IV. Механические свойства полимеров




Широкое использование полимерных материалов обусловлено их ценными механическими свойствами и высокой прочностью в сочетании со способностью к большим обратимым деформациям. Механические свойства полимера отражают реакцию полимера на действие внешних сил. Действие внешней силы на полимерное тело может привести к обратимой деформации, необратимой деформации и разрушению полимерного тела. Установлено два вида разрушения:

- хрупкое – это разрушение, которому предшествуют только обратимые деформации;

- пластическое - это разрушение, которому предшествуют деформации, обусловленные перегруппировкой отдельных элементов структуры тела. В кристаллических телах эти деформации необратимы и называются пластическим течением.

При изучении деформационныхсвойств полимеров их подвергают различным деформациям, аналогичным при эксплуатации полимерных материалов (растяжение и сжатие, всестороннее сжатие, сдвиг, изгиб, кручение, вдавливание и др.). Наиболее часто для иллюстрации деформационных свойств полимеров используются результаты испытаний на разрывных машинах. Опыт состоит в растяжении образцов полимера с постоянной скоростью и автоматической регистрацией напряжения.

Деформационные свойства стеклообразных полимеров. Для них характерны малые деформации при небольших напряжениях. Однако в отличие от низкомолекулярных стекол (канифоль, силикатное стекло и т.п.) стеклообразные полимеры сохраняют в некотором интервале температур способность подвергаться при приложении больших усилий значительным деформациям. Это явление называется вынужденной эластичностью. Обратимый характер больших деформаций, наблюдающийся у высокомолекулярных стекол, заставляет предположить, что для стеклообразного состояния характерны те же закономерности, что и для высокоэластического. Различие состоит лишь в том, что время релаксации полимера в стеклообразном состоянии очень велико.

Наиболее существенные различия наблюдаются для кривых растяжения стеклообразного аморфного полимера (рис. 5), деформируемого при температурах ниже и выше некой температуры, называемой температурой хрупкости Т хр. Температура хрупкости Т хр – это температура, ниже которой полимер разрушается под действием этого напряжения.

Рис. 5. Кривые растяжения аморфных полимеров: 1 - Т < Тхр; 2 - Тс > Т > Тхр; 3 - Т > Тс (сшитый каучук) Рис. 6. Образование шейки при растяжении полипропилена: 1 - образец до растяжения; 2 - окончание роста шейки

При Т < Тхр разрушению полимера предшествуют малые обратимые деформации (кривая 1, рис. 5), т.е. полимер ведет себя как упругое тело. При Тс > Т > Тхр (кривая 2) в начальный период деформации полимер ведет себя так же как упругое тело, деформация обратима. Далее рост напряжения деформируемого образца замедляется, и в некоторых случаях может наблюдаться его спад, деформация развивается при постоянном напряжении. Уменьшение темпа роста напряжения соответствует началу развития необратимой деформации, т.е. течения полимера. Максимальное значение напряжения, соответствующее области перехода обратимой деформации в необратимую, называется пределом текучести. При достижении предела прочности σп, которому соответствует предельная деформация, образец разрушается.

При деформировании многих стеклообразных полимеров (полистирол, полиметилметакрилат, поливинилхлорид и др.) при некотором значении напряжения в деформируемом образце образуется участок со значительно уменьшенным поперечным сечением, получивший название «шейки» (участок а на кривой 2 рис.5). Возникновение шейки свидетельствует о начале перестройки структуры образца полимера, которая возможна лишь при определенной подвижности сегментов. Перемещение сегментов под действием внешней растягивающей силы носит направленный характер, в результате чего макромолекулы ориентируются своими осями вдоль направления действия силы. Область b-c соответствует удлинению шейки. В точке с рост шейки прекращается, т.е. толщина всего образца становится равной толщине шейки.

Деформационные свойства кристаллических полимеров детально изучены Каргиным и Соголовой. Кривая растяжения кристаллических полимеров существенно не отличается от рассмотренных выше, однако, эта зависимость представлена не плавными кривыми, а ломаной линией, состоящей из трех отрезков (рис. 7).

    Рис. 7. Кривая растяжения кристаллического полимера при комнатной температуре

Участок ОА соответствует упругой деформации, формально подчиняющейся закону Гука, причем образец удлиняется как целое на очень небольшую величину. Точка А отвечает скачкообразному началу образования шейки. Участок АБ соответствует увеличению размера узкой части образца за счет сокращения широкой. На этой стадии происходит ориентация кристаллитов, что подтверждается данными рентгеновского анализа. Явление ориентации для кристаллических полимеров выражено более ярко, чем для аморфных.

В результате действия внешней силы вдоль оси макромолекул изменяются расстояния между атомами, изменяются углы между химическими связями, а также углы вращения вокруг связей.

Упругость полимера связана с растяжением химических связей основной цепи и деформацией валентных углов, прочность – с разрывом химических связей. Теоретически рассчитать прочность кристаллического полимера можно, но, обычно, теоретическая величина прочности не соответствует экспериментальной. Это объясняется несовершенством кристаллической структуры полимеров, для которой характерно чередование кристаллических и аморфных областей, наличием в каждом материале дефектных мест и трещин. Временная зависимость прочности при статической нагрузки называется статической усталостью материала, временная зависимость прочности при динамической нагрузке – динамической усталостью. Часто оба эти явления называют утомлением матениала.

Долговечность - время от момента приложения нагрузки до момента разрыва материала. Это фундаментальная характеристика прочностных свойств всех материалов. Согласно кинетической теории разрушения, разработанной Журковым в 50-х гг. XX в., разрушение полимера связано с разрывом химических связей основной цепи. Это положение экспериментально доказано методом ЭПР, т.к. разрыв макромолекул приводит к образованию свободных радикалов в количествах, достаточных для их обнаружения этим методом. Длительное нагружение полимерного материала приводит не только к его разрушению, но и к постоянному изменению его размеров. Деформация во времени образца, находящегося под постоянной нагрузкой, называется ползучестью.

На вопрос, как разрушаются твердые тела, впервые ответил Гриффит в конце XIX в. Согласно Гриффиту, твердые тела имеют трещины, которые являются следствием дефектов структуры и связанных с ними внутренних напряжений, однако, в обычных условиях эти трещины не раскрываются, поскольку их размер меньше критического. При действии внешнего напряжения оно может сконцентрироваться в вершинах микротрещин до величины, достаточной для ее раскрытия. После этого, трещина развивается необратимо с ускорением до разрушения образца. В том случае, когда воздействие на образец материала не носит ударного характера, т.е. скорость деформации невысока, в вершине трещины может развиться пластическая деформация, которая приводит к релаксации напряжения и остановке роста трещины. Трещины, вызывающие разделение образца на части, называются магистральными. Пластическая деформация, характерная для релаксационного механизма, приводит к присущему только полимерам явлению возникновения трещин серебра. Внешне трещины серебра выглядят, как серебряная паутина на поверхности и в объеме прочного полимерного образца. При их значительной концентрации полимер теряет прозрачность. Трещины серебра образуются при деформации порядка 1% или при хранении полимерного материала как результат внутренних напряжений. Трещины серебра представляют собой систему микропор, разделенных тяжами или перегородками, состоящими из микрофибрилл полимера, ориентированных в направлении вытяжки. Образование трещин серебра не приводит к разрушению полимерного материала, т.к. тяжи, соединяющие стенки трещины, не дают им раскрыться. Разрушение образца происходит в течение определенного времени, зависящего от величины приложенного напряжения путем последовательного разрыва тяжей, соединяющих стенки трещины. В этом случае магистральные трещины или трещины разрушения распространяются вслед за трещиной серебра. Образованию трещин серебра способствуют многие органические растворители и некоторые газы. Это обусловлено тем, что трещины серебра содержат сообщающиеся между собой поры, доступ в которые органическим растворителям облегчен за счет капиллярных явлений.

Ударная прочность полимеров. Ударное воздействие означает деформирование тела с большой скоростью. Если эта скорость превышает скорость распространения упругой деформации (скорость звука), то образец разрушается в месте приложения нагрузки, если не превышает, то образец разрушается по всему объему. Сопротивление полимеров ударным нагрузкам характеризуется ударной вязкостью (а), величина которой, выражаемая в Дж/м2, численно равна работе разрушения DА, отнесенной к единице площади поперечного сечения образца S: а = DА/S.

На практике используются смесевые композиции, наиболее известным из них является ударопрочный полистирол. В жесткой матрице полистирола распределены частицы каучука размером несколько микрон. Причинами повышенной ударной вязкости смесевых композиций являются деформация частиц эластомера и образование вокруг них трещин серебра во время удара. На это расходуется значительная часть энергии удара, что предотвращает разрушение образца.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-08-27 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: