Влияние маршрута деформирования на свойства политетрафторэтилена после равноканальной угловой экструзии
На примере политетрафторэтилена (ПТФЭ) рассмотрены возможности различных маршрутов деформирования в случае равноканальной угловой (РКУЭ) и равноканальной многоугловой (РКМУЭ) экструзии для модификации структуры и свойств кристаллизующихся полимеров. Показано, что маршрут А (РКУЭ) обеспечивает высоку...
Saved in:
| Date: | 2012 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2012
|
| Series: | Физика и техника высоких давлений |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69553 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние маршрута деформирования на свойства политетрафторэтилена после равноканальной угловой экструзии / Ю.В. Возняк // Физика и техника высоких давлений. — 2012. — Т. 22, № 2. — С. 118-124. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69553 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-695532025-02-23T17:31:00Z Влияние маршрута деформирования на свойства политетрафторэтилена после равноканальной угловой экструзии Влив маршрута деформування на властивості політетрафторетилену після рівноканальної кутової екструзії Effect of the deformation route on the properties of polytetrafluoroethylene after equal channel angular extrusion Возняк, Ю.В. На примере политетрафторэтилена (ПТФЭ) рассмотрены возможности различных маршрутов деформирования в случае равноканальной угловой (РКУЭ) и равноканальной многоугловой (РКМУЭ) экструзии для модификации структуры и свойств кристаллизующихся полимеров. Показано, что маршрут А (РКУЭ) обеспечивает высокую, а маршрут С (РКУЭ и РКМУЭ) − низкую анизотропию механических свойств экструдированных полимеров. Маршрут E (РКМУЭ) по сравнению с маршрутом С позволяет cформировать лучший комплекс физико-механических свойств при меньших значениях накопленной деформации и давления экструзии. На прикладі політетрафторетилену (ПТФЕ) розглянуто можливості різних маршрутів деформування у разі рівноканальної кутової (РККЕ) і рівноканальної багатокутової (РКБКЕ) екструзії для модифікації структури й властивостей полімерів, які кристалізуються. Показано, що маршрут А (РККЕ) забезпечує високу, а маршрут С (РККЕ і РКБКЕ) − низьку анізотропію механічних властивостей екструдованих полімерів. Маршрут E (РКБКЕ) порівняно з маршрутом С дозволяє формувати кращий комплекс фізико-механічних властивостей за менших значень накопиченої деформації та тиску екструзії. In the case of polytetrafluoroethylene (PTFE), the abilities of different routes of deformation to modify the structure and properties of semicrystalline polymers in the course of equal-channel angular (ECAE) and equal-channel multiple-angular (ECMAE) extrusion have been studied. It is shown that the route A (ECAE) provides high anisotropy of mechanical properties of extruded polymers and the route C (ECAE and ECMAE) demonstrates low degree of anisotropy. Route E (ECMAE) compared with the route C allows creation of better set of physical and mechanical properties at lower values of accumulated strain and extrusion pressure. Работа выполнена при поддержке гранта НАН Украины для молодых ученых № 100. 2012 Article Влияние маршрута деформирования на свойства политетрафторэтилена после равноканальной угловой экструзии / Ю.В. Возняк // Физика и техника высоких давлений. — 2012. — Т. 22, № 2. — С. 118-124. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.20.Sh, 81.40.−z https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69553 ru Физика и техника высоких давлений application/pdf Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
На примере политетрафторэтилена (ПТФЭ) рассмотрены возможности различных маршрутов деформирования в случае равноканальной угловой (РКУЭ) и равноканальной многоугловой (РКМУЭ) экструзии для модификации структуры и свойств кристаллизующихся полимеров. Показано, что маршрут А (РКУЭ) обеспечивает высокую, а маршрут С (РКУЭ и РКМУЭ) − низкую анизотропию механических свойств экструдированных полимеров. Маршрут E (РКМУЭ) по сравнению с маршрутом С позволяет cформировать лучший комплекс физико-механических свойств при меньших значениях накопленной деформации и давления экструзии. |
| format |
Article |
| author |
Возняк, Ю.В. |
| spellingShingle |
Возняк, Ю.В. Влияние маршрута деформирования на свойства политетрафторэтилена после равноканальной угловой экструзии Физика и техника высоких давлений |
| author_facet |
Возняк, Ю.В. |
| author_sort |
Возняк, Ю.В. |
| title |
Влияние маршрута деформирования на свойства политетрафторэтилена после равноканальной угловой экструзии |
| title_short |
Влияние маршрута деформирования на свойства политетрафторэтилена после равноканальной угловой экструзии |
| title_full |
Влияние маршрута деформирования на свойства политетрафторэтилена после равноканальной угловой экструзии |
| title_fullStr |
Влияние маршрута деформирования на свойства политетрафторэтилена после равноканальной угловой экструзии |
| title_full_unstemmed |
Влияние маршрута деформирования на свойства политетрафторэтилена после равноканальной угловой экструзии |
| title_sort |
влияние маршрута деформирования на свойства политетрафторэтилена после равноканальной угловой экструзии |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| publishDate |
2012 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69553 |
| citation_txt |
Влияние маршрута деформирования на свойства политетрафторэтилена после равноканальной угловой экструзии / Ю.В. Возняк // Физика и техника высоких давлений. — 2012. — Т. 22, № 2. — С. 118-124. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| series |
Физика и техника высоких давлений |
| work_keys_str_mv |
AT voznâkûv vliâniemaršrutadeformirovaniânasvojstvapolitetraftorétilenaposleravnokanalʹnojuglovojékstruzii AT voznâkûv vlivmaršrutadeformuvannânavlastivostípolítetraftoretilenupíslârívnokanalʹnoíkutovoíekstruzíí AT voznâkûv effectofthedeformationrouteonthepropertiesofpolytetrafluoroethyleneafterequalchannelangularextrusion |
| first_indexed |
2025-11-24T03:39:35Z |
| last_indexed |
2025-11-24T03:39:35Z |
| _version_ |
1849641481963307008 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2012, том 22, № 2
© Ю.В. Возняк, 2012
PACS: 81.20.Sh, 81.40.−z
Ю.В. Возняк
ВЛИЯНИЕ МАРШРУТА ДЕФОРМИРОВАНИЯ НА СВОЙСТВА
ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕНА ПОСЛЕ РАВНОКАНАЛЬНОЙ УГЛОВОЙ
ЭКСТРУЗИИ
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины
ул. Р. Люксембург, 72, г. Донецк, 83114, Украина
Статья поступила в редакцию 6 января 2012 года
На примере политетрафторэтилена (ПТФЭ) рассмотрены возможности различ-
ных маршрутов деформирования в случае равноканальной угловой (РКУЭ) и равно-
канальной многоугловой (РКМУЭ) экструзии для модификации структуры и
свойств кристаллизующихся полимеров. Показано, что маршрут А (РКУЭ) обес-
печивает высокую, а маршрут С (РКУЭ и РКМУЭ) − низкую анизотропию механи-
ческих свойств экструдированных полимеров. Маршрут E (РКМУЭ) по сравнению
с маршрутом С позволяет cформировать лучший комплекс физико-механических
свойств при меньших значениях накопленной деформации и давления экструзии.
Ключевые слова: равноканальная угловая экструзия, равноканальная многоугло-
вая экструзия, маршрут деформирования, политетрафторэтилен, физико-
механические свойства
Введение
Твердофазная структурная модификация полимеров включает множество
методов, основанных на пластической деформации, в большинстве случаев
направленных на создание высокоориентированного состояния [1]. К их
числу относятся одно- или двухосная вытяжка, одноосное сжатие, прокатка,
волочение, плоскодеформационное сжатие или прокатка, плунжерная и гид-
ростатическая экструзия и др. [1,2].
Все многообразие методов твердофазной молекулярной ориентации мож-
но разделить на две группы. В первую входят методы, основанные на де-
формировании полимерной заготовки, сопровождающемся ее формоизмене-
нием (вытяжкой). Вторую группу составляют процессы, не связанные с из-
менением формы и размеров и основанные на интенсивной пластической
деформации (ИПД), осуществляемой в условиях простого сдвига. Наиболее
известны из них РКУЭ [2,3] и ее модифицированный вариант − РКМУЭ [4].
Особенностью таких методов ИПД является способность создания различ-
Физика и техника высоких давлений 2012, том 22, № 2
119
ных маршрутов деформации с целью генерации разнообразных форм моле-
кулярной ориентации. Последнее достигается путем изменения направления
ориентации заготовки в течение нескольких циклов экструзии (РКУЭ) или
положения деформирующих каналов (РКМУЭ). Процесс РКМУЭ позволяет
также реализовывать комбинации различных маршрутов деформирования в
течение одного цикла обработки.
В настоящей работе на примере ПТФЭ рассмотрены возможности раз-
личных маршрутов деформирования в случае РКУЭ и РКМУЭ для управле-
ния свойствами кристаллизующихся полимеров.
Результаты и их обсуждение
В случае РКУЭ кристаллизующихся полимеров исследовано влияние
двух маршрутов деформирования: маршрута А (когда ориентация заготовки
остается неизменной при каждом проходе) и С (когда после каждого цикла
экструзии заготовка поворачивается вокруг своей продольной оси на 180°).
Согласно данным [5−15] деформирование по маршруту А обусловливает пе-
реход от исходной сферолитной к микро- и макрофибриллярной структурам,
ориентированным вдоль направления сдвига. Степень ориентации определя-
ется величиной накопленной деформации (числом проходов через пересе-
кающиеся каналы). Деформирование по маршруту С при каждом четном
цикле экструзии приводит к разориентации макрофибрилл относительно на-
правления сдвига, которая сопровождается их утолщением и частичным
восстановлением сферолитной структуры. Формирование таких структур
обеспечивает, в частности, в случае маршрута А ярко выраженную анизо-
тропию механических свойств, измеренных в различных направлениях по
отношению к оси экструдата, в случае маршрута С − более сбалансирован-
ные механические свойства, т.е. их различие в продольном и поперечном
направлениях экструдатов менее выражено.
Однако следует отметить, что достигнутый в этих работах прирост
свойств экструдатов незначителен. Указанное обстоятельство связано с тем,
что процесс РКУЭ выполнялся без нагрева заготовки или при температуре,
которая далека от оптимальной. Для кристаллизующихся полимеров опти-
мальная температура экструзии Те определяется из соотношения Те = (0.75 ±
± 0.15) Тm (Тm − температура плавления полимера) [2]. Экструзия при мень-
ших температурах приводит к превалированию процессов механической де-
струкции полимерных цепей над процессами ориентационного упрочнения в
силу ограниченной молекулярной подвижности. В то же время осуществле-
ние многопроходной РКУЭ при повышенных температурах, обеспечивая
большую величину накопленной деформации, тем не менее делает процесс
малоэффективным из-за релаксации напряжений, происходящей при осты-
вании и последующем нагреве деформированного полимера.
При РКМУЭ (рис. 1,а) вследствие знакопеременного характера деформа-
ции реализуется напряженно-деформированное состояние материала, соот-
Физика и техника высоких давлений 2012, том 22, № 2
120
ветствующее деформации по маршруту С (рис. 1,б) или комбинации различ-
ных маршрутов деформирования в течение одного цикла процесса. В на-
стоящей работе рассмотрен случай, когда плоскости сдвига располагаются
под углом ±45° к оси экструзии и нормали к ней, а также в плоскостях, пер-
пендикулярных оси экструзии (назван маршрутом Е, рис. 1,в).
а б в
Рис. 1. Процесс РКМУЭ: а − схема процесса (1 – матрица, 2 – пуансон, 3 – поли-
мерная заготовка, 4 – фальш-заготовка); б − маршрут С (плоскости деформирую-
щих каналов параллельны); в − маршрут Е (плоскости деформирующих каналов
расположены под разными углами). Стрелками показаны направления сдвига
В табл. 1 приведены средние значения микротвердости в продольном ||H
и поперечном H ⊥ сечениях экструдатов, величина анизотропии микротвер-
дости 1 HH
H
⊥
Δ = − , характеризующая разницу в прочностных свойствах в
продольном и поперечном сечениях экструдатов, а также дисперсия микро-
тведости в поперечном сечении 2
1
1 ( )
( 1)
n
Н i
i
D H H
n n =
= −
− ∑ ( n − количест-
во измерений, Hi − результат отдельно взятого измерения величины микро-
твердости, H − среднее значение микротвердости) для исходных образцов
ПТФЭ (P.T.F.E., QUADRANT) и экструдатов, полученных при реализации
процесса РКМУЭ, включающего различные маршруты деформирования.
Температура экструзии составляла 498 K, скорость экструзии – 0.6 mm/s,
интенсивность деформации ΔГ1 = 0.83, что соответствовало оптимальным
условиям процесса [16].
Физика и техника высоких давлений 2012, том 22, № 2
121
Таблица 1
Влияние РКМУЭ на микротвердость ПТФЭ
Pm H ⊥ ||HМаршрут
деформирования ε
MPa
ΔH DH
Исходное состояние 0 − 40 41 0.02 0.28
4.4 330 55 65 0.15 0.50
6.7 342 60 70 0.14 0.50
9.1 354 61 70 0.13 0.46Маршрут C
11.4 356 64 74 0.14 0.42
4.4 325 70 78 0.10 0.40
6.7 334 77 85 0.09 0.40
9.1 345 80 87 0.08 0.38Маршрут E
11.4 354 84 90 0.07 0.35
Согласно [17] рост микротвердости кристаллизующихся полимеров свя-
зан с повышением их степени кристалличности и/или формированием ори-
ентационного порядка. Последнее обусловливает также появление анизо-
тропии микротвердости ΔH. В случае РКМУЭ величина ΔH уменьшается с
ростом накопленной деформации ε, что обусловлено знакопеременным ха-
рактером деформации при РКМУЭ, формирующей в экструдате преимуще-
ственно микроскопическую молекулярную ориентацию [16]. Использование
маршрута E по сравнению с маршрутом С обеспечивает более высокие
абсолютные значения микротвердости и меньшую величину ее анизотропии
при одинаковой накопленной деформации. Одновременно достигается более
однородное распределение микротвердости по поперечному сечению экс-
трудатов.
Следует отметить также, что больший упрочняющий эффект в случае
маршрута E достигается при меньших значениях максимального давления
экструзии Pm (табл. 1). Отличие в абсолютных значениях Pm в случае раз-
личных маршрутов деформирования может быть связано с реализацией эф-
фекта Баушингера [18], состоящего в понижении сопротивления пластиче-
ской деформации при перемене знака нагружения и обусловленного наличи-
ем остаточных напряжений, которые, складываясь с рабочим напряжением
при изменении знака нагрузки, вызывают его понижение. При этом эффект
значительно ослабляется при многократных циклических нагружениях. Так
как в случае маршрута С знакопеременная деформация происходит в одной
плоскости, то при одинаковой степени деформации ослабление эффекта
Баушингера будет больше, чем в случае маршрута Е, реализующего знако-
переменную деформацию в различных плоскостях.
Наряду с повышением микротвердости РКМУЭ обеспечивает значитель-
ное увеличение плотности ρ, упругих и прочностных характеристик ПТФЭ:
модуля упругости E, предела текучести σу, разрушающего напряжения σb,
измеренных при растяжении образцов, вырезанных вдоль направления экс-
трузии (табл. 2). Пластичность (деформация текучести εу и деформация раз-
Физика и техника высоких давлений 2012, том 22, № 2
122
рушения εb) при этом несколько снижается. Наилучшее сочетание упругих,
прочностных и пластических характеристик имеет место для маршрута Е.
По сравнению с маршрутом С лучший комплекс деформационно-
прочностных характеристик достигается при меньших значениях ε. Поведе-
ние плотности экструдатов ρ коррелирует с изменением прочностных харак-
теристик. Максимальный ее рост достигается в случае маршрута Е. У экс-
трудатов отмечаются также повышенные по сравнению с недеформирован-
ным полимером значения степени кристалличности c
ρχ , рассчитанные по
данным измерения плотности. Наибольшую величину они имеют при реали-
зации маршрута Е (табл. 2).
Таблица 2
Влияние РКМУЭ на физико-механические свойства и степень
кристалличности ПТФЭ
E σy σb εy εbМаршрут
деформирования ε
ρ,
g/сm3 MPa % c
ρχ
Исходное
состояние − 2.168 415 27 28 27.0 380 0.48
4.4 2.172 560 39 42 25.5 325 0.49
6.7 2.172 640 45 49 25.0 320 0.49
9.1 2.172 715 52 56 25.0 320 0.49Маршрут C
11.4 2.173 830 58 60 25.2 317 0.49
4.4 2.175 670 50 53 25.8 340 0.50
6.7 2.176 940 65 68 25.3 340 0.50
9.1 2.179 1100 76 79 25.4 344 0.51Маршрут E
11.4 2.180 1180 85 88 25.4 346 0.51
Таким образом, в случае кристаллизующихся полимеров существенное
значение для улучшения комплекса свойств имеют не только температура,
скорость экструзии, интенсивность деформации и величина накопленной
деформации, но и маршрут процесса. Из исследованных маршрутов пред-
почтительнее маршрут Е, обеспечивающий наиболее высокий уровень фи-
зико-механических характеристик.
Выводы
Эффективность процессов РКУЭ и РКМУЭ кристаллизующихся полимеров
в значительной степени определяется выбранным маршрутом деформирования
(т.е. направлением простого сдвига). В случае РКМУЭ реализация маршрута Е
по сравнению с маршрутом С позволяет достигать более высоких значений
плотности, жесткости и прочности ПТФЭ, сохраняя на высоком уровне его
пластические характеристики и обеспечивая при этом меньшую анизотропию
свойств в продольном и поперечном направлениях. Наблюдаемые эффекты
связаны с формированием ориентационного порядка, увеличением степени
кристалличности и уменьшением дефектности структуры экструдатов.
Физика и техника высоких давлений 2012, том 22, № 2
123
Работа выполнена при поддержке гранта НАН Украины для молодых
ученых № 100.
1. I.M. Ward, P.D. Coates, M.M. Dumoulin, Solid phase processing of polymers, Han-
ser Gardner, Munich (2000).
2. В.А. Белошенко, Я.Е. Бейгельзимер, В.Н. Варюхин, Твердофазная экструзия по-
лимеров, Наукова думка, Киев (2008).
3. V.M. Segal, Mater. Sci. Eng. A271, 322 (1999).
4. Y.E. Beygelzimer, V.A. Beloshenko, in: Encyclopedia of polymer science and technol-
ogy, J.I. Kroschwitz (ed.), Hoboken, Wiley (2004).
5. Z.-Y. Xia, H.-J. Sue, T.P. Rieker, Macromolecules 33, 8746 (2000).
6. Z. Xia, T. Hartwig, H.-J. Sue, J. Macromol. Sci. B43, 385 (2004).
7. J. Ma, G.P. Simon, G.H. Edward, Macromolecules 41, 409 (2008).
8. T. Wang, S. Tang, J. Chen, J. Appl. Polym. Sci. 122, 2146 (2011).
9. H.-J. Sue, C.K.-Y. Li, J. Mater. Sci. Lett. 17, 853 (1998).
10. H.J. Sue, H. Dilan, C.K.-Y. Li, Polym. Eng. Sci. 39, 2505 (1999).
11. B. Campbell, G. Edward, Plast. Rubb. Comp. 28, 467 (1999).
12. C.K.-Y. Li, Z.Y. Xia, H.J. Sue, Polymer 41, 6285 (2000).
13. Z. Xia, H.-J. Sue, A.J. Hsieh, J.W.-L. Huang, J. Polym. Sci. B39, 1394 (2001).
14. J.I. Weon, T.S. Creasy, H.-J. Sue, A.J. Hsieh, Polym. Eng. Sci. 45, 314 (2005).
15. T.S. Creasy, Y.S. Kang, J. Mater. Process. Technol. 160, 90 (2005).
16. V.A. Beloshenko, V.N. Varyukhin, A.V. Voznyak, Yu.V. Voznyak, Polym. Eng. Sci. 50,
1000 (2010).
17. F.J. Baltá-Calleja, in: Structure development during polymer processing, A.M. Cunha,
S. Fakirov (eds.), Kluwer Academic Publishers, Dordrecht (2000), p. 145−162.
18. B.K. Сhun, J.T. Jinn, J.K. Lee, Int. J. Plasticity 18, 571 (2002).
Ю.В. Возняк
ВЛИВ МАРШРУТА ДЕФОРМУВАННЯ НА ВЛАСТИВОСТІ
ПОЛІТЕТРАФТОРЕТИЛЕНУ ПІСЛЯ РІВНОКАНАЛЬНОЇ КУТОВОЇ
ЕКСТРУЗІЇ
На прикладі політетрафторетилену (ПТФЕ) розглянуто можливості різних мар-
шрутів деформування у разі рівноканальної кутової (РККЕ) і рівноканальної бага-
токутової (РКБКЕ) екструзії для модифікації структури й властивостей полімерів,
які кристалізуються. Показано, що маршрут А (РККЕ) забезпечує високу, а мар-
шрут С (РККЕ і РКБКЕ) − низьку анізотропію механічних властивостей екструдо-
ваних полімерів. Маршрут E (РКБКЕ) порівняно з маршрутом С дозволяє формува-
ти кращий комплекс фізико-механічних властивостей за менших значень накопи-
ченої деформації та тиску екструзії.
Ключові слова: рівноканальна кутова екструзія, рівноканальна багатокутова екст-
рузія, політетрафторетилен, маршрут деформування, фізико-механічні властивості
Физика и техника высоких давлений 2012, том 22, № 2
124
Yu.V. Voznyak
EFFECT OF THE DEFORMATION ROUTE ON THE PROPERTIES
OF POLYTETRAFLUOROETHYLENE AFTER EQUAL CHANNEL
ANGULAR EXTRUSION
In the case of polytetrafluoroethylene (PTFE), the abilities of different routes of
deformation to modify the structure and properties of semicrystalline polymers in the
course of equal-channel angular (ECAE) and equal-channel multiple-angular (ECMAE)
extrusion have been studied. It is shown that the route A (ECAE) provides high
anisotropy of mechanical properties of extruded polymers and the route C (ECAE and
ECMAE) demonstrates low degree of anisotropy. Route E (ECMAE) compared with the
route C allows creation of better set of physical and mechanical properties at lower values
of accumulated strain and extrusion pressure.
Keywords: equal-channel angular extrusion, equal-channel multiple-angular extrusion,
deformation route, polytetrafluoroethylene, physical and mechanical properties
Fig. 1. ECMAE process: а − the scheme of the process (1 − die, 2 – punch, 3 – polymeric
billet, 4 – sacrified billets); б − C route (the planes of deforming channels are parallel); в −
E route (the planes of deforming channels are positioned at varied angles). Shear direc-
tions are marked by arrows
|