Особенности свойств полимерных материалов

Особенности строения полимеров оказывают большое влияние на их физико-механические и химические свойства.

Вследствие высокой молекулярной массы они неспособны переходить в газообразное состояние, при нагреве образовывать низковязкие жидкости, а термостабильные даже не размягчаются. С повышением молекулярной массы уменьшается растворимость.

Полидисперсность, присущая полимерам, приводит к значительному разбросу показателей при определении физико-механических свойств полимерных материалов. Механические свойства полимеров (упругие, прочностные) зависят от их структуры, физического состояния, температуры и т. д.

Полимеры могут находиться в трех физических состояниях: отеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем.

Стеклообразное состояние — твердое, аморфное (атомы, входящие в состав молекулярной цепи, совершают колебательное движение около положения равновесия; движения звеньев и перемещения макромолекул не происходит).

Высокоэластическое состояние присуще только высокополимерам, характеризуется способ -ностью материала к большим обратимым изменениям формы при небольших нагрузках (колеблются звенья, и макромолекула приобретает способность изгибаться).

Вязкотекучее состояние напоминает жидкое состояние, но отличается от него очень большой вязкостью (подвижна вся макромолекула). С изменением температуры линейный или разветвленный полимер может переходить из одного физического состояния в другое.

Полимеры с пространственной структурой находятся только в стеклообразном состоянии. Редкосетчатая структура позволяет получать полимеры в стеклообразном и высокоэластическом состояниях. Различные физические состояния полимера обнаруживаются при изменении его деформации с температурой. Графическая зависимость деформации, развивающейся за определенное время при заданном напряжении, от температуры называется термомеханической кривой (рис. ).

Рис. . Термомеханические кривые некристаллического линейного (1), кристаллического (2) и редкосетчатого (3) полимеров

(t_c, t_к, t_т, t_х - температуры стеклования, кристаллизации, начала вязкого течения и начала химического разложения соответственно)

I – II – III - участки стеклообразного, высокоэластического и вязкотекучего состояний

На кривых имеются три участка, соответствующие трем физическим состояниям. Средние температуры переходных областей называются температурами перехода. Для линейного некристаллизирующегося полимера (кривая 1) область I - область упругих деформаций (ε = 2 ÷ 5 %), связанная с изменением расстояния между частицами вещества. При температуре ниже t_xp полимер становится хрупким. Разрушение происходит в результате разрыва химических связей в макромолекуле. В области II небольшие напряжения вызывают перемещение отдельных сегментов макромолекул и их ориентацию в направлении действующей силы. После снятия нагрузки молекулы в результате действия межмолекулярных сил принимают первоначальную равновесную форму. Высокоэластическое состояние характеризуется значительными обратимыми деформациями (сотни процентов). Около точки t_т кроме упругой и высокоэластической деформации возникает и пластическая.

Кристаллические полимеры ниже температуры плавления - кристаллизации t_к - являются твердыми, но имеют различную жесткость (см. рис. , кривая 2) вследствие наличия аморфной части, которая может находиться в различных состояниях. При t_к кристаллическая часть плавится и термомеханическая кривая почти скачкообразно достигает участка кривой 1, соответствующего высокоэластической деформации, как у некристаллического полимера.

Редкосетчатые полимеры (типа резин) имеют термомеханическую кривую типа 3. Узлы сетки препятствуют относительному перемещению полимерных цепей. В связи с этим при повышении температуры вязкого течения не наступает, расширяется высокоэластическая область и ее верхней границей становится температура химического разложения полимера (t_х).

Температурные переходы t_с и t_т) являются одними из основных характеристик полимеров.

Зависимость напряжения от деформации для линейных и сетчатых полимеров различна. Линейные полимеры в стеклообразном состоянии обладают некоторой подвижностью сегментов, поэтому полимеры не так хрупки, как неорганические вещества.

Высокоэластическое состояние присуще лишь полимерам. В температурном интервале от температуры стеклования до температуры текучести подвижность приобретают только сегменты. Поэтому макромолекулы становятся гибкими и могут изменять конфигурацию под воздействием внешних сил. Температура текучести зависит от строения цепи и величины сегмента, т. е. от ее гибкости. У жесткоцепных полимеров температуры стеклования и текучести могут быть близки, и тогда полимер при температуре выше температуры стеклования сразу переходит в вязкотекучее состояние. При температуре выше Т_т полимер представляет собой вязкую жидкость, поскольку макромолекулы уже могут перемещаться целиком. У аморфных полимеров изменения состояний при Т_с и Т_т происходят постепенно в отличие от скачкообразного изменения у кристаллических полимеров.