Лабораторная работа № 5 методы определения деформационно-прочностных свойств полимеров и полимерных материалов при различных скоростях растяжения

Цель работы: определить прочность и относительное удлинение образцов полимеров и полимерных материалов при различных скоростях растяжения.

Приборы и оборудование, материалы и реактивы: разрывная машина РТ-250М, образцы плёнки или листового полимерного материала, ножницы, штангенциркуль, миллиметровая бумага.

Теоретическое введение

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 трёх 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 свойствена только полимерам и характеризуется возможностью высоких обратимых деформаций. За счёт 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. Типичные кривые зависимости напряжение-деформация полимеров различного типа показаны на рисунке.





О

Кривые зависимости напряжение-деформация

для полимеров различного типа при температуре ниже Т_с или Т_пл:

1 – кристаллический полимер; 2 – кристаллизующийся при растяжении

полимер; 3 – аморфный полимер

При напряжении ниже предела текучести полимера возникает упругая деформация, изменяющаяся по закону Гука (участок ОА). При напряжении выше предела текучести возникает вынужденная высокоэластическая деформация, известная также как холодная вытяжка (участок АД или ВД).

Внешним признаком проявлений вынужденной эластичности является резкое локальное сужение образца (образование шейки). На кривых деформация-напряжение образованию шейки соответствует точка А (кривые 1 и 2) или участок АВ (кривая 3). Высокоэластическая деформация на образце полимера развивается при удлинении шейки и продолжается до того момента, пока вся рабочая часть образца не «перетечёт» в шейку (участок АД или ВД). У аморфных полимеров решающую роль при развитии вынужденной высокоэластичности играют структурные перестройки, связанные с движением сегментов (участок АВ), в то время как в кристаллических полимерах эта деформация связана с перестройкой надмолекулярных структур, например, переход сферолитной структуры к фибриллярной. После исчерпания возможности к вынужденной высокоэластической деформации (точка Д) модуль упругости вытянутого образца значительно возрастает, и он деформируется по зависимости, близкой к закону Гука до момента разрушения (конечные точки кривых).

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 определённую 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 создаётся, но уже для более термодинамически выгодного состояния.

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

Методика проведения работы

Работу выполняют на разрывной машине РТ-250М. Для этого из плёнки или листа полимерного материала с помощью вырубочного ножа (штанца) вырезают по шесть одинаковых образцов в форме двусторонней лопаточки с рабочим участком длиной 25 мм, шириной 10 мм при общей длине 75 мм. В образцах отмечают рабочий участок. Перед проведением испытаний образца при помощи штангенциркуля измеряют толщину и ширину рабочей части образца с точностью 0,05 мм, результаты записывают в таблицу.

Для работы с заданной скоростью в машине имеется устройство для плавного регулирования скорости перемещения нижнего зажима от 25 до 250 мм/мин. Привод и мотор динамометра реверсивные, позволяющие опускать и поднимать нижний зажим. Подъём зажима осуществляется на предельной скорости после нажатия на кнопку «вверх». После разрушения образца машина автоматически останавливается.

Работа на динамометре начинается с подбора груза. Груз для испытаний с нагрузкой до 0,5 Н установлен на штанге маятника постоянно. Необходимо следить, чтобы стрелка шкалы силоизмерителя и шкалы деформаций в начальный момент находилась на нуле. Скорость движения нижнего зажима устанавливают по указателю скорости.

Перемещением нижнего зажима устанавливают необходимое расстояние между зажимами – 25 мм. Образец закрепляют в верхнем зажиме. Во избежание выхода из строя динамометра необходимо строго следить за тем, чтобы подвеска верхнего зажима была зажата арретиром (не двигалась). Затем закрепляют образец в нижний зажим, поворачивают ручку арретира и освобождают подвеску зажима. Перед началом испытаний проверяют установку стрелок измерения нагрузки и деформации на «ноль», затем включают машину.

Максимальное усилие, приложенное к образцу, фиксируется на шкале контрольной стрелкой, а абсолютную деформацию образца (в миллиметрах) измеряют по шкале деформаций. Следует помнить, что поворот шкалы на одно деление относительно указателя соответствует удлинению образца на 1 мм.

Образцы испытывают при скоростях 30, 60 и 240 мм/мин. По полученным экспериментальным данным производят расчёт прочности полимерного материала при разрыве (разрушающего напряжения при растяжении) _рр в МПа.

Разрушающее напряжение при растяжении _рр представляет собой отношение нагрузки F_рр, при которой разрушился образец, к площади первоначального попе­речного сечения образца A₀.

где F_рр – нагрузка, при которой образец разрушился, Н;

A₀ – площадь первоначального поперечного сече­ния образца на рабочем участке, м²;

A₀ = b ∙ h, где b – ширина рабочей части образца, м; h – толщина рабочей части образца, м.

Расчёт относительного удлинения при разрыве (%) производят как отношение приращения расчётной длины образца Δl_ор (абсолютного удлинения, измеренного в момент разрыва) к начальной расчётной длине l₀ (25 мм):

.

Результаты испытаний образцов оформляют в виде таблицы.

Результаты испытаний образцов

Номер образца	Скорость растяжения, мм/мин	Ширина рабочей части образца, м	Толщина рабочей части образца, м	Площадь первоначального попе­речного сечения рабочей части образца, м2	Разрушающая нагрузка, Н	Разрушающее напряжение при растяжении рр, МПа	Абсолютное удлинение образца, м	Относительное удлинение образца, %

По результатам испытаний делают вывод о влиянии скорости нагружения и, следовательно, релаксационных процессов на прочность и деформируемость испытуемого полимерного материала.

Контрольные вопросы