1.1. Деформационные характеристики полимеров

и их связь со строением макромолекул.

Для того, чтобы анализировать комплекс механических свойств полимеров, необходимо сначала ознакомиться с некоторыми понятиями из материаловедения. Важным обстоятельством этого рассмотрения является то, что, говоря о механических свойствах полимеров, мы имеем в виду свойства макроскопических тел, имеющих определенную форму и приготовленных определенным образом. Как будет видно в дальнейшем, механические характеристики таких тел очень сильно зависят от способа их изготовления.

Механические свойства полимеров разделяются на деформационные и прочностные. Главным объектом при изучении деформационных свойств является деформация, т. е. способность тела менять размеры и форму при действии на них внешних сил.

Деформацию полимерных тел делят на упругую, высокоэластическую и пластическую (необратимую). Важной характеристикой при изучении деформационных свойств полимерных тел является модуль упругости Е— мера жесткости материала, характеризующая сопротивление развитию необратимых деформаций. Величина, обратная модулю — 1/Е, называется податливостью. Самыми простыми типами деформации являются простой сдвиг и всестороннее сжатие (или растяжение), которые возникают при действии на тело касательных (_т) или нормальных (_н) напряжений (рис. 1).

Рис. 1. Различные виды деформаций: а — простой сдвиг, б — всестороннее

сжатие, в — простое растяжение.

При сдвиге модуль

G_т=_т /,

где  — величина угла деформации (при малых его значениях. В общем случае — tg). При всестороннем сжатии модуль

K = — P/(V/V).

При простом растяжении стержня под действием продольного напряжения происходит одновременно продольная деформация _прод и поперечное сжатие _попн. При этом модуль упругости равен

E = _н /_прод,

где _прод = / (это выражение для модуля упругости вытекает из закона Гука, согласно которому  = Е^.), а отношение поперечных и продольных деформаций, возникающих при растяжении

 = |_поп|/|_прод|,

называется коэффициентом Пуассона. Модуль упругости Е имеет ту же размерность, что и напряжение, так как  — величина безразмерная, т. е.  = f/S, кгс/см² или же Н/м² (Па, а также МПа = 10⁶ Па, ГПа = 10⁹ Па). При этом 1 ГПа равен примерно 100 кгс/мм². Значения модулей упругостей некоторых материалов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Материал	Е (МПа)
Сталь Медь Цинк Кварц Полимеры (в стеклообразном состоянии) Полимеры (в высокоэластическом состоянии) Газы	(20— 22).104 10.104 (8—13).104 (8—10).104 (1—5).103 0,2—10 0,1

К деформационным свойствам относят следующие.

Упругость и высокоэластичность(эластичность) — способность тела восстанавливать свою форму и размеры после прекращения действия внешних сил. В узком смысле слова под упругими деформациями часто понимают только мгновенно-упругие, т. е. деформации, происходящие со скоростью звука (Е10⁴—10⁶ кгс/см²). Для запаздывающих механических обратимых деформаций, которым соответствуют существенно меньшие модули упругости (10^-1---10² кгс/см²), обычно употребляют термин “высокоэластические”, относя его к малым деформациям этих тел.

Жесткость и мягкость — качественные характеристики деформируемости твердых тел. Жесткими обычно называют по-лимерные материалы, имеющие модуль Юнга выше 10⁴ кгс/см², а мягкими — меньше 10⁴ кгс/см².

Вынужденная эластичность (квазиэластичность) — это способность твердых полимерных тел испытывать большие деформации, имеющие тот же механизм, что и высокоэластические деформации, но исчезающие после снятия напряжения только при повышении температуры образца или его набухании. Для развития вынужденной высокоэластической деформации необходимо, чтобы напряжение превышало некоторое значение _в — предел вынужденной высокоэластичности.

Пластичность — свойство твердых тел развивать не-обратимые (истинно остаточные) деформации. Для твердых тел их осуществление требует достижения некоторого наименьшего напряжения, называемого пределом текучести.

При изучении прочностных свойств основным объектом является прочность, т. е. способность твердого тела сохранять целостность при действии нагрузок. Обычно прочностные свойства характеризуют пределом прочности — величиной напряжения, при котором происходит разрушение тела в условиях нагружения, проводимое в определенном режиме роста деформации и продолжающееся обычно не более нескольких минут.

Если испытание полимерного тела ведется в условиях сохранения постоянного напряжения, то прочностным свойством, характеризующим продолжительность времени от момента нагружения полимерного тела до его разрушения, является долговечность. Хрупкость — свойство полимерного тела разрушаться при малых упругих деформациях. Обычно это свойство реализуется при низких температурах (ниже температуры хрупкости - Т_хр). Еще одним прочностным свойством, заслуживающим упоминания в настоящем кратком разделе пособия, является ударная вязкость — свойство тел сопротивляться кратковременным ударным воздействиям; измеряется она отношением работы, затраченной на разрушение образца, к площади поверхности, образовавшейся в результате разрушения.

Испытания полимерных тел проводятся в самых различных режимах — при растяжении, изгибе, кручении, многократных ударных нагрузках, а также в различных температурных условиях. На каждый вид испытания в каждой стране существуют определенные стандарты.

В настоящем разделе будут рассмотрены только испытания полимерных тел в режиме продольного растяжения. Они могут проводиться при постоянной температуре в условиях возрастающего нагружения образца или при постоянной нагрузке при закономерном повышении температуры. В первом случае получаются деформационные кривые, характеризующие зависимость “напряжение — деформация”, во втором — термомеханические кривые, характеризующие зависимость “деформация — температура” при постоянном напряжении.

Для более детального рассмотрения деформационных свойств полимерных тел в различных фазовых, агрегатных и физических состояниях целесообразно эти состояния кратко охарактеризовать.

Твердому агрегатному состоянию полимерного вещества соответствуют аморфное и кристаллическое фазовые состояния. Как правило, полимерное тело существует в кристаллическом, аморфно-кристаллическом, т. е. представляет собой двухфазную систему с чередованием аморфных и кристаллических участков, или аморфном (стеклообразном) состоянии

Стеклообразное состояние аморфных полимеров, реализующееся ниже температуры стеклования — Т_с, характеризуется наличием колебательного движения атомов полимерной цепи около положения равновесия. При нагревании выше температуры стеклования полимерное тело переходит в высокоэластическое состояние, которое характеризуется наличием крутильных колебаний достаточно протяженных сегментов цепи, при этом сама цепь приобретает способность изгибаться, однако смещение центров масс макромолекул друг относительно друга не реализуется. При дальнейшем нагревании линейного полимера по достижении температуры текучести — Т_т центры масс макромолекул начинают смещаться друг относительно друга, и полимер приобретает способность течь, т. е. переходит в жидкое агрегатное состояние. Это состояние называется вязкотекучим. Для кристаллических и аморфно-кристаллических полимеров температура текучести совпадает с температурой плавления кристаллической фазы.