1.2. Прочностные свойства полимерных тел.

Прочностные свойства полимерных тел являются одними из ключевых среди целого комплекса функциональных свойств полимеров. Они имеют самостоятельное значение при изготовлении изделий, предназначенных для эксплуатации при действии на них значительных механических нагрузок, а также являются неотъемлемым свойством изделий, имеющих другие функциональные назначения. Так, прочность гранул сорбентов для хроматографии, как и прочность полимерных мембран, является очень важной их характеристикой.

При этом важно иметь в виду, что прочностные свойства полимерных тел должны реализоваться в самых разных условиях — при температурах от — 150 до 600 С, в условиях высокой влажности, действия агрессивных веществ и т.д.

Из сказанного становится понятным, почему прочностные свойства полимерных тел до сих пор остаются предметом внимания науки о полимерах.

1.2.1. Общая характеристика процессов

разрушения полимерных тел

Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению под действием механических напряжений. Прочность полимерных материалов имеет ряд существенных особенностей по сравнению с прочностью других твердых тел — это резко выраженная ее зависимость от времени действия нагрузки и температуры, что обусловлено релаксационным характером деформирования. Для количественной оценки прочности используют различные характеристики — предел прочности, долговечность и др. (см. раздел 1.1). Так как прочность является напряжением, при котором тело разрушается, то она имеет то же обозначение () и ту же размерность (Н/м², кгс/см², кгс/мм²).

Различают кратковременную и длительную прочность. Кратковременной прочности соответствует значение, определенное при одноосном растяжении на специальных разрывных машинах при заданной скорости разрушения, испытания занимают время в пределах 1 мин. Длительная прочность — напряжение, вызывающее разрушение образца после заданной длительности действия постоянной нагрузки, обычно от 10² с до 1 года.

Важнейшим понятием является прочность теоретическая — _теор. Под этим термином понимается напряжение, при котором происходит одновременный разрыв химических связей между всеми атомами, расположенными по обе стороны от поверхности разрушения, при 0 K. Значение _теор — максимально возможная прочность твердого тела. Реальные материалы разрушаются при значительно более низких напряжениях — так называемая техническая прочность _техн.

Значения теоретической прочности могут быть рассчитаны для простых видов напряженного состояния, например, одноосного растяжения различными способами. Для неориентированных твердых полимеров теоретическая прочность составляет обычно 200 — 300 кгс/мм². Значения теоретической прочности ориентированных образцов полимеров значительно больше, что будет обсуждаться в последующих разделах главы.

Существует большое количество концепций прочности (механическая, термодинамическая, кинетическая и пр.), рассмотрение которых выходит за пределы настоящего пособия. В пособии рассматривается лишь самая общая схематическая модель разрушения полимерных тел, находящихся в различных физических состояниях.

При температурах ниже температуры хрупкости полимеры ведут себя подобно низкомолекулярным твердым телам. Очагами разрушения при нагружении обычно являются микротрещины, начальная длина которых составляет 10^-3— 10^-5 см. Долговечность образца определяется скоростью роста наиболее опасной микротрещины, которая в своем развитии переходит в макротрещину и приводит к макроскопическому разделению образца на части (хрупкое разрушение).

При разрушении полимерных тел выше Т_хр существенную роль начинают играть релаксационные процессы. Вследствие сегментальной подвижности разрыву связей может предшествовать локальная вынужденная высокоэластическая деформация, снижающая напряжение в области, прилегающей к вершине микротрещины. При Т>Т_хр могут реализовываться различные механизмы разрушений в зависимости от значений напряжения и температуры. При относительно небольших напряжениях разрушение отличается от хрупкого лишь тем, что перед растущей трещиной имеется слабо деформированная зона. При более высоких значениях  вынужденная высокоэластичность обусловливает деформационное микрорасслоение материала и образование тяжей, скрепляющих стенки трещины — так называемые трещины “серебра”.

Если напряжение превышает предел вынужденной высокоэластичности _в, вынужденная высокоэластическая деформация приводит к молекулярной ориентации всего материала, сопровождающейся резким повышением кратковременной прочности.

Разрушение в высокоэластическом состоянии. При температурах выше температуры стеклования высоко-эластическая деформация приводит к расслоению полимера на тяжи подобно микрорасслоению в трещинах “серебра”. Очагами разрушения являются надрывы, возникающие под действием напряжения в наиболее слабых местах, аналогично микротрещинам в хрупких телах.

При дальнейшем нагружении образца происходит разрыв тяжей по мере углубления зоны разрушения. При этом напряжение в оставшемся сечении возрастает до критических значений, при которых начинается быстрый рост трещины без образования тяжей.

Пластическое разрушение полимеров. Начиная с некото-рой температуры Т_пл линейный полимер разрушается как пластический материал — напряжение приводит к накоплению необратимой деформации, образованию “шейки” и разрыву материала в “шейке”. Прочностной характеристикой является предел пластичности _пл, зависящий от температуры и скорости деформации.

При изучении полимерных тел было показано, что лишь небольшая доля связей (1020%) нагружается значительно и перенапряжения достигают максимальных значений. Такие связи играют главную роль в разрушении, поскольку в них зарождаются трещины. Структурная неоднородность полимера (границы микрообластей различной степени упорядоченности, дефекты и пр.) обусловливает неравномерное распределение напряжений даже при простых видах нагружения.