данные представлены в таблице 2. На рис. 6 приведена зависимость прогиба H от давления Р, построенная по усредненным данным (таблицы 1 и 2) для рассмотренных образцов. Таблица 1 - Экспериментальные данные Р и H Образцы сухие P, МПа Н1, мм H2, мм H3, мм Hср, мм 0,0037 2,9 2,7 - 2,8 0,0057 3,5 3,3 3,4 3,4 0,0067 3,8 3,6 3,6 3,7 0,0080 4,1 3,9 4,0 4,0 0,0087 4,3 4,1 4,1 4,2 0,0090 4,3 4,2 4,2 4,2 Таблица 2. Экспериментальные данные Р и H Образцы увлажненные P, МПа Н1, мм H2, мм H3, мм Hср, мм 0,0037 6,2 6,2 5,7 6,0 0,0057 7,5 7,7 6,9 7,4 0,0067 8,2 8,3 7,3 8,0 0,0080 9,1 9,2 8,2 8,8 0,0087 9,7 9,8 8,7 9,4 0,0090 9,8 10,0 9,0 9,6 Как видно из рис. 6 прогибы образцов H при одинаковых давлениях Р, для увлажненных образцов существенно выше, чем для неувлажненных. Мембранная кровля. Исследование влияния длительности контакта с водой на механические свойства битумно-полимерной гидроизоляционной мем- бранной кровли, имеющей сложную структуру. Мембрану толщиной 5 мм по- лучают путем двустороннего нанесения на армированную полиэфирную основу битумно-полимерного вяжущего. В качестве защитных слоев используют крупнозернистую посыпку сверху и нетканое полотно снизу. Подготовлены образцы диаметром 120 мм (рис. 7), которые выдерживались в воде в течение 2 и 8 не- дель (рис. 8) и далее испытывались на установке ДМ-1 (рис. 9). Результаты испытаний образцов, выдержанных в водной среде 2 недели и 8 недель - зависимость «прогиб Н - давление P» - приведены в таблице 3 и на рис. 10. Таблица 3.Экспериментальные данные «прогиб Н - давление P » Р, МПа Прогиб образца Н, мм 2 недели 8 недель 0,02 7,55 7,83 0,03 8,37 8,71 0,04 9,13 9,50 0,05 9,72 10,16 0,07 10,74 11,33 0,09 11,85 12,45 Заключение. На базе экспериментально-теоретического метода выполнены исследования механических свойств композиционных и пористых мембран. Образцы, выдержанные в жидкости, существенно изменяют механические характеристики сложных композиционных структур. Для композиции «полимерная пленка + картон» установлена, что в течение первой минуты взаимодействия происходит существенное снижение механических характеристик, а свойства образцов, выдержанных в жидкости более дли- тельное время, существенно не отличаются между собой. Деформативность микропористых капроновых мембран при взаимодействии в течение 25 минут с жидкой средой существенно выше по сравнению с неувлажненными образцами. Для мембранной кровли увеличение длительности контакта с водой с 2 до 8 недель способствует снижению жесткости более чем на 4%.

×

About the authors

SAMAT NUKHOVICH YAKUPOV

Institute of Mechanics and Engineering, Kazan Science Center, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: tamas_86@mail.ru

YAKUPOV SAMAT NUKHOVICH - candidate of technical Sciences, Institute of Mechanics and Engineering, Kazan Science Center, Russian Academy of Sciences. Sphere of scientific interests - me- chanics of thin-walled structures, mechanics of films and membranes, composite structures, adhesion, corrosion

Республика Татарстан, Казань, Лобачевского, 2/31

LEYSAN USMANOVNA HARISLAMOVA

Institute of Mechanics and Engineering, Kazan Science Center, Russian Academy of Sciences

Email: lejsanh@yandex.ru

HARISLAMOVA LEYSAN USMANOVNA - junior researcher, Institute of Mechanics and Engineer- ing, Kazan Science Center, Russian Academy of Sciences. Sphere of scientific interests - mechanics of composite films and membranes

Республика Татарстан, Казань, Лобачевского, 2/31

NUH MAKHMUDOVICH YAKUPOV

Institute of Mechanics and Engineering, Kazan Science Center, Russian Academy of Sciences

Email: yzsrr@kfti.knc.ru

YAKUPOV NUH MAKHMUDOVICH - doctor of technical Sciences, professor, member- correspondent of the Russian Academy of engineering, chief researcher, head of laboratory of Nonlinear mechanics of shells, Institute of Mechanics and Engineering

Institute of Mechanics and Engineering, Kazan Science Center, Russian Academy of Sciences

References

  1. Yakupov, N.M., Yakupov, S.N. (2017). Thin-layer coatings. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. (1), 6—14 (in Russian).
  2. Yakupov, N.M., Yakupov, S.N., Rynkovskay, M.I. (2016). Some problems of corrosion and methods of protection. Abstract Book: 2nd International Congress on Technology - Engineering & Science. Ma-laysia. July 28-29, 2016, 143—145.
  3. Kantyukov, R.R., Yakupov, S.N. (2015). Problems of investigation of mechanical characteristics of coatings and their adhesion to a substrate. Corrosion. The territory of Oil and Gas, (3), 86-88.
  4. Montemor, M.F. (2014). Functional and smart coatings for corrosion protection: A review of re-cent advances. Surface & Coatings Technology, 258, 17—37.
  5. García, J., Fischer, H.R., S. van der Zwaag. Prog. Org. Coat. 72 (2011). 211—221.
  6. Taylor, S.R., Shiflet, G.J.,et al. Nanotechnol. Appl.Coat. (2009). 126—155 (Chapter 8).
  7. Wang, Q., Li J, Zhang C., Qu X., et al. J. Mater. Chem. 20 (2010). 3211—3215.
  8. Huang, Y.F., Huang,C., Zhong, Y.L., Yi , S.P. Surf. Eng. 29 (2013). 633—636.
  9. Ahmad, S., Gupta, A.P., Sharmin, E,. et al. Prog. Org. Coat. 54 (2005). 248—255.
  10. Yakupov, N.M., Galimov, N.K., Leontiev, A.A. (2000). Experimental-theoretical method for studying strength of polymer films. Mechanics of Composite Materials and Structures, 6(2), 238—243.
  11. Yakupov, N.M., Nurgaliev, A.R., Yakupov, S.N.(2008). Zav. Lab. Diagn. Mater.,74(11),54—56.
  12. Yakupov, N.M., Yakupov, S.N. (2009). Definition of mechanical characteristics of films with the pores, nanoinclusions and nanocoatings. Abstracts. The second Nanotechnology International Forum, M.: Rusnanotech, 344—346.
  13. Galimov, N.K., Yakupov, N.M., Yakupov, S.N. (2011). Mekhanika tverdogo tela, (3), 58-66.
  14. Valiev, Kh.Kh., Yakupov, S.N., Karnet ,Yu.N., Snegireva, N.S., Yumashev, O.B., Yanovsky, Yu.G. (2015). Structural and Mechanical Properties of Polymer Porous Films. XI All-Russian Congress on Fundamental Problems of Theoretical and Applied Mechanics, Kazan: Publishing house of the Kazan (Privolzhsky) Federal University, 670—671 (in Russian).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2017 YAKUPOV S.N., HARISLAMOVA L.U., YAKUPOV N.M.

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