Физические свойства полимеров

При эксплуатации полимерные изделия подвергаются действию различных внешних полей: механических, тепловых, электрических, магнитных и др. Физические свойства представляют отклик на это действие и разделяются на механические, тепловые, электрические и т.д. Физические свойства полимеров определяются их структурой, физическим и фазовым состоянием в процессе эксплуатации.

Механические свойства полимеров

Определяют изменение структуры, размеров. формы тела при воздействии на него механических сил. В зависимости от величины и времени действия силы полимерные материалы могут изменять форму или разрушаться. Соответственно этому различают деформационные и прочностные свойства. Деформационные свойства характеризуют способность полимерных материалов деформироваться под воздействием механических напряжений, а прочностные - способность сопротивляться разрушению.

Механические свойства полимеров сильно отличаются от свойств других конструкционных материалов. Главное отличие: сильная зависимость не только от состава и строения полимера, но и от внешних сил. Режим деформирования и характер действия внешних сил во многом определяют работоспособность полимерных материалов. Различают статические и динамические режимы нагружения. К статическим относят воздействия при постоянных нагрузках или деформациях, а также при небольших скоростях нагружения, а к динамическим - ударные или циклические воздействия.

Деформационные свойства полимеров

Деформация - это изменение размеров, объема и формы под влиянием температуры, внешнего механического воздействия или внутренних сил. Чем сильнее деформация, тем больше изменение структуры и свойств полимера.

Деформационные свойства полимеров обычно оценивают по кривым напряжение-деформация (σ-ε).

На всех кривых можно выделить прямолинейный участок, где выполняется закон Гука (σ=Е·ε). Напряжение в точке А называют пределом упругости (σ_упр), а деформацию - упругой. При дальнейшем нагружении при σ > σ_упр закон Гука уже не выполняется, и в общую деформацию кроме ε_упр входят высокоэластическая ε_вэл и вязкотекучая ε_вт деформации:

ε = ε_упр + ε_вэл + ε_вт

Относительный вклад каждой составляющей деформации определяется:

1) условиями деформирования (температура, скорость и т.д.);

2) физическим состоянием полимера;

3) фазовым состоянием полимера;

4) химическим строением полимера.

Ход кривой σ-ε сильно зависит от релаксационного характера деформации. Он проявляется в: 1) отставании деформации от напряжения при действии нагрузки и 2) наличии остаточных деформаций после снятия нагрузки.

Величина остаточной деформации может служить критерием при делении полимеров на пластичные и эластичные. Пластичные сохраняют приданную им деформацию (форму) после удаления деформирующей силы и ε_ост=ε, эластичные - восстанавливают размеры и форму до первоначальных (ε_ост→0 ).

Деформационные свойства стеклообразных полимеров

Можно разделить на 3 стадии. До т.А соблюдается закон Гука, деформации малы, и форма образца практически не изменяется. Деформационные свойства полимера на первой стадии оцениваются модулем упругости Е и пределом упругости σ_упр. На второй стадии (участок В-С) наблюдается сильное растяжение при незначительном росте σ. Этот процесс называется холодным течением. В т.В возникает шейка, которая затем при постоянной толщине удлиняется до тех пор, пока не распространится на всю растягиваемую часть. В т.С весь образец переходит в шейку, и начинается стадия растяжения. Образец в виде шейки растягивается равномерно по всей длине вплоть до разрыва (т.Д).

Часто образец разрывается на II или I стадии (кривые 2 и 3).

Способность полимеров в стеклообразном состоянии к большим деформациям называется явлением вынужденной эластичности, а сами деформации - вынужденно-эластическими. Такая эластичность называется вынужденной, потому что для ее проявления недостаточно энергии теплового движения, а требуется действие больших напряжений.

Вынужденная эластичность характеризуется пределом вынужденной эластичности σ_вын. Это напряжение, необходимое для реализации вынужденной эластичности. σ_вын снижается с ростом температуры или с уменьшением скорости деформирования, а величина деформации при этом растет. При снижении температуры σ_вын повышается, и при какой-то определенной для данного полимера температуре достигает значения напряжения, при котором происходит хрупкое разрушение полимера, т.е. σ_вын = σ_хр. Эта температура называется температурой хрупкости Т_хр. При Т_хр кривая σ-ε становится неполной (кривая 3), полимер разрушается хрупко: точки А и Д совпадают. Т_хр зависит от: 1) скорости нагружения и 2) вида деформации (растяжение, сжатие, сдвиг).

Полистирол (Т_с = 373 К) характеризуется низким значением σ_хр и большой скоростью роста σ_вын с температурой. Поэтому у него более высокая Т_хр и малый интервал вынужденной эластичности. ПММА (Т_с = 383 К) имеет более высокий σ_вын и большой интервал вынужденной эластичности. В связи с этим при близких Т_с они имеют различные деформационные свойства. Полистирол нельзя использовать в изделиях, для которых требуется высокая стойкость к ударным нагрузкам (ударная вязкость). Для расширения ∆Т_вын полимеры модифицируют эластомерами. Их гибкие макромолекулы способствуют ускорению релаксационных процессов и сдвигают Т_хр в сторону меньших значений, повышая ударную вязкость.