УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СДВИГОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КЛЕЕВЫХ И ВЯЖУЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области контрольно-измерительного оборудования для определения реологических (физико-механических) свойств веществ и материалов, в частности, сдвиговой (адгезионной и когезионной) прочности.
Сдвиговые свойства, такие как предел текучести, когезионная и адгезионная прочность, вязкость, проявляются при касательном смещении слоев тела. Приборы для измерения сдвиговых свойств подразделяются на ротационные и капиллярные вискозиметры, пенетрометры, приборы с плоскопараллельным смещением пластин и др.
[Падохин В.А., Кокина Н.Р. Физико-механические свойства сырья и пищевых продуктов: Учеб. пособие/Институт химии растворов РАН. - Иваново, 2007. - 128 с. ISBN 5-9616-0220-6].
Наиболее близким аналогом (прототипом) по своей технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для определения сдвиговых характеристик клеевых и вяжущих материалов, содержащее две плоскопараллельные пластины, между которыми помещен исследуемый материал, груз с тянущей нитью, приводящий в движение верхнюю пластину, и индикатор перемещения верхней пластины, [www.znaytovar.ru/new125.html Методы и приборы для измерения сдвиговых характеристик, Рис.3.7].
Прибор позволяет определять предел текучести материала (предельное напряжение сдвига), сдвиговую прочность, вязкость, упругость, период релаксации.
К недостаткам прототипа следует отнести неопределенность условий опыта - колебания температуры и толщины слоя продукта от опыта к опыту, снижающих точность измерений, а также трудность подбора оптимальных размеров устройства (площади пластин), от которых зависит диапазон измеряемых реологических параметров образца.
Задача полезной модели состоит в повышении точности и экспрессности измерений путем устранения указанных недостатков.
Технический результат заключается в повышении точности и экспрессности измерений.
Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в устройстве для определения сдвиговых характеристик клеевых и вяжущих материалов, содержащем две плоскопараллельные пластины, между которыми помещен исследуемый материал, груз с тянущей нитью, приводящий в движение верхнюю пластину, и индикатор перемещения верхней пластины, при этом новым является то, что оно снабжено термопарой, подключенной к одному из входов цифрового термометра, причем ко второму входу цифрового термометра подключен индикатор перемещения верхней пластины, выполненный в виде потенциометра, при этом нижняя пластина выполнена в виде термоэлектрического модуля с элементами Пельтье, а верхняя в виде стикера-ползунка, имеющего форму пластины с чашкой - держателем образца на одном конце и штоком крепления для тянущей нити - на другом.
Выполнение нижней пластины в виде термоэлектрического модуля с элементами Пельтье, а верхней в виде стикера-ползунка, имеющего форму пластины с чашкой - держателем образца на одном конце и штоком крепления для тянущей нити - на другом, позволяет за короткое время опыта определять комплекс реологических параметров материала - образца - температур начала размягчения и текучести адгезива при заданной нагрузке (напряжении сдвига), когезионной и адгезионной прочности адгезива при заданной температуре.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами, где:
на фиг.1 приведена принципиальная схема устройства;
на фиг.2 - изображение стикера-ползунка;
на фиг.3 показана зависимость температур начала размягчения Ts и текучести Tf битумных вяжущих от сдвиговой нагрузки (напряжения сдвига);
на фиг.4 показаны кривые сдвиговой прочности битумов марок БНД и ПБВ.
Устройство для определения сдвиговых характеристик клеевых и вяжущих материалов содержит термоэлектрический модуль с элементами Пельтье 1, стикер-ползунок 2, тянущую нить 3, потенциометр 4 - индикатор перемещения верхней пластины, источник питания 5 термоэлектрического модуля с элементами Пельтье 1 и потенциометра 4, груз 6, термопару 7, двух канальный цифровой термометр (логгер) 8, компьютер 9.
Стикер - ползунок 2 выполнен в виде продолговатой пластины 10, на одном конце которой закреплена чашка 11 - держатель образца, а на другом - шток 12 для крепления одного из концов тянущей нити 3.
Температуру образца задают с помощью источника питания 5, подавая ступенчато напряжение нужной полярности на элемент Пельтье 1.
Элемент Пельтье позволяет, как нагревать, так и охлаждать образец с помощью электрического тока. Переход от одного режима к другому осуществляется переменой полярности питания элемента. При одной полярности одна сторона элемента охлаждается, а другая нагревается. При другой полярности поверхности меняются ролями. Отводя тепло от нагретой поверхности с помощью радиатора (кулера) можно усилить степень охлаждения противоположной поверхности до -50°C. При другой полярности питания образец можно нагреть до 120°C.
Температура поверхности элемента Пельтье (образца) измеряется термопарой 7. Термоэдс термопары поступает на один из входов цифрового термометра (логгера) 8, преобразуется в цифровой код термометром и далее отображается на экране монитора в виде кривой T(t).
На второй вход термометра (логгера) 8 поступает сигнал от потенциометра 4, который преобразует перемещение стикер-ползунка 2 в напряжение. Последнее отображается на экране монитора в виде кривой V(t) - сдвиговой кривой. По этим двум кривым можно установить температуру Ts начала движения стикера по поверхности элемента Пельтье (начальную температуру размягчения образца) и температуру отрыва стикера-ползунка 2 от поверхности - температуру текучести Tf образца (при заданной нагрузке на стикер-ползунок 2).
Температуру Ts находят по началу отклонения кривой вверх и температуру текучести Tf - по резкому уходу вверх сдвиговой кривой.
Устройство для определения сдвиговых характеристик клеевых и вяжущих материалов работает следующим образом.
Заполняют чашку 11 стикера-ползунка 2 образцом материала с небольшим избытком, помещают на элемент Пельтье 1, быстро повышают температуру поверхности элемента Пельтье 1 до расплавления образца.
Для приклеивания образца к поверхности элемента Пельтье 1 плотно прижимают стикер-ползунок 2 к поверхности, выдавливая избыток образца, и охлаждают до 0-5°C. К тянущей нити 3 подвешивают груз (20, 50 или 100 г), после чего повышают температуру с заданной скоростью (5-10°C/мин) с помощью переключателя источника питания 5 вплоть до отрыва стикера-ползунка 2 от элемента Пельтье 1. Записывают сдвиговую кривую, загружают файл данных в графический редактор и оформляют в виде графика, фиг.3.
Как следует из вышеизложенного, в предлагаемом устройстве преодолены основные недостатки прототипа. Обеспечен строгий контроль температуры образца самым простым образом, без использования громоздких термостатов, хладагентов и т.п., чем повышена экспрессность определений, снижены габариты и стоимость устройства. Обеспечено также постоянство толщины образца, которая равна глубине чашки 11 - держателя образца. Облегчен подбор оптимальных условий опыта путем выбора стикера-ползунка 2 с нужным размером (диаметром). С ростом прочности (вязкости) образца переходят к стикерам-ползункам меньшего диаметра, что позволяет уменьшить усилие отрыва стикера-ползунка 2 (адгезива) от поверхности субстрата.
Примеры использования устройства.
Пример 1.
Определение температур начала размягчения и текучести битумных вяжущих.
Записывали сдвиговые кривые полимер битумного вяжущего ПБВ 90 при нагрузках 20, 50 и 100 г на стикер-ползунок 2. По кривым находили температуры начала размягчения Ts и текучести Tf при разных нагрузках, фиг.3.
Меняя нагрузку на стикер-ползунок в пределах 20-100 г, можно промоделировать влияние транспортной нагрузки на битум в составе асфальтобетона: большегрузной (100 г), среднегрузной (50 г) и малогрузной (20 г). С увеличением нагрузки (напряжения сдвига) температуры размягчения и текучести вяжущего понижаются, для разных материалов в разной степени. Сильное понижение температур наблюдается для материала низкого качества.
Из приведенных на фиг.3 кривых видно, что нагрузка существенно понижает температуры Ts и Tf, при этом в области высоких нагрузок понижение температур замедляется в силу быстрого роста вязкости и прочности образца при низких температурах.
Пример 2.
1.2. Определение температур стеклования, когезионной и адгезионной прочности битумных вяжущих.
Определения проводят с использованием реологического модуля прибора при температурах ниже комнатной. Вместо грузов к стикеру-ползунку 2 подсоединяют динамометр, с помощью которого отрывают стикер-ползунок 2 от поверхности элемента Пельтье 1 при заданной температуре, отмечая показания динамометра в момент отрыва стакера-ползунка 2. Строят график зависимости усилия отрыва, кгс, от температуры, °C, рис.4.
С понижением температуры ниже 20-25°C усилие отрыва быстро возрастает в связи с переходом образца в состояние упруго вязкого, а затем хрупкого стекла. Интервал стеклования можно определить по сдвиговой кривой от начала ее подъема и до вершины.
Усилие отрыва битума от поверхности элемента Пельтье 1 достигает максимума при температуре Тм=0°c для битумов дорожных марок БНД-60/90 и БНД 90/130 и -5°C для ПБВ.
При подходе к вершине кривой отрыв адгезива от субстата происходит без оставления следов битума на поверхности. Это значит, что рвутся связи не внутри пленки битума, а связи «поверхность - адгезив» в силу того, что силы когезии при данной температуре превысили силы адгезии или стали им равными. Из фиг.4 видно, что сцепление битума с поверхностью (липкость) возрастает от битума БНД 90/130 к ПБВ «Альфабит 60».
В свете изложенного липкость (сцепление вяжущего с подложкой) можно количественно оценить как усилие отрыва при выполнении равенства сил когезии силам адгезии. В этот момент вяжущее перестает оставлять след на поверхности подложки.