ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Определение деформационных свойств полимеров при ргстяжении из "Практикум по химии и физике полимеров Издание 2" Способность к большим обратимым деформациям является характерным свойством полимерных материалов. Это свойство характеризует внутреннюю реакцию полимера на внешнее воздействие, выражающуюся в деформации — изменении формы полимерного образца. В зависимости от видов воздействия на полимерный образец различают деформации растяжения, сжатия, изгиба, сдвига, кручения, всестороннего сжатия и др. Наиболее важным деформационным свойством полимеров является зависимость деформации е от величины прилагаемого напряжения о — так называемая диаграмма напряжение — деформация. Такие диаграммы снимают на разрывных машинах и динамометрах. [c.157] Линейные аморфные полимеры в зависимости от температуры могут находиться в трех физических состояниях стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Типичные диаграммы г — (а) для аморфных полимеров приведены на рис. 8.1. [c.157] В стеклообразном состоянии полимеры способны развивать незначительные деформации под действием небольших напряжений (рис. 8.1, кривые 1 и 2). [c.157] Модуль упругости характеризует устойчивость материала к деформации под действием внешних нагрузок. Упругая деформация невелика и полностью обратима. Она обусловлена изменением расстояний между атомами вещества. При этом работа внешних деформирующих сил расходуется на преодоление внутренних сил взаимодействия, т. е. упругая деформация полимеров носит энергетический характер. [c.158] Ниже температуры хрупкости Гхр стеклообразного полимера, когда гибкость цепи очень низка, полимер способен развивать только упругую деформацию, как и низкомолекулярные твердые тела (рис. 8.1, кривая 1). Дальнейшее деформирование образца полимера, находящегося в таком состоянии, приводит к его разрушению. Таким образом, ниже Гхр полимер не обладает преимуществами по сравнению с низкомолекулярными твердыми веществами. Нагрузка на единицу поперечного сечения образца, при которой наступает его разрушение в процессе деформирования, называется разрушающим напряжением Ор. В зависимости от вида дефор.мации различают разрушающее напряжение при растяжении, сжатии, изгибе и др. [c.158] В стеклообразном состоянии для полимеров характерны лишь малые деформации при небольших напряжениях. Однако в отличие от низкомолекулярных веществ полимеры, находящиеся в стеклообразном состоянии, под действием больших усилий способны развивать при определенных условиях значительные деформации (до нескольких сотен процентов). Способность стеклообразных полимеров развивать большие деформации называют вынужденной эластичностью, а деформацию — вынужденно-эластической. Вынужденно-эластическая деформация развивается в температурном интервале между Гхр и температурой стеклования полимера Тс. [c.158] В высокоэластическом состоянии полимер развивает очень большие обратимые деформации под действием небольших приложенных напряжений. Полимеры, находящиеся в высокоэластическом состоянии, называются каучуками, или эластомерами. Сущность высокоэластичности состоит в распрямлении свернутых гибких цепей под влиянием приложенных нагрузок и возвращении цепей к первоначальной форме после снятия нагрузок. Высокоэластичность, как и вынужденная эластичность, имеет кинетический характер и она обусловлена подвижностью макромолекул, которая в высокоэластическом состоянии несравненно выше, чем в стеклообразном. В результате в высокоэластическом состоянии большие деформации развиваются при малых напряжениях, а в стеклообразном — при значительно больших напряжениях. После снятия нагрузки усилие, возникающее из-за стремления макромолекул принять равновесное свернутое состояние, возвращает эластомер в исходное состояние, а застеклованный полимер остается в деформированном состоянии. Типичная кривая е= /(о) для эластомеров приведена на рис. 8.1 (кривая 3). [c.159] СЯ легко, а в полимерах оно существенно затруднено из-за большой длины макромолекул и вследствие этого больших межмолекулярных взаимодействий. Вследствие наличия течения при деформировании полимеров полного восстановления размеров образца после снятия нагрузки не происходит. Разность между размерами образца до и после нагрузки называется остаточной деформацией. [c.160] Течение является нежелательным процессом для полимеров, эксплуатирующихся в высокоэластическом или стеклообразном состоянии. Поскольку течение происходит в результате движения макромолекул относительно друг друга, то связывание макромолекул эластомеров между собой редкими поперечными химическими связями (сшивка, вулканизация) приводит к значительному снижению остаточного удлинения (резины). Однако при большой густоте сетки макромолекулы теряют подвижность и полимер утрачивает эластичность и становится твердым (эбонит). С повышением температуры энергия взаимодействия между макромолекулами уменьшается и возрастает етеч, поэтому бтеч довольно велика при температурах, соответствующих вязкотекучему состоянию полимеров. [c.160] В вязкотекучем состоянии для полимеров наибольший вклад в общую деформацию вносит деформация течения, но при этом проявляется также способность полимеров к высокоэластическим деформациям. Высокоэластичностью расплавов полимеров объясняется эффект разбухания струи, выдавливаемой из отверстия. Долей упругой составляющей в общей деформации полимера в текучем состоянии практически можно пренебречь. [c.160] Кристаллические полимеры под действием приложенных напряжений способны развивать значительные деформации (до нескольких сотен процентов). Характерные кривые е = /(0) для кристаллических полимеров приведены на рис. 8.2. Помимо упругой деформации кристаллические полимеры при больших нагрузках проявляют вынужденно-эластическую деформацию. [c.160] Вследствие ориентации макромолекул их свойства в различных направлениях относительно направления ориентации существенно различаются, т. е. наблюдается анизотропия свойств. Анизотропия свойств также проявляется и в деформированных стеклообразных полимерах. [c.161] Значительное влияние на деформационные свойства полимеров оказывают химическое строение и характеристики макромолекул (молекулярная масса и ММР, гибкость цепей, наличие разветвлений и сшивок, регулярность строения и др.), а также надмолекулярная структура полимеров. Молекулярная масса полимеров существенно влияет на Гхр, Гс и Гт полимеров и поэтому варьированием молекулярной массы можно изменять температурные интервалы реализации полимерами различных физических состояний, т. е. изменять температурные области эксплуатации и переработки полимеров. Повышение молекулярной массы полимеров расширяет температурную область высокоэластического и вынужденно-эластического состояний вследствие снижения их Гхр и повышения Гп.т Высокоэластическая и вынужденно-эластическая деформация наступают лишь по достижении определенной критической молекулярной массы, при которой цепи способны проявлять достаточно высокую кинетическую гибкость и макромолекулы вследствие их большой длины сильно взаимодействуют друг с другом. При увеличении молекулярной массы до некоторого предела относительная деформация сначала возрастает, а затем практически не изменяется. [c.161] Деформационные свойства полимеров зависят также от кинетической гибкости макромолекул. Гибкость макромолекул определяется не только их химическим строением, но и существенно зависит от температуры. С повышением температуры понижается модуль упругости, разрушающее напряжение и предел текучести, а относительное удлинение возрастает (за исключением области температур, близких к температуре текучести или плавления полимеров) (см. рис. 8.2). [c.161] Деформационные свойства полимеров зависят от их структуры, которая в свою очередь определяется методом переработки (из раствора, расплава) и условиями изготовления изделий из полимеров (температурно-временной режим, давление и др.). Поэтому к условиям формования образцов предъявляются вполне определенные требования. [c.162] Все полимерные материалы при длительном воздействии внешних сил )азрушаются при напряжениях, которые значительно меньше напряжений, возникающих при быстром воздействии силы. Это означает, что сопротивление разрыву зависит от времени действия силы. Время от момента приложения силы до момента разрыва образца называется долговечностью материала. Зависимость логарифма долговечности от приложенного напряжения для различных материалов выражается прямой линией. Увеличение нагрузки приводит к уменьшению долговечности. Таким образом, Ор — это удельная нагрузка на. материал, при которой его долговечность близка к нулю. [c.162] Таким образом, деформационные свойсгва одного и того же полимера зависят от целого ряда факторов предыстории, температуры испытаний, скорости приложения деформации, продолжительности воздействия нагрузки и др. Следовательно, деформационная характеристика полимера—величина весьма относительная, зависящая ог многих факторов. Условия изготовления образцов, их кондиционирования и проведения эксперимента оговариваются в ГОСТ или в ТУ на данный полимер или в ГОСТ на данное испытание. [c.163] Большое число факторов, влияютцих на деформационные свойства полимеров, а также несовершенство измерительной техники вызывает естественный разброс результатов измерений. Поэтому на практике испытания проводят несколько раз и за окончательный результат принимают среднее арифметическое значение определяемого показателя. [c.163] Установление равновесного состояния в системе происходит во времени. Это вpe, я азывается временем релаксации. Релаксация— это процесс ) становления статистического равновесного состояния в системе. Па практике о времени релаксации судят по тому, с како11 скоростью макроскопические величины, характеризующие состояние системы (о, в, Е и др.), приближаются к своим равновесным значениям. Например, время релаксации можно оценивать по времени достижения максимальной деформации образцом под действием постоянной нагрузки или по времени снятия напряженности в образце, подвергнутому деформации — релаксации напряжения. [c.163] Вернуться к основной статье