Вступильное слово
Хотя меня и очень часто спрашивают, вынужден отметить: я не являюсь в данный момент ни доктором каких-либо наук, ни кандидатом в оные. Язык повествования стараюсь выбирать для наибольшего понимания базово технически-осведомленным читателем, в целях недопущения перегрузки "академическим конструкциями" сложными для восприятия. Некоторые выводы и причинно-следственные связи пока не публикуются в открытом доступе ввиду необходимости получения дополнительных подтверждений, данных и исследований. Как сказал когда-то А. Эйнштеин: "Если вы не можете объяснить что-либо просто, вы недостаточно хорошо это понимаете". И да, я очень люблю Химию, особенно Полимеры благодаря моим еще школьным: директору школы №32 г. Костромы Фроловой Н.В., учителю химии Наумовой Ю.В., а так же преподавателю химии Наумову А.Р. (как же давно это было). В целом, всё то чем занимаюсь прошу считать моим личным общественно-полезным Хобби, за результаты которого несу ответственность головой и репутацией, со всем моим уважением к Вам, мой дорогой читатель. Благодарю Вас за поддержку!
Перед тем, как мы перейдем к главному предмету, позвольте я немного отойду в сторону к ранее обсуждаемому измерителю толщины мононити, на который меня вдохновил и помог с составлением аппаратной базы @nikolz . Ключевым элементом которого является ПЗС TCD1304 (краткие ТТХ: ширина матрицы 29,2 мм., количество пикселей 3948, расположены линейно, размер пикселя 8х200 мкм., 16 бит, диапазон длин волн 330-100 нм.). Мы много обсуждали варианты таких устройств. В текущей момент в продаже, укажу всем известный Aliexpress, существует множество вариантов дорогих лазерных измерителей ,что по определенным причинам не подходит. Конструирование движется и, в ближайшей перспективе, я представлю готовое к свободному копированию устройство, но речь сейчас пойдет о способах увеличении точности. Исходя из текущего разрешения матрицы, напрашивается прямое решение "в лоб" - подсчет засвеченных и не засвеченных пикселей, при этом точность составит 8 мкм. (~ 0,008 мм.), но используя программно субпиксельную обработку (методы интерполяции по краям объекта: поиск точки пересечения сигнала с порогом, аппроксимация линейного участка фронта сигнала) позволит увеличить точность до 1-2 мкм.
Пример: Как я это понимаю. Устанавливаем порог (например, уровень АЦП = 1500), и если сигнал выше — считаем пиксель "засвеченным" - это решение "в лоб" или второй вариант (для объекта диаметром ~1.0 мм.):
Пиксель № | Сигнал АЦП |
123 | 100 |
124 | 900 |
125 | 2100 |
126 | 3000 |
Аппроксимируя линейный участок между 124 и 125 пикселями получим, к примеру 124.61 пикселя или 0,99688 мм..
Или идти в сторону увеличения размера изображения объекта (в моем случае, исходя из того что максимальный измеряемый объект будет иметь диаметр 10 мм. или 5 мм.), т. е. предел увеличения х3 - х6 за счет использования различных оптических решений, которых вижу два возможных варианта (отдельно напомню, что в качестве источника света выбран коллимированный в линию простой лазерный диод на 5 мВт):
Классическая линзовая оптика (включая линзы Френеля) - в принципе хорошее решение, но усложняется всё размытием краёв, что усложнит обработку данных. Вариантов реализации много, они при воплощении "в металле" для меня технически сложные и требуют калибровки и функции "регулирования" для соблюдения оптимальных параметров и подгонки под фокусные расстояния. Про сужающиеся гомогенизирующиеся стержни не говорю, так как не совсем подойдут в качестве увеличительной оптики, точнее я не уверен что они подойдут (но заказал на Aliexpress для экспериментов вот такой для того что бы посмотреть как будет формироваться световое пятно с мононитью).
Вот такой. Сужающийся гомогенизирующий стержень Использование Фокона (волоконно-оптический конус), о которых узнал благодаря Reddit. По сути своей фокон это пучок спеченных вместе оптических волокон (5-10 мкм.), который вытянут в осевом направлении, при этом образуется узкий вход и широкий выход за счет чего и происходит увеличение контрастного изображения без искажений. Но зверь этот редкий и дорогой, у нас, к сожалению не выпускается (по крайне мере я не нашел отечественных производителей, если Вы знаете - сообщите пожалуйста), в наличии только импортные Edmund Optics с ценой от 250 000 руб для х5,8 вход 5 мм. выход 30 мм. (как раз под ширину матрицы)... Тогда целесообразность конструирования отпадает, так как становиться эквивалентной стоимости лазерного измерителя... Но не всё так безнадежно. Мы решили попробовать сделать что-то похожее и знакомые ювелиры (огранщики камней) готовы помочь с полировкой торцов (самый важный аспект, так как микросколы искажают изображение), дело лишь за малым - спечь и вытянуть волокно в примерно нужных пропорциях. Сколько времени у меня это займет - не могу сказать, но это будет отдельный пост. При этом при использовании фокона (увеличение х5-х6) получается та же точность в 1 мкм., но без лишних танцев с бубном вокруг субпиксельной обработки...
Вот так примерно. Только это в моем случае гораздо лучше, так как не нарушается контраст. Источник изображения http://tapervision.com/
На этом, с оптикой мы заканчиваем и переходим к самому главному.
Почему же я говорю, что мы переписываем справочники по материаловедению полимеров на "кухне"?
Кто бы знал, что исследования проводимые на лабораторной установке вместо ответов будет ставить еще больше вопросов!
Я активно плавлю))) Для разработки технологических карт и исследования всех процессов получения мононитей работаю пока только с полипропиленом (PP) и полилактидом (PLA) ибо их в достатке (за полилактид и первичный полипропилен спасибо команде BestFilament).
Да существуют до сих пор проблема со стабильностью диаметра, над которой работаю (об этом чуть далее), но ведь первые экструдеры тоже были далеки от эталона стабильности?
Для верификации испытаний обратился на Кафедру химии и технологии полимерных материалов и нанокомпозитов в Институт химических технологий и промышленной экологии РГУ им. Косыгина (отдельная благодарность и признательность руководителю кафедры д.х.н. Кильдеевой Наталии Рестемовне) и получил данные испытаний PLA:
Вводные данные PLA (полилактид):
Справочно: Полилактид (PLA) при обычной экструзии (справочные данные из открытых источников) имеет прочность ~ 53 МПа, удлинение на разрыв ~3-6%.
Высота расположения оси вытяжной пары над плоскостью чаши – 235 мм.
Расстояние от оси иглы до вытяжной пары 80 мм.
Диаметр валиков вытяжной пары 39 мм. (для возможности расчета производительности).
Первичный полилактид (PLA): tconst = 215 град. C ±1 град. C.
Игла высотой 60 мм. Диаметр 15 мм.
№ | Скорость вращения вала, об./мин. | Скорость вращения вытяжной пары, об./мин. | Текс | Диаметр, мм. | Прочн., Н | Удлин., мм. | Прочность, сН/Текст | Прочность, МПа |
1. | 29 | 28 | 289 | 0,484 | 16,07 | 4,30 | 5,56 | 68,00 |
2. | 35 | 8,5 | 745 | 0,785 | 22,00 | 13,00 | 2,94 | 36,50 |
3. | 24 | 8,5 | 914 | 0,870 | 24,70 | 17,00 | 3,79 | 46,60 |
4. | 25 | 11 | 365 | 0,550 | 14,60 | 80,30 | 2,99 | 49,50 |
5. | 26 | 18 | 447 | 0,608 | 18,40 | 9,00 | 4,12 | 51,10 |
6. | 20 | 10 | 220 | 0,427 | 12,50 | 5,00 | 5,68 | 70,43 |
7. | 16,5 | 5,2 | 587 | 0,697 | 16,60 | 5,70 | 2,83 | 35,10 |
Вводные данные PP (полипропилен):
Справочно: Полипропилен (PP) при обычной экструзии (справочные данные из открытых источников) имеет прочность ~ 23 МПа, удлинение на разрыв ~ до 700%.
Высота расположения оси вытяжной пары над плоскостью чаши – 235 мм.
Расстояние от оси иглы до вытяжной пары 80 мм.
Диаметр валиков вытяжной пары 39 мм. (для возможности расчета производительности).
Первичный полилактид (PLA): tconst = 220 град. C ±1 град. C.
Игла высотой 70 мм. Диаметр 15 мм.
Пометка: С режимами работы на полипропилене я не указываю конкретные параметры работы - не могу найти свои черновики... а вторая партия испытаний по 11 режимам еще не готова, тем не менее это не мешает сделать главные выводы.
№ | Наименование | Прочность, МПа | Среднеквадратическое отклонение | Абсолютное удлинение образца 100 мм., мм. |
1. | Режим №1 | 34,42 | 3,33 | 594,5 |
2. | Режим №2 | 23,23 | 6 | 53 |
3. | Режим №3 | 21,97 | 5,74 | 374 |
4. | Режим №4 | 15,45 | 0,64 | 66 |
5. | Режим №5 | 23,68 | 8,68 | 237 |
Всё что будет написано далее - прямые выводы из результатов испытаний, но очень любопытно было бы помимо изучения удлинения на разрыв и прочности на разрыв получить доступ к лаборатории в которой можно испытать другие физико-механические параметры, провести рентгеновскую дифракцию, ИК-спектроскопию с поляризацией и электронную микроскопию для более детального изучения структуры получаемого продукта. Буду очень благодарен, если кто-либо заинтересуется и мы вместе сможем провести исследования, этого мне очень не хватает, а для хобби такие затраты на эти исследования неоправданно дороги!
Я абсолютно уверен что указанные тенденции и свойства актуальны для всех термопластов, в перспективе и для остальных полимеров, если получиться провести подобные исследования.
Могу с уверенностью сказать, что теперь при сравнении полимеров было бы неосмотрительно руководствоваться справочниками с прочностными характеристиками. Замечу, что гранулы термопластов (исходное сырье для мононитей) получены практически со 100% вероятностью экструзионным способом. И клеймить как плохой условно отечественный полипропилен с прочностью на разрыв, например в 20 МПа ,сравнивая с каким-нибудь BASF и прочностью в 23 МПа - совершенно некорректно, так как эти цифры теперь говорят исключительно лишь о параметрах процесса экструзии на производстве, в ходе которого всё же происходит некоторая усредненная структуризация на молекулярном уровне.
Если увеличение прочности я изначально прогнозировал и понимал, то почему прочность при определенных условиях падает в сравнении со справочными данными было совершенно необъяснимо, причем что так что так, отклонения составляли порядка 30%-35%, пока не пересмотрел свои взгляды, т. е. не поставил под вопрос догматичность пределов справочной прочности в совокупности с удлинением (чем прочнее, тем меньше удлинение). Вот тогда всё встало на свои места. Это означает, что реальные показатели (по текущим испытаниям) прочности полипропилена могут быть в диапазоне от 15 до 35 МПа и независимо от прочности удлинение от 50% до 700%, аналогично полилактид с диапазоном прочности от 35 до 70,5 МПа и удлинением от 3% до 17%. Это в значительной степени требует расширения и дополнения в стандартные реологические модели, в связи с тем, что экспериментально показана независимость удлинения и прочности на разрыв. О как! Т. е. процесс не ухудшает физико-механические показатели, а именно показывает реально достижимые возможные физико-механические параметры полимеров без изменения их состава и без химических модификаций. При этом важно отметить, что существующие справочные данные данные указаны и для ориентированных нитей.
Постараюсь объяснить. Когда мы получили экструзией какую-либо нить она уже обладает прочностью, например возьмем полипропилен 23 МПа (ничего другого экструзией получить практически нереально, цифры будут примерно сопоставимы и соответствовать справочным), затем берут эту нить и вытягивают (подвергают пластической деформации), это как если взять филамент 1,75 мм. и начать его вытягивать, но не рвать, при этом нить равномерно утончается, на молекулярном уровне происходит осевая ориентация и вот у нас условно получилась новая нить, к примеру 0,8 мм которую мы теперь будем испытывать (как бы забыв что это всё та же толстая, но вытянутая нить) и весь фокус в том, что новая нить получиться с прочностью выше (даже если будет та же условная нагрузка), то при перерасчете в абсолютные МПа - прочность материала "по бумагам" выйдет больше. Вот такой нехитрый способ позволяет написать: теперь верхняя граница прочности условные 35 МПа, но таки-да - удлинение маленькое. А применение технологии на эффекте Вайсенберга - говорит совершенно о других результатах, в том числе о возможности целенаправленного программирования заранее свойств будущей нити сразу, при её создании под нужные физико-механические свойства, т.е. можно получить прочную нить еще и с возможностью удлинения или наоборот. И это я не упоминаю о возможности создания трубчатых и слоистых (оболочечных) комбинированных изделий. Сейчас я плотно занят как раз выявлением взаимосвязей и составлением подробных технологических карт - это съедает очень много времени.
Прочность в МПа по сути своей — это интегральный показатель микроструктуры:
Чем больше ориентации макромолекул вдоль оси нити → тем выше прочность.
Если удлинение при разрыве остаётся прежним, это говорит о контролируемом балансе между кристаллической и аморфной фазой. Таким образом, с помощью этой технологии я могу воспроизводимо и целенаправленно менять прочность, т. е. управлять процессом формирования структуры полимера в процессе формования нити. А это уже совсем другой разговор и это всего лишь два проверенных физико-механических показателя... Это действительно круто, так как заставляет пересмотреть основные свойства полимеров, по крайне мере термопластов точно!
А почему же на кухне? Ранее я упоминал, что все эксперименты я провожу на собственной кухне, в свободное время, на лабораторной установке собранной с помощью простой токарной обработки с электронными комплектующими с Aliexpress.
Ранее я упомянул о нестабильности диаметра, с которым борюсь, одна из причин - неравномерный расплав. Вот тут нам как раз поможет экструдер с которым я и соединю чашу (самый простой одношнековый, но с фильтрующей сеткой на выходе для гомогенизации расплава). И да, вместо того что бы приобретать по баснословным ценам (которыми я считаю цены от 100 000 за настольную версию, а у нас в стране настольные версии на всем известном портале для 3D-печати предлагают за 400... ) лучше посмотреть то же самое на том же Китайском сайте, где вполне приличные варианты стоят от 25 000 (чего для домашнего изготовления филамента более чем достаточно):
На этой позитивной ноте я заканчиваю и отправляюсь в свою "Подпольную лабораторию", желаю Вам всего хорошего, удачи и процветания! Приглашаю к обсуждению, особенно если Вы заметили опечатку или неточность. До скорых встреч!
