Властивості полімерних матеріалів

Особливості будови полімерів значно впливають на їх фізико-механічні та хімічні властивості. Внаслідок високої молекулярної маси вони не здатні переходити в газоподібний стан і утворювати рідини з низькою в'язкістю при нагріванні, а термостабільні полімери навіть не розм'якшуються. З підвищенням молекулярної маси розчинність полімерів зменшується.

Механічні властивості полімерів (пружність, міцність тощо) теж залежать від їхньої структури, фізичного стану, температури і т.д. Полімери можуть знаходитися в трьох фізичних станах: склоподібному, високоеластичному і в’язкотекучому.

У склоподібному стані полімери тверді і аморфні. Атоми, що входять до складу молекулярного ланцюга полімеру, здійснюють коливальний рух близько положення рівноваги; руху ланок і переміщення макромолекул не відбувається.

Високоеластичний стан, який притаманний не тільки високополімерам, характеризується здатністю матеріалу до великих зворотних змін форми при невеликих навантаженнях (коливаються ланки, і макромолекула набуває здатності згинатися).

В'язкотекучий стан нагадує рідкий стан, але відрізняється від нього дуже великою в'язкістю (рухлива вся молекула). Зі зміною температури лінійний або розгалужений полімер може переходити з одного фізичного стану в інший.

Полімери з просторовою структурою знаходяться тільки в склоподібному стані. Рідкосітчата структура дозволяє отримувати полімери і в склоподібному і високоеластичному станах. Різні фізичні стани полімеру виявляються при змінюванні його деформацій з температурою. Графічна залежність деформації, що розвивається за певний час при заданій напрузі, від температури називається термомеханічною кривою (рис. 20). На кривих є три ділянки, що відповідають трьом фізичним станам. Середні температури перехідних областей називаються температурами переходу. Для лінійного полімеру, що не кристалізується, (крива 1) область I – область пружних деформацій (ε=2-5 %), пов'язана зі зміною відстані між частинками речовини. При температурі нижче t_хр полімер стає крихким. Руйнування відбувається в результаті розриву хімічних зв'язків у макромолекулі. В області II невеликі напруги викликають переміщення окремих сегментів макромолекул і їх орієнтацію в напрямку діючої сили. Після зняття навантаження молекули в результаті дії міжмолекулярних сил приймають первинну рівноважну форму. Високоеластичний стан характеризується значними зворотними деформаціями (сотні відсотків). Близько точки t_т, крім пружної і високоеластичної деформації, виникає і пластична.

Рис. 20. Термомеханічні криві некристалічного лінійного (1), кристалічного (2) і рідкосітчатого (3) полімерів:

 

t_c, t_k, t_т, t_x – температури склування, кристалізації, початку в'язкої течії і початку хімічного розкладання відповідно,

I-III – ділянки склоподібного, високоеластичного і в'язкотекучого станів

 

Кристалічні полімери нижче температури плавлення/кристалізації t_к є твердими, але мають різну твердість (рис. 20, крива 2) внаслідок наявності аморфної частини, яка може перебувати в різних станах. При t_к кристалічна частина плавиться, і термомеханічна крива стрибком досягає ділянки кривої 1, що відповідає високоеластичній деформації некристалічного полімеру.

Рідкосітчасті полімери (типу гум) мають термомеханічної криву типу 3. Вузли сітки перешкоджають відносному переміщенню полімерних ланцюгів. У зв'язку з цим при підвищенні температури в'язкої течії не настає, розширюється високоеластична область, і її верхнім кордоном стає температура хімічного розкладання полімеру (t_х).

Температурні переходи (t_с і t_т) є одними з основних характеристик полімерів.

Залежність напруги від деформації для лінійних і сітчастих полімерів різна. При дії великих напруг в склоподібних полімерах розвиваються значні деформації, які за своєю природою близькі до високоеластичних. Ці деформації носять назву вимушено еластичними, а саме явище – вимушеною еластичністю. Вимушено еластичні деформації з'являються в інтервалі температур t_хр і t_с, і при нагріванні вище t_с вони зворотні (рис. 21, а). Максимум на кривій відповідає умові dσ/dε=0 і називається межею вимушеної еластичності. У полімерів із щільною сітчастою структурою під дією навантаження виникає пружна і високоеластична деформація, пластична деформація звичайно відсутня (фенолоформальдегідна смола в стадії резит). У порівнянні з лінійними полімерами пружні деформації сітчастих полімерів складають більшу частину, а високоеластичних деформацій набагато менше. Природа їх високоеластичної деформації, як і в лінійних полімерах, полягає в зворотній зміни деформації полімерної молекули, але максимальна деформація при розтягуванні зазвичай не перевищує 5-15 %.

Рис. 21. Діаграма розтягування: а – склоподібного полімеру

(σ_вим.ел. – межа вимушеної еластичності); I – область пружних деформацій; II – область високоеластичних деформацій; б – полімеру з щільною сітчастою структурою

 

Для кристалічних полімерів залежність напруги від деформації виражається лінією з чіткими переходами (рис. 22). На першій стадії (ділянка I) подовження пропорційно діючій силі. Потім раптово у зразку виникає так звана «шийка», яка подовжується за рахунок більш товстої частини зразка (ділянка II). Після того, як весь зразок перетворився на «шийку», процес переходить у третю стадію (ділянка III), яка закінчується розривом. За структурою та властивостями матеріал «шийки» відрізняється від структури і властивостей вихідного зразка: елементи кристалічної структури орієнтовані в одному напрямку, оскільки відбувається рекристалізація [2,9].

Рис. 22. Залежність напруги від деформації для кристалічного лінійного полімеру

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒

Поделиться: