Упругость и вязкоупругость полимеров

Жидкости относятся к вязким и упругим средам, полимеры - к вязкоупругим. [c.5]

Для расчета абсолютного уровня температурных полей в случае применения степенного закона необходима, по нашему мнению, количественная оценка соотношения вязкой (необратимой, диссипативной) и упругой составляющих энергии, затрачиваемой на деформацию полимера. Это можно выполнить, если исходить из соотношения между средним временем релаксации и временем переработки полимера. Тогда решение системы (2)—(4) с учетом уравнения (6) возможно во всех случаях, кроме тех, когда вязкоупругость полимеров приводит к значительной аномалии гидродинамической обстановки процесса, как это бывает, например, в дисковых и комбинированных экструдерах. Тогда система уравнений (2)—(4) должна решаться совместно с уравнением состояния (7) или ему подобным. [c.99]

Зависимость упругой деформации от напряжения идеальных каучукоподобных полимеров характеризуется наличием трех участков участка быстрой обратимой деформации, участка высокоэластической обратимой деформации и участка насышения упругой деформации. Первый соответствует малым деформациям, не связанным со значительными взаимными перемещениями звеньев молекулярных цепей и, следовательно, с проявлением трения между ними, а поэтому развивается практически мгновенно, характеризуется модулем быстрой деформации — отношением напряжения к величине мгновенной деформации. Второй (основной) связан с перемещениями звеньев гибкой цепи на расстояния порядка размера клубка. Он вносит основной вклад в величину упругой деформации полимера и является участком высокоэластической деформации. Взаимодействие между звеньями цепи на этом участке процесса деформирования препятствует их быстрому взаимному перемещению и проявляет себя как вязкое сопротивление движению звеньев. Это приводит к тому, что достижение равновесной величины упругой деформации требует заметного времени. Часть приложенного к материалу напряжения идет при этом на преодоление вязких сил сопротивления, а часть — на преодоление упругости молекулярных клубков. В итоге модуль эластической деформации — отношение приложенного напряжения к величине вызванной им упругой деформации — возрастает по сравнению с модулем быстрой деформации и тем сильнее, чем больше скорость деформации. Иначе говоря, на участке высокоэластической деформации одновременно действуют силы и упругого, и вязкого сопротивления. Количественное описание эластической деформации основано на модели вязкоупругого твердого тела Кельвина. [c.817]

УПРУГОСТЬ и ВЯЗКОУПРУГОСТЬ ПОЛИМЕРОВ [c.151]

В чисто научном смысле температурная зависимость вязко-упругих свойств полимеров представляет интерес с двух основных точек зрения. Во-первых, как это было показано в гл. 6, невозможно получить, используя один экспериментальный метод, всю область исследуемых частот, чтобы оценить релаксационный спектр при одной температуре. Поэтому для значительного облегчения выполнения эксперимента следует менять температуру так, чтобы интересующие исследователя релаксационные процессы происходили в доступном временном интервале. Такой подход предполагает, разумеется, наличие простой взаимосвязи между выбранными интервалами времени и температуры. Ниже будет показано, в какой степени справедливо это предположение. Во-вторых, представляется необходимым достижение молекулярного объяснения вязкоупругого поведения. В общем случае свойства полимеров меняются при переходе из стеклообразного в высокоэластическое состояние либо с ростом температуры, либо с увеличением продолжительности воздействия. Что касается стекло- [c.127]

Огромное большинство тел обнаруживает наряду с текучестью известную (иногда значительную) упругость и полимеры особенно характерны в этом отношении. Вот почему реология изучает не только необратимые, но и обратимые деформации тел. Само возникновение реологии 30—40 лет назад было обусловлено широким применением в технике вязкоупругих материалов. Поэтому наиболее общей целью реологии является изучение закономерностей деформирования вязко-упругих тел. [c.150]

Учебник в целом соответствует новой программе Высокомолекулярные соединения , разработанной на одноименной кафедре МГУ. Его основное содержание составляют так называемые базовые знания, при этом особое внимание уделено тем из них, которые раскрывают физическую природу уникальных свойств полимеров. Соответствующие разделы, касающиеся молекулярной физики, упругости и вязкоупругости полимеров, сведены в отдельную главу. В книге приводится также материал, отражающий последние достижения науки о полимерах. Во многих случаях он сопровождается постраничными ссылками, что позволит проявившим интерес студентам получить информацию из первых рук . [c.3]

АВ — область упругого поведения полимера ВС — вязкоупругого СО — область пластической деформации. [c.331]

Это уравнение отражает идеальное (ньютоновское) течение жидкости, которое характеризуется следующими тремя чертами появлением сдвиговых деформаций при сколь угодно малых напряжениях, отсутствием эффектов упругости при течении и независимостью вязкости от скорости и напряжения сдвига. Полимеры, однако, обнаруживают отклонение от ньютоновского течения по всем указанным признакам. Во-первых, они могут проявлять признаки пластических тел, т. е. тел, характеризующихся наличием предела текучести — критического напряжения, только после достижения которого способно развиваться течение. Во-вторых, течение полимеров сопровождается накоплением высокоэластической энергии, что вызывает появление напряжений, перпендикулярных направлению течения, и, как следствие этого, разбухание экстру-дата, усадку образца и т. д. Полимеры, таким образом, наиболее ярко проявляют признаки вязкоупругих тел. Наконец, вязкость полимеров, как правило, сильно зависит от у и т, уменьшаясь с возрастанием последних (явление аномалии вязкости). Вязкость, соответствующая данному режиму течения и называемая обычно эффективной, будет рассмотрена ниже, здесь же мы остановимся на молекулярной трактовке ньютоновской вязкости [c.50]

Прочность полимерных материалов приобретает все более актуальное значение. До появления кинетической точки зрения на разрушение полимеров придерживались представлений о разрушении исключительно с позиций механики упругих твердых тел, имеющих дефекты. Однако экспериментальные факты [33—36] доказывают существенную роль вязкоупругих релаксационных явлений при разрушении полимеров. В этой связи построение математической модели кинетики набухания, учитывающей релаксационные явления в полимере, актуально для нахождения благоприятных условий проведения процесса с целью уменьшения брака при производстве ионообменных материалов аналитического назначения (хроматографического и ядерного класса). При этом описание релаксационных явлений в полимерных материалах связывается с рассмотрением их как сплошных сред, которые по своим механическим свойствам занимают промежуточное положение между упругими твердыми телами и вязкими жидкостями (что приводит к возникновению явлений вязкоупругости). [c.300]

Деформирование полимеров не описывается ни одной из этих крайних схем. Поэтому концентрированные растворы и расплавы полимеров характеризуются различными комбинациями упругих и вязких свойств. В соответствии с этим говорят о вязкоупругих, или упруговязких, системах. [c.162]

При частичном проникновении жидкости или пара в матрицу возникают градиенты концентраций, которые действительно оказывают прямое механическое действие вследствие неоднородного набухания или косвенное действие вследствие неоднородной релаксации или распределения напряжений. Подобные действия даже усиливаются в присутствии температурных градиентов и могут вызвать быстрое образование обычных трещин и трещин серебра. В случае медленного проникновения окружающей среды в однородную матрицу с достаточно перепутанными цепями вынужденные напряжения обычно снимаются упругими или вязкоупругими силами. Например, в листах поликарбоната после проведения искусственных погодных испытаний не обнаруживаются трещины даже после воздействия суровых температурно-влажностных циклов [212]. Однако за относительно короткий период, 30—32 мес, естественных погодных испытаний на стороне, обращенной к солнечным лучам, возникала сетка поверхностных микротрещин. Путем сравнения с искусственным ультрафиолетовым облучением образцов авторы работы [212] смогли показать, что фотохимическая деградация поверхностных слоев вносит дефекты в материал и снижает прочность полимера в такой степени, что вызванные физически неоднородные напряжения стимулировали образование микротрещин, а не рассасывание неоднородностей. Влияние жидкой среды на образование обычной трещины и трещины серебра будет рассмотрено в разд. 9.2.4 (гл. 9). [c.319]

Экстремальное изменение напряжений — нелинейное вязкоупругое явление, поэтому оно не предсказывается в рамках теорий линейной вязкоупругости. Заметим, что в процессах переработки полимеров напряжения экстремально возрастают в периоды, соответствующие заполнению формы при литье под давлением и при получении заготовки в периодических процессах формования с раздувом. Полагают поэтому, что эта особенность реологического поведения оказывает влияние на ход этих процессов. Более того, особенности вязкоупругого поведения полимеров, в частности их способность к релаксации напряжений и упругому восстановлению, играют важную роль в процессах переработки полимеров (особенно сильно они влияют на структурообразование и формуемость). Как было показано в гл. 3, остаточные напряжения и деформации, существующие в изделии после формования, в значительной степени определяют его конечные морфологию и свойства. [c.139]

Вязкое течение линейных полимеров является одним из важных случаев проявления их вязкоупругих свойств. Наряду с упругой и высокоэластической составляющими деформации при определенных условиях в полимерах может развиваться также необратимая пластическая деформация (текучесть). Для линейных некристаллических полимеров она проявляется при Т>Тс, а для кристаллических —при 7 >Гпл- [c.161]

Приведенные выше механические модели называются линейными, поскольку они описывают только начальный прямолинейный участок кривой растяжения. Упругость эластомера в этой линейной области называют линейной вязкоупругостью. Надмолекулярная структура полимера в этой области меняется незначительно (малые деформации) и ее практически можно считать неизменной. [c.126]

Большинство полимеров применяют в технике в интервале таких напряжений и деформаций, при которых наблюдается линейная вязкоупругость [115, 137, 138]. Неорганические полимеры (силикатные стекла) также являются линейными вязко-упругими материалами [139]. [c.207]

Модуль эластической упругости в силу его зависимости от скорости деформации не является инвариантной характеристикой полимера. Истинный модуль равновесной высокоэластической упругости О вычисляется путем экстраполяции зависимости модуля от скорости деформации к нулевой величине скорости деформации, используя ту или иную теоретическую модель вязкоупругого материала (см. подраздел 3.10). [c.817]

Вязкость характеризует деформационные свойства полимера не только в жидкотекучем, но и в высокоэластическом состоянии. Как было отмечено выше, процесс высокоэластической упругой деформации сопровождается действием сил вязкого сопротивления. С другой стороны, течение жидкого полимера, даже если оно начинается при сколь угодно малой величине напряжения, сопровождается накоплением в материале внутренних упругих напряжений, вызванных деформацией клубков под действием сил вязкого трения. В том и другом случае величина вязких напряжений в деформируемом материале, в соответствии с законом внутреннего трения Ньютона, пропорциональна скорости деформации. Соотношение между упругими и вязкими напряжениями в простейшем случае описывается в высокоэластичном состоянии уравнением деформации вязкоупругого твердого тела (тела Кельвина), а в состоянии вязкой жидкости — уравнением деформации вязкоупругой жидкости (тела Максвелла). [c.818]

Изложенные выше особенности релаксационных свойств наполненных полимеров указывают на то, что по своим вязкоупругим свойствам они должны отличаться от ненаполненных систем. Однако если ранее рассматривались только изменения релаксационных свойств собственно полимеров, обусловленные взаимодействием макромолекул с поверхностью, то вязкоупругие свойства композиции определяются тремя факторами свойствами поверхностных слоев полимера образованием дополнительных связей полимер — поверхность, эквивалентным увеличению плотности сетки наличием частиц наполнителя и при определенных условиях — структур, образованных этими частицами. Исследование вязко-упругих свойств наполненных полимеров существенно для оценки поведения изделий из них в условиях эксплуатации. Несмотря на важность проблемы, динамические механические свойства полимеров, содержащих наполнители, исследованы недостаточно. [c.136]

СИХ пор не исследовался, с целью проверки высказанных выше соображений нами были проведены исследования вязкоупругих свойств наполненных полимеров в динамическом режиме нагружения. Были изучены частотные и температурные зависимости модуля упругости при сдвиге G и тангенса угла механических потерь tg6 для эпоксидной композиции с различной концентрацией кварцевого наполнителя. Из приведенных зависимостей G от частоты деформирования были вычислены спектры времен релаксации. На рис. И1. 32 построена спектральная функция Н для различных времен релаксации т их при различных объемных долях наполнителя Ф. При малой концентрации наполнителя (Ф = 0,04) спектр времен релаксации претерпевает заметные изменения лишь в области малых времен, несколько смещаясь в сторону малых времен релаксации. [c.140]

Представление о локальном распределении свободного объема приводит к необходимости его учета при рассмотрении вязкоупругих свойств полимеров. Такие характеристики механических свойств, как модуль упругости, вязкость и пр., определяются общим свободным объемом системы, так как при измерении этих характеристик нельзя выделить вклад в них тех или иных областей различной структуры. Экспериментально же определяются свойства системы независимо, от того, связаны ли они с проявлением локальных свойств определенных областей системы или Нет. Изменение, например, вязкоупругих свойств наполненного полимера по сравнению с ненаполненным связано с заполнением части объема наполнителем, в то время как свободный объем определяется только полимерной фазой. Поэтому при 7 с доля свободного объема в системе окажется меньше, чем в ненаполненном полимере, так как величину свободного объема надо относить к общему занятому объему системы. В микрогетерогенных системах, таким образом, значения доли свободного объема при 7 с не будут соответствовать универсальному значению. Если свободный объем системы рассматривать как сумму парциальных свободных объемов компонентов а = у 4-у, то при 7 , [c.244]

Полимерные материалы, и в частности пластмассы, относятся к классу вязкоупругих сред. Это означает, что их механические свойства характеризуются сочетанием показателей, типичных как для упругих тел, так и для вязких жидкостей. Поэтому классические методы определения модулей упругости твердых тел и вязкости жидкостей не дают однозначных, и следовательно физически осмысленных, результатов при попытках приложения этих методов к реальным полимерам. [c.97]

Два важных ( остоятельства отличают вязкоупругость полимеров от вязкоупругости низкомолекулярных тел. Во-первых, масштаб времени. Для обнаружения упругости воды нужна очень большая скорость действия силы, для обнаружения вязкой деформации льда нужно очень большое время. Полимеры обнаруживают вязко-упругую деформацию при обычных временах действия силы. Во-вторых, масштаб упругой деформации. Упругая деформация до разрушения в низкомолекулярных телах составляет доли процента или несколько процентов. В полимерах упругая (эластическая) деформация может составлять десятки, сотни, а то и тысячи процентов. Условия проявления такой большой упругой деформации мы разберем ниже. [c.100]

Упруго-гнстерезисные свойства вязкоупругих полимеров фи деформировании их в синусоидальном режиме оцеиивают- я комплексным динамическим модулем [c.295]

Как видно из рисунка, не наблюдается линейной зависимост ТКР от 02, т, е. наполнитель активно препятствует деформацн связующего. Степень отклонения от линейности зависит о структуры и фор.мы частиц наполнителя. К сожалению, в лите ратуре сравнительно мало результатов систематического иссле дования изменений объема эпоксидных композитов и полимеров в ходе отверждения, охлаждения и термообработки, поэтому для количественного рассмотрения этого вопроса приходится использовать приведенные выше данные о ТКР и эмпирические выражения, полученные для описания зависимости ТКР от со-дернония наполнителей. В литературе предложен ряд выражений, полученных для полимеров, наполненных сферическими частицами. При дальнейшем рассмотрении следует иметь в виду, что под а в приведенных ниже формулах подразумевается как объемный, так и линейный ТКР ( об = За лнн), я также усадка полимера, выраженная в объемных долях. Все эти выражения получены исходя из упругого поведения полимера и наполнителя без учета особенностей вязкоупругого поведения [c.94]

Даже в линейной области отклик на механические напряжения следует рассматривать как вязкоупругий, а не упругий. Большинство полимеров, обладающих линейными вязкоупругими свойствами при малых деформациях (<1%), ведут себя нелинейно при деформациях порядка 1% или более. Однако в композиции с волокном полимер способен проявлять совершенно иные качества, чем в блоке. Концентрации напряжений и деформаций в локальных областях могут превосходить предельные значения для линейной области, поэтому композиции могут проявлять нелинейные свойства [40, 938], как это наблюдается в случае полимеров, наполненных порошками (см. разд. 12.1.2). Хотя уже при низких деформациях наблюдается нелинейность, Халпин и Пагано [356] предсказали существование общих соотношений для изотропных линейных вязкоупругих систем и проверили свои расчеты на кау чуках, усиленных волокнами. [c.364]

Даже при таких малых деформациях кажущийся модуль Юнга зависит от скорости деформирования. Это указывает, что Е неоднозначно определяется энергией упругого деформирования угловых связей в цепях, длиной связей и межмолеку-лярными расстояниями, но, кроме этого, характеризуется чувствительностью ко времени смещений атомов и небольших атомных групп. В следующей области деформации (1—5%) напряжение и деформация уже не пропорциональны друг другу. Здесь происходят структурные и конформационные перестройки, которые обратимы механически, но не термодинамически. В этом случае говорят о неупругом (вязкоупругом в узком смысле), или параупругом, поведении. За пределом вынужденной эластичности начинается сильная переориентация цепей и ламеллярных кристаллов, а сам процесс обычно носит название пластическое деформирование . Под чисто пластическим деформированием можно понимать переход от одного равновесного состояния к другому без внутренних напряжений. Последнее особенно важно в связи с тем, что следующая после предела вынужденной эластичности деформация связана главным образом с механически обратимыми неупругими конфор-мационными изменениями молекул, а не с их перемещением друг за другом. До тех пор пока не достигнуто состояние равновесия с помощью соответствующей термообработки, сильно вытянутые образцы могут в значительной степени возвращаться в исходное состояние после снятия напряжения. Исходя из содержания настоящей книги, основное внимание следует уделять не процессам, вызывающим или сопровождающим молекулярную переориентацию (которая в основном понимается как эффект упрочнения), а процессам повреждения, т. е. разрыва цепи, образования пустот и течения. Последние процессы постепенно нарастают в области деформаций сразу же за пределом вынужденной эластичности вплоть до окончательного разрушения. К числу процессов, вызывающих повреждения, следует также отнести явление вынужденной эластичности при растяжении или образование трещины серебра в стеклообразных полимерах, которые будут рассмотрены в гл. 9. [c.38]

Расплавы полимеров ведут себя как ньютоновские жидкости только при очень малых скоростях сдвига. Более того, как указывалось в разд. 6.3, уравнения ЛВУ ограничиваются очень малыми деформациями. При более высоких скоростях деформаций и при больших деформациях применяются нелинейные определяющие уравнения вязкоупругости типа рассмотренных в разд. 6.3 уравнений ЗФД, Уайта—Метцнера, ГМ, БКЗ, Лоджа или Богью. Только с помощью более сложных уравнений удается полуколичественно описать реологическое поведение расплавов полимеров, остальные согласуются с экспериментом лишь качественно. Тем не менее теория линейной вязкоупругости полезна по следующим соображениям 1) она дает возможность понять, почему полимеры проявляют вязко-упругое поведение, а также качественно показывает тенденции зависимости их механических свойств от времени 2) она объясняет наблюдаемую экспериментально температурно-временную эквива- [c.151]

Итак, большая длина цепных макромолекул прчводит к появлению у них гибкости. Гибкость ограничена взаимо йствием атомов и атомных групп, связанных с основной цепью. )то взаимодействие ограничивает свободу вращения вокруг углерод-углеродных связей в макромолекуле. Чем больше взаимодействие, тем выше барьер вращения и тем меньше гибкость макромолекулы. Гибкость макромолекул проявляется в характерной для полимеров зависимости свойств от температуры и обусловливает существование трех физических состояний полимера и особенности его кристаллической структуры. Наличие двух основных элементов структуры — макромолекул и их сегментов — обусловливает особенности надмолекулярной структуры и, в частности, существование флуктуационной сетки. Все это вместе делает для полимера наиболее типичной не чисто упругую или чисто вязкую (необратимую) деформацию, а деформацию вязкоупругую. [c.105]

Вязкоупругими называются жидкости, проявляющие как упругое восстановление формы, так и вязкое течение. Такие свойства проявляют жидкости, содержащие смолы, полимеры, битумы и т.д. Модель вязкоупругой жидкости можно составить, если предположить, что вязкая составляющая характеризуется законом Ньютона, а упругая - законом Гука. Тогда при установившемся [c.29]

Для экспрессной оценки упругих свойств растворов полиакриламида авторы используют метод вытягивания нити, реализованный с помощью прибора конструкции ИПНГ РАН. Метод основан на явлении прядомости вязкоупругих жидкостей. Благодаря наличию упругих свойств растворы полимеров способны образовывать сравнительно долгоживущие нити, скорость утончения и время жизни которых зависит от времени релаксации системы. К достоинствам метода можно отнести его экспрессность и достаточную точность недостатком является условность определяемого времени жизни нити. При этом эффект прядомости, то есть образования долгоживущих нитей, проявляется в довольно узком диапазоне вязкостей и упругостей сшитых растворов, когда жидкость еще сохраняет текучесть. Тем не менее данный метод весьма информативен в тех случаях, когда не представляется возможным измерить время релаксации в условиях чистого сдвига или вычислить из данных ротационной вискозиметрии. [c.55]

Таким образом, несмотря на то, что определенная часть материала в пре- елах одного и того же образца обладает величинами модуля, характерными ля переходной зоны, механ1Ргесюе поведение является упругим, как у сте-ол или резин, а не вязкоупругим, характерным для всех полимеров в пере-одной области. [c.291]

Принцип суперпозиции Больцмана применим для всех полимеров, структура которых не зависит от приложенных сил и ие меняется во времени. Ои позволяет описывать линейное вязкоупругое поведение системой дифференциальных уравнений вида La = Dt,, где L и D—линейные дифференциальные операторы по времени. Это выражение эквивалентно описанию вязко-упругого поведения с помощью моделей, состоящих из упругих пружии с различными модулями E и вязких элементов с вязкостями т) (рис. IX. 2). Пружинам приписываются механические свойства идеальной упругости — закон Гука, а вязким элементам — свойства идеально вязкой жидкости — закон Ньютона. [c.214]

В целом же гибкоцепные аморфные и кристалло-аморфные полимеры в своем упруго-деформационном поведении не только подчиняются сходным закономерностям, но и описываются лрактически одинаковыми уравнениями линейной или нелинейной вязкоупругости, различающимися лишь входящими в них параметрами. [c.348]

Выше температуры размягчения упругость полимеров не идеальна, так как упругое восстановление после деформации образца не является полным ( остаточная деформация ). Это происходит потому, что внутренние напряжения внутри образца, вызванные деформацией сегментов, при взаимном перемещении макромолекул могут быть компенсированы, что, в свою очередь, вызывает уменьшение восстанавливающей силы. Такого рода процессы называются релаксационными. При более высоких температурах процессы релаксации протекают быстрее (усиление мак-роброуновского движения), хотя сам полимер в расплавленном состоянии еще остается упругим, так как макромолекулы находятся в виде переплетенных клубков. Поэтому расплавы высокомолекулярных веществ называют также вязкоупругими жидкостями. Вязкоупругие свойства отчетливо обнаруживаются только в определенном температурном интервале в непосредственной близости от температуры размягчения полимеры являются настолько жесткими, что для их деформирования требуются значительные усилия и восстановление протекает весьма медленно. Значительно выше температуры размягчения расплав легко деформируется, но на упругое восстановление накладывается течение вследствие усиления макроброуновского движения. Область [c.37]