Пластическая и общая деформация полимеров
Деформация полимеров в вязкотекучем состоянии носит необратимый характер и называется пластической. Величину пластической деформации можно определить по формуле
,
где
– напряжение сдвига;
– время действия напряжения;
– вязкость расплава.
В условиях текучести полимеры имеют специфическую зависимость деформации от напряжения:
,
где
n
– индекс течения;
– предельное напряжение сдвига, т.е.
напряжение, при котором начинается
течение. Тела, течение которых начинается
при любом значении напряжения
,
– вязкие; тела,
обладающие
,
ниже которого течение не возникает, –
пластичные (тела Бингама).
Графическая зависимость деформации от напряжения показана на рис. 30. Вязкое тело и идеально пластичное тело имеют линейные зависимости. Для псевдопластичного тела наблюдается криволинейная зависимость, что объясняется наложением на деформацию течения высокоэластических обратимых деформаций.
Эластичность расплавов полимеров оказывает влияние на течение и определяет отличия реологического поведения полимеров от гидродинамики простых жидкостей. Перечислим основные формы проявления эластичности при течении полимеров.
А
номалия
вязкости является прямым следствием
эластических деформаций.
Эластичность в расплаве полимера, в отличие от низкомолекулярных жидкостей, приводит к постепенному нарастанию напряжения в соответствии с развитием эластических деформаций. В начальный момент в системе возникает напряжение больше, чем то, которое может быть обусловлено собственно сопротивлением вязкому течению. Это приводит к тому, что на экструдерах, вальцах и каландрах необходимо устанавливать более мощные моторы, чем это требуется для поддержания стационарного процесса течения в перерабатываемом материале.
При экструзии может наблюдаться искажение формы струи, что является следствием развития больших высокоэластических деформаций, которые приводят к скольжению полимера по стенкам капилляра и срыву струи (полимер теряет связь со стенками вследствие утери способности к сегментальному течению и выскакивает из канала, как пробка).
Эластические деформации, накапливающиеся при течении, релаксируют при выходе из капилляра или головки экструдера. Это приводит к сокращению струи. Если струя длинная, то сокращение ее длины незаметно; однако оно проявляется в «разбухании» струи, увеличении ее поперечного сечения по сравнению с сечением канала. Это явление называется высокоэластическим восстановлением, или Баррус-эффектом. Чем выше эластичность расплава, тем больше увеличивается диаметр струи. Это явление приводит к необходимости сложных расчетов диаметра отверстия, которое обеспечит получение профиля экструдата необходимого диаметра и формы.
Эластичность полимера снижают либо повышением температуры переработки, либо снижением молекулярной массы, либо рецептурными факторами, например, введением неэластичного наполнителя.
Итак, полимеры обладают свойствами твердого тела и вязкой жид-кости. Они могут находиться, как твердые тела, в стеклообразном, кри-сталлическом и высокоэластическом, а как жидкости, – в вязкотекучем состояниях.
Для каждого состояния под влиянием напряжения характерна определенная преобладающая деформация. Общая деформация складывается из суммы отдельных видов деформации:
.
Таким образом, кристаллические и аморфные полимеры имеют два вида деформации – упругую и пластическую, а высокомолекулярные аморфные – все три вида деформации.