Свойства полимеров

Физико-механические свойства полимеров определяются структурой и физическим состоянием, которое в зависимости от температуры мо­жет быть стеклообразным, высокоэластическим, вязкотекучим (гель). Стеклообразные полимеры представляют собой твердые аморфные ве­щества, атомы в которых находятся в равновесии и макромолекулы не перемещаются. Перемещение макромолекул полимера не наблю­дается и в высокоэластическом состоянии, однако за счет подвижно­сти отдельных звеньев молекулы приобретают способность изгибать­ся, что приводит при небольших нагрузках к значительным упругим и высокоэластичным деформациям. В вязкотекучем (гелеобразном) со­стоянии все макромолекулы подвижны и полимеры отличаются от жидкостей лишь большей вязкостью.

Полимеры с линейной, разветвленной и редкосетчатой структурой (термопласты) могут находиться в стеклообразном и высокоэластиче­ском состояниях, а с пространственной структурой (термоактивные) только в стеклообразном.

На рис. 9.2 представлены термомеханические кривые, которые гра­фически отражают связь между деформацией, возникающей в поли­мере при заданном напряжении, и температурой его нагрева. Кривые характеризуют изменения механических и технологических свойств полимеров при различных температурах.

Рис. 9.2. Термомеханические кривые аморфного (I), кристаллического (2)

и редкосетчатого (J) полимеров. Участки разложения:

I - стеклообразного; II - высокоэластического; III - вязкотекучего; IV -

химического

Полимеры или пластмассы на их основе используются в твердом состоянии при температурах ниже tc (температуры стеклования). При температуре ниже /хр (температуры охрупчивания) полимер пере­ходит в хрупкое состояние. Формообразование изделий из полимеров или пластмасс проводят в температурной области вязкотекучего со­стояния. Кристаллические полимеры с аморфной составляющей до температуры плавления (кристаллизации) tK находятся в твердом со­стоянии, при /к кристаллическая составляющая полимера плавится и переходит в высокоэластичное состояние аналогично некристалли­ческим полимерам. Выше температуры /т (температуры начала вязко­го течения) аморфные и кристаллические полимеры находятся в вяз-котекучем (гелеобразном) состоянии.

У редкосетчатых полимеров (типа резины) при повышении темпе­ратуры вязкое течение не наблюдается. Верхней границей их высоко-

пластического состояния является температура /х (температура начала химического разложения). Полимеры при определенных температурах могут воспринимать значительные деформации. На рис. 9.3 пред­ставлены кривые напряжение - деформация для полимера в кристал­лическом и стеклообразном состоянии. Зависимость а(е) для кристал­лического полимера имеет вид ломаной кривой, на которой можно выделить три характерных участка. На участке I удлинение (деформа­ция) прямо пропорционально напряжению. При достижении опреде­ленного усилия на образце образуется шейка, и деформация возраста­ет при постоянном напряжении (участок II). При этом наблюдается рост шейки по длине образца. После распространения шейки на всю длину образца процесс деформации завершается разрушением (уча­сток III). Зависимость напряжение - деформация для стеклообраз­ных полимеров имеет вид плавной кривой. Напряжение, которое вы­зывает высокоэластическую деформацию у стеклообразных полиме­ров, называют пределом вынужденной эластичности (авын эЛ).

Рис. 9.3. Зависимость деформации s от напряжения а для кристаллического

(7) и стеклообразного (2) полимеров. Участки:

I - упругих деформаций; II - высокоэластической деформации; III - разру-

тления образца

Величина деформации полимеров зависит от температуры и ско­рости приложения нагрузки. Для аморфных полимеров характерно снижение прочности с увеличением температуры (при постоянной скорости деформации) и сростом скорости приложения нагрузки (при постоянной температуре) (рис. 9.4). Стеклообразные и кристал­лические полимеры могут подвергаться ориентационному упрочнению, которое заключается в ориентации структуры полимера, Находяще­гося в высокоэластичном или вязкотекучем состоянии, при статическом растяжении и фиксации полученной структуры при температу­рах ниже tQ. Полимеры с направленной структурой получают также направленной полимеризацей.

Важной характеристикой полимеров является долговечность, под которой понимают период времени от момента приложения нагрузки до разрушения материала.

Глава 9. Неметаллические материалы

Рис. 9.4. Влияние температуры / и скорости приложения нагрузки W

на характер кривых растяжения для аморфного полимера:

a - tl<t2<t3;6-W]>W2>}V3

Долговечность полимеров и пластмасс понижается сростом на­пряжения или температуры эксплуатации.

Полимеры обладают также способностью к релаксации механиче­ских напряжений. Вследствие специфики строения в полимерах под нагрузкой происходят структурные изменения, приводящие к посте­пенному снижению напряжений в материале. Время релаксации в за­висимости от природы полимера и условий приложения нагрузки со­ставляет от нескольких минут до нескольких месяцев и даже лет.

К недостаткам полимеров и пластмасс относится их склонность к старению. Под старением понимают самопроизвольные изменения (снижения) свойств материалов в процессе хранения и эксплуатации.