Тема 5. Методы определения деформационных характеристик полимеров

Определение зависимости деформация – напряжение для различных типов аморфных и кристаллических полимеров, модуля упругости и предела вынужденной эластичности. Значение деформационных свойств полимеров в создании конструкций одежды и обуви.

Одними из важнейших характеристик, определяющих механические свойства полимера, область его применения и условия технологической переработки являются прочность и деформируемость. Аморфные полимеры линейной структуры могут находиться в трех физических состояниях – стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Области перехода одного состояния в другое характеризуются температурой стеклования Т_с и температурой текучести Т_т.

Для высококристаллических полимеров характерно наличие только двух состояний – кристаллического и вязкотекучего. Переход из одного состояния в другое определяется температурой плавления Т_пл. Однако полимеры с ограниченной степенью кристалличности могут иметь разную величину деформации ниже и выше температуры стеклования, что связано с влиянием аморфной части кристаллического полимера. Полимеры с малой степенью кристалличности выше температуры стеклования деформируются как аморфные (например, поливинилхлорид).

Деформацию полимеров под действием нагрузки можно разделить на три вида – упругую, высокоэластическую и пластическую. Два первых вида деформации – обратимые, пластическая – необратимая. Упругие деформации характерны для полимеров, находящихся в стеклообразном или закристаллизованном состоянии при сравнительно невысоких нагрузках. Высокоэластическая деформация свойственна только полимерам и характеризуется возможностью высоких обратимых деформаций. За счет возникновения высокоэластической деформации, полимер может удлиняться в 5-10 раз. При снятии нагрузки полимер практически полностью восстанавливает первоначальные размеры.

Высокоэластические деформации характерны для полимеров при температурах выше Т_с. При температуре ниже Т_с или Т_пл и высокой нагрузке в полимере может развиваться вынужденная высокоэластическая деформация. Полимер, подвергнутый вынужденной высокоэластической деформации, восстанавливает свои размеры только при нагреве выше Т_с.

Пластические деформации характерны для полимеров в вязкотекучем состоянии. В стеклообразном или высокоэластическом состоянии полимеров пластические деформации развиваются при нагрузке, близкой к разрушающей или при длительном действии умеренной нагрузки.

После приложения или снятия напряжения деформации в полимерах устанавливаются не мгновенно, а с запаздыванием. Зависимость величины деформации от физического состояния полимера, температуры, скорости и величины нагружения связана с релаксационными процессами в полимерах.

Релаксационными называют протекающие во времени процессы перехода системы из неравновесного состояния в равновесное. Если быстро растянуть полимер на определенную и строго фиксированную величину, в образце появится напряжение, которое с течением времени будет падать. Это происходит вследствие того, что быстрое нагружение вызывает изменение конформаций макромолекул и взаимного расположения структурных элементов, в то время как флуктуационная сетка локальных сил взаимодействия между ними за короткий промежуток времени не успевает разрушиться.

С течением времени происходит перемещение макромолекул или целых структурных элементов в более вероятное для них положение и флуктуационная сетка вновь создается, но уже для более термодинамически выгодного состояния.

Знание скорости релаксационных процессов в полимерах и умение ее регулировать имеют большое значение в технологии формования изделий и при определении области применения полимерных материалов.