ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОНКОСЛОЙНЫХ МЕМБРАН ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЖИДКОЙ СРЕДЫ

Полный текст

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%.

Об авторах

САМАТ НУХОВИЧ ЯКУПОВ

Институт механики и машиностроения Казанского научного центра Российской Академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: tamas_86@mail.ru

ЯКУПОВ САМАТ НУХОВИЧ - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт Механики и Машиностроения Казанского научного центра Российской Академии наук. Сфера научных интересов - механика тонкостенных конструкций, механика пленок и мембран, композиционные структуры, адгезия, коррозионного износа

Республика Татарстан, Казань, Лобачевского, 2/31

ЛЕЙСАН УСМАНОВНА ХАРИСЛАМОВА

Институт механики и машиностроения Казанского научного центра Российской Академии наук

Email: lejsanh@yandex.ru

ХАРИСЛАМОВА ЛЕЙСАН УСМАНОВНА - младший научный сотрудник, Институт механики и машиностроения Казанского научного центра Российской Академии наук. Сфера научных интересов - механика композиционных пленок и мембран.

Республика Татарстан, Казань, Лобачевского, 2/31

НУХ МАХМУДОВИЧ ЯКУПОВ

Институт механики и машиностроения Казанского научного центра Российской Академии наук

Email: yzsrr@kfti.knc.ru

ЯКУПОВ НУХ МАХМУДОВИЧ - доктор технических наук, профессор, член-корреспондент Российской инженерной академии, главный научный сотрудник, заведующий лабораторией Не- линейной механики оболочек, Институт механики и машиностроения Казанского научного центра Российской Академии наук. Сфера научных интересов - механика тонкостенных конструкций сложной геометрии; пленки и мембраны, коррозионный износ, метод конечных элементов, строительные и машиностроительные конструкции.

Республика Татарстан, Казань, Лобачевского, 2/31

Список литературы