2. Основные свойства полимеров

Полимеры могут находиться в твердом и жидком состояниях (газообразное состояние для них не характерно), кристаллическом и аморфном фазовых состояниях, а также в стеклообразном, вы­сокоэластическом и вязкотекучем деформационных физических состояниях.

Особенности химической природы, строения и размеров моле­кул, их взаимного расположения и упаковки оказывают большое влияние на физико-механические свойства полимеров.

Полимеры имеют высокую стойкость в таких средах, как ще­лочи и концентрированные кислоты. В отличие от металлов они не подвержены электрохимической коррозии. С увеличением мо­лекулярной массы снижается растворимость полимеров в раство­рителях органического происхождения. Полимеры с пространст­венной структурой практически не подвержены действию органи­ческих растворителей.

Большинство полимеров является диэлектриками. Полимеры в основном относятся к немагнитным веществам. Из всех приме­няемых конструкционных материалов полимеры имеют наи­меньшую теплопроводность и наибольшие теплоемкость и тепло­вую усадку. Тепловая усадка полимеров примерно в 10-20 раз больше, чем металлов. Причиной потери герметичности уплотни­тельными узлами при низких температурах является стеклование резины и резкое различие коэффициентов расширения металла и резины в застеклованном состоянии.

Для полимеров характерен широкий диапазон механических характеристик, сильно зависящий от их структуры. Кроме струк­турных параметров большое влияние на механические свойства полимеров оказывают внешние факторы: температура, длитель­ность и частота или скорость нагружения, давление, вид напря­женного состояния, термообработка, характер окружающей сре­ды и др.

Особенностями механических свойств полимеров являются их удовлетворительная прочность, но малая жесткость по сравнению с металлическими материалами.

Полимерные материалы подразделяются на твердые с моду­лем упругости Е = 1-10 ГПа (пластмассы, волокна, пленки) и мягкие высокоэластичные материалы с модулем упругости Е = 1- 10 МПа (резины). Механизм и закономерности разрушения тех и других существенно различны.

Для полимеров характерна ярко выраженная анизотропия свойств, снижение прочности и развитие ползучести при длитель­ном нагружении. Вместе с тем полимеры обладают высоким со­противлением усталости. Для полимеров характерна более резко выраженная температурная зави-симость механических свойств по сравнению с металлами.

Одной из основных характеристик полимеров является дефор­мируемость. По деформируемости (или податливости) полимеров в широком температурном интервале чаще всего оценивают их ос­новные технологические и эксплуатационные свойства.

МАТЕРИАЛО ВЕЛЕНИЕ 1

ХИМИЗДАТ 2007 1

Часть первая МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 3

Часть вторая НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 11

Часть первая 11

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 11

Раздел I. Строение и свойства металлов 22

ЭШ 87

s] Z(—)Г~7/—I 108

CD 'ШШ * 112

ф № 113

ilij© © 164

/7„, 305

(А 509

J Ч 741

3X3 605

Ч

Значение деформируемости оп­ределяют методом термомехани­ческих кривых деформация - тем­пература (рис. 28.3).

Термомеханические кривые получают при нагреве нагружен­ного образца полимера с заданной скоростью. Действующая на­грузка должна быть постоянной по величине и малой по значе­нию, чтобы механические воздействия на полимер не приводили к изменению его структуры.

Анализ кривой на рис. 28.3 показывает, что полимер может находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, вы­сокоэластическом и вязкотекучем.

В стеклообразном состоянии при малых напряжениях на­блюдается только упругая деформация с высоким модулем уп­ругости (Е = 2,2-5 ГПа). Стеклообразное состояние является одной из форм твердого состояния высокомолекулярных ве­ществ. Выше температуры стеклования к этой деформации до­бавляется высокоэластическая составляющая, которая значи­тельно превосходит упругую и характеризуется модулем высо- коэластичности Е — 0,1-1 МПа. Выше температуры текучести проявляется еще одна составляющая деформации, которая приводит к постепенному накоплению остаточной деформации образца полимера.

Границы между этими физическими состояниями характери­зуются значениями температур стеклования Т_с и текучести Т_т. Критические температуры Т_с и Т_х являются основными характе­ристиками полимеров.

Важность этих характеристик хорошо иллюстрируется сле­дующими примерами. Во многих случаях волокна и полимеры должны иметь высокую прочность. Поэтому лежащие в их основе полимеры должны находиться в стеклообразном состоянии. Рези­новой промышленности, наоборот, необходимы высокоэластич­ные полимеры, сохраняющие это состояние в широком темпера­турном интервале. Процесс технологической переработки по­лимеров происходит, как правило, в области вязкотекучего

состояния. Поэтому для переработки они должны быть нагреты выше соответствующей температуры Т_т.

Низкомолекулярные вещества не могут находиться в высоко- эластическом состоянии, для них характерны только стеклооб­разное и вязкотекучее состояния. Высокоэластическое состояние занимает тем больший температурный интервал Т—Т„ чем боль­ше молекулярная масса полимера.

Все полимеры в большей или меньшей степени подвержены процессу старения во времени. Старением (ageing treatment) по­лимеров называют самопроизвольное необратимое изменение важнейших технических характеристик, происходящее в резуль­тате сложных химических и физических процессов, развиваю­щихся в материале при эксплуатации и хранении.

Старению способствуют свет, частая смена циклов нагрев - охлаждение, воздействие кислорода, озона и другие факторы. Старение ускоряется при многократных деформациях, менее су­щественное влияние на старение оказывает влага. При старении повышается твердость, хрупкость, теряется эластичность. При высоких температурах (200-250 ”С) происходит термическая де­струкция - разложение органических полимеров, сопровождаю­щееся испарением летучих веществ.

Ускоренное старение наблюдается при действии механиче­ских напряжений, когда не успевают протекать процессы релак­сации напряжений, в результате чего ослабляются или наруша­ются химические связи. При длительной работе резин в растяну­том состоянии на их поверхности под действием атмосферного кислорода образуется хрупкая пленка, склонная к расслаива­нию.

Для замедленного старения в полимерные материалы добав­ляют стабилизаторы. Обычно применяют стабилизаторы двух ти­пов: термостабилизаторы (амины, фенолы) и светостабилизаторы (например,, сажу).

Длительность эксплуатации стабилизированных полимеров значительно возрастает (рис. 28.4). Срок наступления хрупкости полиэтилена, стабилизированного сажей, составляет свыше 5 лет. Трубы из поливинилхлорида могут работать 10-25 лет.

Для определения механических свойств неметаллических ма­териалов проводят статические испытания на растяжение, сжатие и изгиб; динамические испытания на удар; определение твердости, усталостной прочности, ползучести и др. С целью определения стойкости к старению проводят физико-механические испытания материалов после ускоренных кли-матических испытаний на фо­тостарение.

Рис. 28.4. Влияние длительности атмо­сферного старения на относительное удли­нение поливинилхлоридного пластика (ис­ходное удлинение принято за 100 %):

1. 

   Кроме того, существуют мето­ды определения массы, толщины, плотности материала, а также спе­циальные виды испытаний:

   • для картона - на надлом, из­лом, продавливание, сжатие кольца, линейное сжатие;

   - стабилизированное состояние; 2 - не- стабилизированное

10. Z0 30 40 Время, мес

• гофрированного картона, гофропласта - на торцевое и плоскостное сжатие, расслаивание, продавливание и про­бой;

• резины - на стойкость при статической деформации сжатия;

• древесностружечных плит - на прочность и модуль упруго­сти при изгибе, удельное сопротивление выдергиванию гвоз­дей и шурупов.

Сравнительные характеристики важнейших полимеров пред­ставлены в табл. 28.1.

Таблица 28.1

Свойства некоторых полимеров

Полимер	Плот­ ность, г/см3	Е, (20 С) П1а	а„, МПа	Трещино- стойкость (20 С) Кк, МПа ■ м1/2	Полное удлине­ние Е, %	т„ 'С
	Термопластичные
Полиэтилен(низкой	0,92	0,15-0,24	7-17	1-2	90-800	0
плотности)
Полиэтилен (высокой	0,96	0,55-1,0	20-37	2-5	15-100	30
плотности)
Поливинилхлорид	1,39	2,4-3,0	40-60	2,4	2-30	80
Полипропилен	0,9	1,2-1,7	50-70	3,5	10-700	-20
Полистирол	1,06	3,0-3,3	35-68	2	1-2	100
Полиамид	1Д4	2,0-3,5	60-110	3-5	60	70
	Термореактивные
Феноло-формальде-	1,4	8	35-55	-	0	-
гидная смола
Полиэстер	-	1,3-4,5	45-85	0,5	0	70
Эпоксидная смола	1,6	2,1-5,5	40-85	0,6-1,0	0	80

Полимеры (искусственные материалы) в соответствии с меж­дународным стандартом (ISO) обозначают условными символами, которые облегчают маркировку торговых изделий. Ниже в алфа­витном порядке представлен ряд международных обозначений важнейших полимеров, применяемых в технике:

ABS	сополимер акрилонитрил-	РР	полипропилен
	бутадиен-стирол	РРО	полиоксифенилен
АР	аминопласты	PS	полистирол
СА	ацетат целлюлозы	PSO	полисульфон
САВ	ацетатобутират целлюлозы	PUR	полиуретан
ЕР	эпоксидная смола	PVAC	поливинилацетат
FP	фенопласты (фенольные ма­	PCV	поливинилхлорид
	териалы)	SAN	сополимер стирол - ак-
РА	полиамиды		рилонитрил
PC	поликарбонаты	SB	сополимер стирол - бута­
РЕ	полиэтилен		диен
PTFE	политетрафторэтилен	SI	силиконы
PI	полиимиды	TS	искусственный материал
РММ	полиметилметакрилат	UP	ненасыщенные полиэстры
РОМ	полиформальдегид, поли-
	оксиметилен
	Глава	29

ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ