2.2.Теория эластификации

Разрушение полимера, и особенно ПВХ, сильно зависит от геометрии изделия и температуры, а также от метола и скорости нагрузки. Вязкоэластичная природа полимеров делает скорость нагрузки ключевой переменной, которая отличает их от металлов. На меньшие скорости нагрузки полимер реагирует более гибким поведением, в то время как хрупкое поведение наблюдается при высоких скоростях.

Большая часть экспериментальных данных была получена для поведения при ударе образцов с надрезом, которые связаны с высокоскоростным трехосным напряжением, прилагаемым к верхней части надреза. Материал в зоне или рядом с зоной разрушении испытывает на себе несколько сложных явлений, которые могут включать деформацию цепи, растяжение волокна и разрыв на молекулярном уровне с внутренним образованием новых поверхностей, вытягивание и движение, а также местный нагрев.

Для термопластов, таких как ПВХ, было выделено два основных механизма разрушения: образование трещин и сдвиговая деформация. Также следует отметить, что во многих случаях во время разрушения имеют место сочетания этих механизмов, которые также могут сопровождаться другими эффектами, такими как разрушение матрицы, растяжение и разрыв частиц.

Образование трещин происходит в том случае, если полимер реагирует на неожиданное приложение нагрузки за счет образования микротрещин или пустот в направлении перпендикулярном направлению приложения нагрузки. Грани микротрещин растут независимо друг от друга, пока удерживаются фибриллами, присутствующими на каждой грани. Микротрещины, удерживаемые фибриллами, известны под названием «волосяная трещина». Но мере того как такая трещина продолжает расти, ее грани разрываются и затем вытягивают фибриллы. Фибриллы продолжают расти до степени, которая регулируется концентрацией молекулярных спутанностей. Фибриллы характеризуются диаметром примерно 20 нм, а соотношение вытягивание составляет от 2 до 5. Схематично процесс представлен на рис.15.

^Рис.15

Первоначальное образование граней трещины и последующее вытягивание фибрилл состоит из механизма поглощения энергии, который помогает полимеру выдерживать прикладываемую нагрузку и регулировать расширение трещины. Однако, если нагрузка достаточно велика, грани трещины могут продолжать развиваться до того момента, когда рост тещины пройдет сквозь материал и приведет к полному разрушению образна. Также несколько растущих трещин могут соединиться и образовать одну быстро растущую трещину. Было подсчитало, что напряжение в фибриллах составляет примерно 200 МПа при разрушении. Образование трещин является механизмом разрушения, характерным для хрупких аморфных стекловидных полимеров, таких как полистирол. Микроскопические тещины, которые появляются, выражаются в виде увеличения макроскопическою измеримого объема в материале. Эта особенность которая делает процесс разрушения объемным, позволяет отличать его от сдвиговой деформации. Также важно отмстить, что полимеры низкой молекулярной массы, и, следовательно, с меньшей плотностью спутанностей, являются более хрупкими, так как для регулирования роста фибрилл количества спутанностей недостаточно.

Сдвиговая деформация имеет место, когда пластик реагирует па нагрузку деформирования и течении. Этот деформационный процесс развивается в направлении примерно 45° к плоскости трещины и включает поглощение больших количеств энергии. Так как материал деформируется без образования микротрещин, практически не наблюдается изменения объема, в отличие от процесса с их образованием. Следовательно, сдвиговая деформация является необъемным процессом. Сдвиговая деформация происходит в более гибких термопластичных полукристаллических матрицах, таких как полиамиды, сложные полиэфиры, полипропилен и ПВХ. Поликарбонат бисфенола-А является исключительно жестким стекловидным полимером, который испытывает пластичное разрушение в топких областях. Вообще, энергия, поглощаемая при сдвиговой деформации, значительно больше, чем энергия, поглощаемая при образовании трещин.

Знание механизма разрушения, который может иметь место в полимерах пол воздействием ударной нагрузки, является ключом к выбору типа и размера модификатора, используемою для увеличения жесткости. Бакналл показал, что дилатометрия растяжения, т. е. измерения изменения объема в то время, когда материал подвергается одноосевой деформации, достаточно полезно при определении будет ли полимер подвергаться разрушению с образованием трещин или сдвиговой деформации.

Долгое время считалось, что функцией эластификатора является инициирование или улучшение истинного механизма разрушения матрицы и стимулирование поглощения энергии всем материалом за счет изменения локальных напряжений и стимулирования регулируемой деформации. Сам эластификатор поглощает только часть энергии удара, которая по оценкам составляет примерно десятую часть общей энергии.

При образовании волосяных трещин контроль за ними до их превращении просто в трещины требует использования достаточно больших частик, чтобы они смогли удерживать рост волосяных трешки Прекрасным примером такого типа ужесточения структуры является высоко ударопрочный полистирол, в котором полимерные частицы размером как минимум 1 мкм используется для придания жесткости матрице полистирола. Бакнал и другие исследователи подробно изучили этот процесс и установили, что большие частицы играют двойственную роль и стимуляции процесса образования трещин и остановке роста трещин до того, как он станет нерегулируемым.

Сдвиговая деформация стимулируется и лучше усиливается при помощи маленьких полимерных частиц, обычно значительно меньше 1 мкм. Один вариант объяснения этого поведения заключается в том, что более высокое напряжение вокруг частиц снижает локальное напряжения полимера и позволяет ему подвергаться сдвиговому потоку. Также большое число частиц способствует протеканию механизма поглощения энергии на большем количестве центров. Макроскопическое напряжение полимермодифицированного материала ниже, чем в немодифицированном материале.