книги из ГПНТБ / Трилор, Л. Введение в науку о полимерах

где X может быть СН3 или С1. Полимеры такого строе­ ния называются виниловыми полимерами, причем, как подчеркивалось в предыдущей главе, расположение бо­ ковой группы X относительно центрального атома угле­ рода в таких полимерах может быть различным. Полиакрилонитрил — это атактический полимер, и он не кри­ сталлизуется, что является некоторым исключением из правила о кристаллизуемости волокнообразующих поли­ меров. На самом деле важна не кристаллизация сама по себе, а ориентация и упорядоченное расположение молекул, чему обычно способствует кристаллизация, так как она приводит к усилению межмолекулярного взаи­ модействия, стабилизуя ориентированную структуру. Взаимодействие между цепями в полиакрилоиитриле, об­ условленное присутствием в макромолекулах групп CN, достаточно велико, чтобы ориентация молекул сохрани­ лась и в отсутствие кристаллизации. (Не вызывает со­ мнения, что если бы был получен изотактический полиакрилонитрил, то он был бы и кристаллическим, и волокнообразующим.)

Акриловые волокна нельзя получать прядением из расплава по той простой причине, что эти полимеры не плавятся. Не будучи кристаллическими, они не имеют четкой температуры плавления, но в то время как боль­ шинство полимеров при высоких температурах размяг­ чаются и текут, температура течения полиакрилонитрила н его производных лежит выше температуры разложе­ ния. Виниловые полимеры, однако, можно растворить в некоторых растворителях и перерабатывать раствор, ре­ генерируя исходный полимер испарением растворителя (сухое прядение) или коагуляцией в соответствующей жидкой ванне (мокрое прядение). Выбор метода формо­ вания зависит от природы второго компонента в сопо­ лимере. После экструзии (пока волокна еще содержат некоторое количество жидкости) их подвергают растя­ жению, чтобы вызвать необходимую ориентацию молекул. Форма поперечных срезов волокон из полиак­ рилонитрила меняется в зависимости от способа их про­ изводства, но типичной для них является сплющенность, что обусловлено сокращением волокна при сушке (рис. 8.12, б).

12.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выбор материалов, из которых можно формовать во­ локна, очень обширен, и в этой главе мы рассмотрели только некоторые, наиболее важные из них. Наша цель была показать принципы получения волокон и способы регулирования их свойств.

Разнообразие веществ, которые можно получать в форме волокон, приводит к выводу, что конкретное при­ менение данного полимера определяется в основном его физическими свойствами. Важнейшими физическими свойствами волокон являются высокая прочность, высо­ кий модуль эластичности или устойчивость к деформа­ ции, а также высокая температура размягчения. Эти свойства зависят не только от химической природы полимера, но и довольно сложным образом от его физиче­ ского состояния или от структуры, например от кристал­ личности, степени ориентации и т. д., а это в свою очередь определяется техническими условиями их получе­ ния. Модифицируя процессы получения волокон, можно менять в широких пределах физические свойства послед­ них. Из сказанного следует, что очень трудно предска­ зать, будет ли данный полимер служить перспективным волокнообразующим материалом, так как это во многом зависит от все время повышающегося уровня техниче­ ского развития, от потребностей рынка, а также от эко­ номических факторов, таких, как, например, стоимость исходных материалов, масштаб производства, конкурен­ ция с другими видами материалов. Для того чтобы на­ ладить производство волокна, имеющего спрос, нужно затратить многие годы труда и сделать огромные капи­ таловложения, причем далеко не всегда эти затраты оказываются оправданными. Но если потери в случае неудачи и велики, то экономическая отдача от произ­ водства хорошего волокна может быть также весьма весомой.

Г л а в а 9

ПРОЧНОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ

1. РОЛЬ ПРОЧНОСТИ

Использование материалов в конкретных целях об­ условлено в первую очередь определенным комплексом их физических свойств. Кроме того, они должны удовле­

обязательно. Если какой-либо конкретный материал об­ ладает физическими свойствами, соответствующими определенным практическим требованиям, и существует удобный способ его производства, то такой материал непременно находит применение независимо от того, природный он или синтетический, органический или не­ органический, полимерный или металлический. С этой точки зрения полимерные материалы постоянно конку­ рируют со множеством материалов разных типов, и ус­ пешное их применение в промышленности зависит от того, насколько полно используются потенциальные фи­ зические свойства этих материалов. Это требует систе­ матического накопления данных по их физическим свой­ ствам, а также по способам, которыми эти свойства можно контролировать, и областям их применения с наибольшей эффективностью.

Самым главным из практически важных физических свойств материала является прочность . Очевидно, что ломкий материал непригоден для эксплуатации, как бы привлекателен он ни был с других точек зрения. Это справедливо при изготовлении любых изделий: железно­ дорожных мостов и холодильников, крыльев самолета и ветровых стекол автомобиля. Пластмассы, в частности, приобрели некоторую неблагоприятную репутацию вслед­ ствие их хрупкости, причем иногда они были просто не­ пригодны для данных конкретных целей, а иногда при

изготовлении из них изделий не было уделено должного внимания механическим напряжениям, с которыми при­ ходится сталкиваться в процессе эксплуатации.

Эта проблема весьма сложна. Прочность не является таким физическим свойством данного материала, как плотность, твердость, модуль эластичности или электро­ проводность. Если, например, десять школьников опре­ деляют плотность стекла для нескольких одинаковых об­ разцов, то разброс результатов их измерений не превы­ сит нескольких десятых процента. Но если их попросить оценить прочность, например иа изгиб, этих образцов, то

самой природе оцениваемого свойства. Типичные экспе­ риментальные результаты испытания прочности стеклян­ ной пластинки представлены на рис. 9.1, где показано, сколько из испытанных образцов имеют конкретную прочность в любом данном интервале. Из этого опыта видно, что даже в наиболее благоприятных лаборатор­ ных условиях кажущиеся одинаковыми образцы из од­ ного и того же материала сильно отличаются друг от друга по прочности.

Эта присущая материалу изменчивость свойств об­ условлена тем, что прочность представляет собой так называемое структурно-чувствительное свойство. Этот термин означает, что любое незначительное изменение структуры материала, которое не оказывает значитель­ ного влияния на другие физические свойства, может иметь глубокое и совершенно непропорциональное влия­ ние на его прочность. Такие изменения возникают по разным причинам, например в результате незначитель­ ных отклонений в составе материала в различных его точках, из-за наличия частиц пыли или других примесей, вследствие механических напряжений, возникших при переработке материала. Однако наиболее важной причи­ ной нарушения структуры, как мы увидим ниже, являют­ ся поверхностные дефекты — очень тонкие царапины или маленькие трещинки, которые неизбежно возникают при переработке материала и в процессе его эксплуа­ тации.

Большинство из обычных измеряемых свойств мате­ риалов— плотность, теплоемкость, показатель преломле­ ния, модуль эластичности и т. д. — это свойства, усред­ ненные по всему образцу, и поэтому любое небольшое

Напряжение, МНм

Рис. 9.1. Распределение экспериментальных значений прочности стеклянных пластинок (Холланд и Тернер, 1934 г.).

изменение в структуре материала приводит только к не­ большому изменению этих средних свойств. В противо­ положность им прочность — свойство экстремальное: разрушение происходит в наиболее слабом месте об­ разца. Хорошо известно высказывание: «Прочность цепи определяется наиболее слабым ее звеном», воплощаю­ щее важный принцип, на котором основаны все измере­ ния прочности. Наибольшие по величине трещины и дефекты структуры суть ее наиболее слабые места,

определяющие максимально допустимые напряжения. Вследствие различной природы этих нарушений структу­

перед инжем-ером-проектировщиком. Проект рассчиты­ вают на основе минимальных значений прочности, с которыми можно когда-либо встретиться на практике. Этот минимум, безусловно, ниже средней величины проч­ ности, но определить его точно нельзя. Поэтому инженер­ ная практика пошла по пути создания «запаса проч­ ности», перекрывающего эту неопределенность. Запас прочности в 10 раз и более — явление очень распростра­ ненное в инженерной практике. Это может и не приве­ сти к большим осложнениям в строительстве тяжелых сооружений, например мостов, однако при конструиро­ вании самолетов такой подход неприемлем. Поэтому важно не только разрабатывать высокопрочные мате­ риалы, но и тщательно изучать факторы, от которых зависит изменение их прочностных показателей.

10 кг/мм2 . Ориентация молекул приводит к повышению показателя прочности, в случае стеклообразных полиме­ ров она может возрасти при этом вдвое. Прочность во­ локон также связана с их молекулярной ориентацией, и наиболее высокоориентированные волокна—лен, вискоз­ ное волокно для шинного корда, высокопрочный найлон (также используемый для шинного корда)—имеют проч­ ность в интервале от 70 до 100 кг/мм2 . Менее ориенти­ рованные волокна, например шерсть и обычное вискозное волокно, обладают меньшей прочностью, хотя она и вы­ ше соответствующих значений для неориентированных кристаллических полимеров, таких, как нерастянутый найлон.

Сравнивая полимерные волокна с металлами, можно убедиться, что они прочнее алюминия, но менее прочны, чем стальные волокна (струны для рояля). Различие

между высокопрочным шинным кордом (из вискозного волокна или найлона) и сталью не так уже велико (всего в 2 раза).

Данные, представленные в табл. 9.1, представляют собой прочность в расчете на площадь поперечного се­ чения образца, т. е. силу, деленную на площадь попереч­ ного сечения. Однако в ряде случаев (например, в са­ молетостроении) важно знать именно массу материала, выдерживающую данную нагрузку. Этот фактор можно оценить, сравнивая прочности, отнесенные к массе ве­ щества. Для этого надо прочность, определенную выше­ указанным способом, разделить на плотность материала. Такое сравнение оказывается в пользу высокопрочных полимерных волокон, как видно из табл. 9.2. В таблицу также включены данные для графитовых волокон, ко­ торые будут рассмотрены ниже в связи с армированием полимеров,

локно

Для того чтобы читатель более наглядно представил себе приведенные значения прочности, рассмотрим такой пример. Нить из высокопрочного найлона с площадью по­ перечного сечения 1 мм2 (диаметр 1,13 мм) выдерживает вес человека ( ~ 80 кг или 800 Н). Чтобы выдержать такой вес, нужна стальная проволока с площадью по­ перечного сечения 0,4 мм2 (диаметр 0,71 мм), однако в случае стеклянного или плексигласового волокна следует увеличить этот параметр до 10 мм2 (диаметр стержня должен быть 3,6 мм).

3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ТВЕРДОГО ТЕЛА

При любой конкретной практической разработке по­ лезно знать, каковы теоретически возможные пределы. Это дает возможность предсказать перспективы разви­ тия конкретного направления и избежать траты времени на бесполезные эксперименты. Поэтому не удивительно, что ученые уделяют столь большое внимание вопросу теоретической прочности материалов. Такие теоретиче­

сический случай — каменная соль (NaCI), имеющая кри­ сталлическую решетку кубического типа. Решетка этого типа состоит из чередующихся положительных ионов нат­

мов хлора, захвативших по одному электрону). В любой

на сила притяжения, действующая между одним поло­ жительным и одним отрицательным ионами, а также число ионов на единицу поверхности, то легко рассчи­ тать полную силу, требующуюся для разделения этих поверхностей.

Необходимые для такого расчета данные можно по­ лучить из различных источников. Согласно закону Ку­ лона, сила притяжения между разноименными единич­ ными зарядами прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстоя­ ния между ними. Таким образом, если х— расстояние между центрами Na+ и С1~, то эта составляющая силы дается выражением А/х2, где А — константа. Однако ме­ жду ионами действует не только сила притяжения, стре­ мящаяся соединить их (х = 0), но и сила отталкивания,

возникающая как результат взаимодействия одноимен­ ных, положительно заряженных атомных ядер. Эта сила убывает с расстоянием между ионами значительно бы­ стрее, чем сила притяжения; она обратно пропорцио­ нальна расстоянию в десятой степени. Следовательно, результирующую силу притяжения ионов можно запи­ сать в виде разности

где В— другая константа.

Вид функции, описываемой уравнением (9.1), показан на рис. 9.3. Точка х = а0 соответствует обычному равно-

ответствует максимальной величине силы притяжения /макс которая, будучи умноженной на число ионов на единицу площади поверхности, дает значение теорети­