Деформирование и разрушение ПМ в высокоэлостическом состоянии

Наблюдается гистерезисная петля. Гистерезисные зависимости демонстрируют тот факт, что у полимерных материалов деформация при возрастании напряжения всегда меньше, чем при убывании напряжения. Это означает, что после разгрузки образца образец не имеет своих первоначальных размеров. В первых исследованиях это изменение связывали только с с процессами течения в полимере. Но это может быть связано также с тем, что время релаксации ряда полимерных материалов может быть значительным, зависит процесс релаксации от состава полимера, температур воздействия.

Основная причина высокоэластического состояния полимеров — это гибкость макромолекул. Для полимеров с жесткими макромолекулами (густосетчатых и кристаллических полимеров) явление высокоэластичности не наблюдается. Высокоэластическое состояние следует рассматривать по отношению к целым макромолекулам как упругое, стеклообразное; а для некоторых участков макромолекул — как жидкое состояние. Для всех этих элементов структуры в высокоэластическом состоянии характерно сильно различающееся время релаксации.

Для того чтобы лучше понять поведение материала в этом состоянии, надо отдельно представлять характер сил межмолекулярного взаимодействия в трех температурных зонах:

— когда температура полимера от высокоэластического состояния приближается к температуре стеклования. В этих условиях роль сил межмолекулярного взаимодействия становится основной в процессе деформации, в этой зоне уменьшается подвижность участков молекул и полимер становится упругим как обычное твердое тело.

— если температура полимерного материала от высокоэластического состояния повышается, то роль сил упругого взаимодействия молекул в этих условиях становится ничтожной. Линейные полимеры в этих условиях становятся необратимо деформируемыми, а полимерный материал становится вязкотекучим;

— если температура полимера находится между температурой стеклования и температурой текучести в зоне высокоэластического состояния, то знание времени релаксационных процессов перехода от одной конформации макромолекул к другой позволяет понять поведение материала в этих условиях. Если деформация осуществляется с большой скоростью, то времени для развития высокоэластической деформации будет недостаточно. Поэтому деформирующие силы уравновешиваются силами межмолекулярного взаимодействия, упругость полимера соответствует упругости обычного твердого тела и высокоэластичность пропадает.

Знание релаксационных явлений позволяет также понять своеобразное поведение изделий из полимерных материалов.

При выборе полимеров в качестве конструкционных материалов обязательно необходим учет релаксационных явлений в полимерном материале, если последние работают в переходных условиях температур около температуры стеклования.

Релаксационные процессы имеют большое практическое значение, так как в условиях эксплуатации многие полимерные материалы претерпевают мгновенную деформацию (ударные нагрузки) или многократные деформации при больших частотах воздействия. При этом равновесная высокоэластическая деформация не успевает развиться, я материал находится в неравновесном состоянии.

Учет релаксационных явлений позволяет понять своеобразие поведения изделий из полимерных материалов.

При формовании изделий из полимеров следует иметь в виду, что даже в условиях вязкотекучего состояния может иметь место частичная высокоэластическая деформация, которая ввиду большого времени релаксации устраняется очень медленно. Поэтому общая наблюдаемая «остаточная» деформация может состоять из высокоэластической деформации и истинной пластической деформации. При этом с течением времени высокоэластическая деформация релаксирует, что приводит к уменьшению размеров изделия.

Так как время релаксации высокоэластической деформации может быть очень велико, то важно уметь правильно установить технологический режим формования изделий из полимеров так, чтобы при этом деформация носила только пластический характер. В противном случае с течением времени изделие будет изменять свою форму и размеры за счет релаксации высокоэластической части деформации и окажется непригодным к использованию.

3. Деформационные свойства и механическая прочность полимерных материалов

3. Деформационные свойства и механическая прочность полимерных материалов

Механической прочностью материала называется его способность сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим в результате действия внешних нагрузок. Ее характеризуют пределом прочности, т. е в материале, соответствующим нагрузке, при которой происходит разрушение образца.

Известно, что для поликристаллических материалов характерно протекание разрушения по двум типам — хрупкому и пластическому. Процесс разрушения полимерных материалов сложен и при его рассмотрении необходимо представлять деформационные свойства полимеров, протекание процессов эластичности, необходимо учитывать, как зависит деформация от напряжения, от температуры, плотности упаковки макромолекул и от молекулярной массы полимера.

3.

1. Деформационные свойства полимерных материалов

При исследовании механических свойств полимеров их испытывают на разрывных машинах, или динамометрах. При этом регистрируется постепенное изменение длины образца 1 и возрастающая во времени нагрузка. при расчетах нагрузку относят к площади поперечного сечения образца и получают значение напряжения.

So/S = l/lo (lo+∆l)/lo = 1+ε

или S = So/ (1+ε)

В процессе деформирования поперечное сечение образца уменьшается, поэтому напряжение рассчитывают на первоначальное сечение или на сечение в данный момент времени. Это сечение вычисляют в предположении постоянства объема при деформировании.

По полученным данным строят зависимость напряжение — деформацияв виде деформационной кривой, вид которой зависит от фазового и физического состояния полимера. Как уже описано в 2.

1. первый участок этой кривой соответствует очень небольшим деформациям, которые формально подчиняются закону Гука; на этом участке модуль постоянен и не очень велик. Второй участок свидетельствует о развитии высокоэластической деформации. при этом модуль составляет приблизительно 2•10' МПа. На третьем участке наблюдается резкое возрастание модуля, т. е. малым изменениям деформации соответствуют большие изменения напряжения. Это связано с распрямлением цепей и изменением энергии их взаимодействия при деформации.

При определенном значении напряжения образец разрывается. Таким образом, разрыву образца предшествуют очень большие обратимые деформации, связанные с молекулярными перегруппировками. Поскольку происходили молекулярные перегруппировки, то разрыв не является хрупким; а высокоэластическим.

Значения разрывных напряжений зависят от молекулярной массы полимера. Низкомолекулярные гомологи при комнатной температуре являются, как правило, жидкостями и не обладают прочностью, которая проявляется, начиная с определенного значения молекулярной массы. С дальнейшим увеличением степени полимеризации прочность возрастает и достигает постоянного значения

3.

2. Механическая прочность полимерных материалов

Широкое использование полимерных материалов в значительной степени обусловлено их ценными механическими свойствами и главным образом высокой прочностью в сочетании со способностью к большим обратимым деформациям. Такое исключительное сочетание свойств определяется специфическим строением полимеров — наличием двух видов связей, резко различающiiхся энергией и длиной: прочных химических связей между атомами в цепи и значительно более слабых межмолекулярных связей между цепями.

Механические свойства твердых тел в течение длительного времени изучались главным образом на поликристаллических объектах (металлах), при исследовании которых были установлены основные закономерности разрушения твердого тела. При этом рассматривались такие процессы как разрушение — это разрыв связей между элементами тела (атомами, молекулами, ионами), приводящий к разделению образца на части. Сопротивление материала разрушению принято называть механической прочностью.

Механическая прочность твердых тел, как показывает опыт, иногда в сотни раз меньше теоретических значений, рассчитанных по энергиям связей между атомами или ионами. Это объясняется дефектным строением реальных материалов, наличием в каждом материале большого числа дефектных мест и трещин. Разрыв происходит в самом опасном (дефектном) месте, для поликристаллических тел установлено два вида разрушения — хрупкое и пластическое.

Хрупким разрушением называется разрушение, которому предшествуют только обратимые (упругие) деформации. Прочность тела при хрупком разрушении (хрупкая прочность) обозначается пластическим разрушением. Ему предшествуют деформации, обусловленные перегруппировкой отдельных элементов структуры тела. Для кристаллических тел эти деформации необратимы и называются пластическим течением.

Для понимания механических свойств полимеров необходимо рассматривать процессы, развивающиеся при деформировании полимеров, и механизма процесса их разрушения.

3.

3. Механическая прочность и структура полимерных материалов

Механическая прочность полимеров определяет не только прочностью. обусловленной взаимодействием частиц полимерного материала. Во многом прочность реальных материалов зависит от ряда других факторов. В работах ученых Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе развито теория Гриффится о влиянии поверхностных трещин на прочность твердых тел. И полученные на полимерных материалах данные подтвердили возможность применения гипотезы гриффится к полимерным материалам.

При механическом воздействии на изделия и образцы из полимерных материалов происходит их растрескивание, которое начинается с наиболее напряженных мест. Мельчайшие трещины отражают и рассеивают свет, приводят к помутнению поверхности. Микротрещины образуются также на в объеме образцов, причесм их образование является необратимым процессом. После снятия нагрузки трещины не способны залечиваться полностью. Кроме того трещины остаются в образце и после приложения растягивающих усилий.

Для объяснения образования микротрещин и, соответствующего взглядам этой гипотезы, объяснения механизма разрушения полимеров применили флуктуационную теорию прочности. Согласно этим взглядам при разрушении первично происходит напряжение химических связей под влиянием механического поля.

Локальные возрастания внутренней энергии приводят к тепловым флуктуациям и вызывают разрывы напряженных связей. Если температуры не очень высокие, то разрушение ускоряется при приложении нагрузки. Но внешние прилагаемые нагрузки обуславливают направленность процесса разрушения полимерных материалов.

Глубокие исследования прочности полимерных материалов различных составов показали, что в образцах при приложении нагрузки образуются микротрещины, х размеры увеличиваются и могут микротрещины превратиться в «магистральные» более крупные трещины. В вершинах трещин образуются перенапряжения и трещина может прорасти через весь образец полимерного материала.

Общим для деформирования полимеров, которое приводит материал к разрушению является то, что при приложении увеличивающихся нагрузок и росту скоростей деформирования, происходит изменение структуры полимерной матрицы, которое приводит не просто к изменению конформации макромолекул. Начинает происходить разрушение структуры полимерной системы, которое проявляется в уменьшении числа контактов между макромолекулами, образующими пространственную сетку полимра. Разрушение узлов сетки, которые сдерживают деформирование полимерной системы, вызывает и снижение сопротивления деформированию. Происходит процесс, который называют рассасыванием напряжений, а в завершении происходит течение полимерного материала.

В связи с тем, что для полимерных материалов используют большое колическтво соединений, кроме того, что для получения определенных свойств материала к полимерам добавляют дополнительно вещества, не являющиеся полимерами, то прогнозировать характер деформирования и механизм разрушения полимерных материалов можно, только базируясь на экспериментальных данных. Необходимо проводить изучение хода деформации полимерного материала при разных нагрузках, при разных температурах и используя данные о составе и структуре материала при различных условиях испытаний.

Заключение

Деформирование и разрушение полимерных материалов является достаточно сложной проблемой, особенно в связи с тем, что в последнее время полимерные материалы заменяют ранее применяемые металлические материалы. Очевидно. что эти разрабаываемые полимерные материалы должны обеспечивать достаточно высокую механическую прочность, которая определяется, во многом, характером поведения материала в высокоэластическом состоянии.

В связи с этим изучение полимерных систем в области высокоэластического состояния имеет большое значение. При исследовании полимерных материалов используют ранее разработанные принципы исследования механической прочности и характера деформирования материалов. Но используют современные приборы, оснащенные возможностями по точному фиксированию размеров деформации, аппаратурой для расчета деформации, учета погрешностей измерений. Для сопоставления прочностных показателей с составами полимерных материалов используют ИК-спектроскопические методы, методы рентгеновской микроскопии, сканирующую дифференциальную калориметрию и другие методы анализа. Только сопоставление всех данных о составе, механической прочности и деформации полимеров позволяют прогнозировать свойства полимерных материалов.

Использованная литература

1. Бартенев Г. М., Зуев Ю. С. Прочность и разрушение высокоэластичных материалов. М.-Л.: Химия, 1964 .- 387 с.

2. Тагер А. А. Физикохимия полимеров.М.: Химия, 1978. — 544 с.

3. Каргин В. А., Слонимский Г. Л. Краткие очерки по физико-химии полимеров, М.: Химия, 1967. — 231 с.

4. Волькенштейн В. М. Конфигурационная статистика полимерных цепей. М.-Л.: Наука, 1959. — 466 с.

5. Бартенев Г. М., Зеленев Ю. В. Курс физики полимеров. Л.: Химия, 1976. — 288 с.

6. Аскадский А. А. Деформация полимеров. М.: Химия, 1973. — 448 с.