Доля пружно-еластичної і пластичної деформації картону

Най-мену-вання картону	Деформація картону,%			Доля деформацій , %
	Ɛст	пружно-еластична Ɛпр-ел	пластич-на Ɛпл	Дст	пружно-еластична Дпр-ел	пластична Дпл.
1	2	3	4	5	6	7
				100

Таблиця 17

Деформація стиску картону при зростаючому навантаженні

Ван-таж F, кгс	Напру-ження σ, Н/м2	Товщина h, мм		Деформація		Модуль стиску Ест , Н/м2
		почат-кова h0	під ван-тажем hр	абсолютна ∆h, мм	віднос-на ε, %
1	2	3	4	5	6	7

З отриманих даних будують графіки залежності відносної деформації стиску від напруження (ε_ст = f(σ)) і модуля стиску від відносної деформації стиску (Е_ст = f(ε_ст)).

3. Питання для самоперевірки

1. Які вимоги ставляться до пакувального картону?

2. Наведіть порівняльну характеристику чистоцелюлозного і макулатурного картонів.

3. Як механічні і деформаційні властивості картону залежать від його компонентного складу?

4. Які фактори визначають деформаційні властивості пакувально-го картону?

5. Що таке пружна, еластична та пластична деформації?

6. Яка залежність між структурними, механічними та деформа-ційними показниками картону?

7. Які картони є більш пухкими і в чому їх перевага?

Лабораторна робота № 5

Вивчення деформаційних властивостей полімерних плівок при розтягу

Мета роботи. Визначення основних деформаційно-міцностних показників полімерних плівок при їх розтягу.

Прилади і матеріали: розривна машина; лінійка металева з ціною ділення 1 мм; товщиномір або мікрометр; ножиці або ніж; полімерні плівки.

1. Теоретичні положення

Здатність до великих зворотніх деформацій є характерною влас-тивістю полімерних матеріалів. Залежно від виду зовнішньої дії на полімерний зразок розрізняють деформації розтягу, стиску, згину, зсуву, кручення та ін.

Найбільш важливою деформаційною властивістю полімерів є за-лежність деформації ε від величини прикладеного напруження σ – так звана діаграма „напруження–деформація”. Такі діаграми знімають на розривних машинах і динамометрах. Вид діаграми ε = ƒ(σ) визнача-ється, головним чином, фазовим і фізичним станом полімеру.

Лінійні аморфні полімери в залежності від температури можуть знаходитися в трьох фізичних станах: склоподібному, високоеластич-ному і в’язкотекучому. Типові діаграми ε = ƒ(σ) для аморфних полімерів наведені на рис. 4.

Рис. 4. Криві розтягу аморфних полімерів:

1 – жорсткі крихкі полімери при температурі нижче температури крихкості; 2 – жорсткі пластичні полімери в інтервалі від темпера-тури крихкості до температури склування; 3 – еластичні полімери у високоеластичному стані

Початкова ділянка залежності ε = ƒ(σ) для любого полімеру є прямою лінією, що відповідає пружній деформації, яка формально підпорядковується закону Гука:

σ = Е · ε,

де σ – питоме навантаження на зразок; ε – відносна деформація;

Е – модуль пружності.

Модуль пружності характеризує стійкість матеріалу до деформа-ції під дією зовнішнього навантаження. Пружна деформація невелика за величиною і повністю зворотня. Вона обумовлена зміною віддалей між атомами речовини. При цьому робота зовнішніх сил витрачається на долання внутрішніх сил взаємодії, тобто пружна деформація полі-мерів носить енергетичний характер.

Нижче температури крихкості Т_кр склоподібного полімеру, коли гнучкість ланцюга дуже низька, полімер здатний розвивати лише пружну деформацію, як і низькомолекулярні тверді тіла (рис. 4, крива 1). Подальше деформування зразка полімеру, що знаходиться в такому стані, приводить до його руйнування. Навантаження на одиницю пло-щі поперечного перерізу зразка, при якому настає його руйнування у процесі деформування, називається руйнуючим напруженням σ_р. В залежності від виду деформації розрізняють руйнуюче напруження при розтягу, стиску, згину та ін.

У склоподібному стані для полімерів характерні лише малі де-формації при невеликих напруженнях. Однак на відміну від низько-молекулярних речовин полімери, що знаходяться в склоподібному стані, під дією великих зусиль здатні розвивати при певних умовах значні деформації (до кількох сотен процентів). Здатність полімерів у склоподібному стані розвивати великі деформації називають вимуше-ною еластичністю, а деформацію – вимушено-еластичною. Ця дефор-мація розвивається у температурному інтервалі між Т_кр і темпера-турою склування полімеру Т_с.

Типова залежність ε = ƒ(σ) для склоподібного полімеру при тем-пературі вище Т_кр наведена на рис. 4 (крива 2). У початковий момент розвитку вимушено-еластичної деформації в зразку утворюється ді-лянка зі значним зменшенням поперечного перерізу – „шийка”, яка у міру розвитку деформації збільшується в розмірах. Утворенню „ший-ки” на кривій ε =ƒ (σ) відповідає ділянка а–b–c. Напруження, віднесе-не до одиниці площі поперечного перерізу зразка, при якому починає розвиватися вимушено-еластична деформація, називають межею течіння σ_т. Вимушена еластичність обумовлена зміною конформації макромолекул. Під дією зовнішнього навантаження макромолекули розгортаються і величина деформації зростає. У даному випадку проявляється кінетична гнучкість ланцюга і тому вимушено-еластична деформація має кінетичний характер. Для випрямлення макромоле-кулярного ланцюга необхідні великі напруження. Після припинення дії навантаження при температурі, нижчій за Т_с, вимушено-еластична деформація не зникає, а при температурах вище Т_с, коли полімер переходить у високоеластичний стан, зразок повністю відновлює свої розміри і тому така деформація носить зворотній характер. Вимушено-еластичній деформації на кривій ε = ƒ(σ) відповідає гори-зонтальна ділянка с–d, що характеризується великою деформацією при постійно прикладеному навантаженні.

У високоеластичному стані полімер розвиває дуже великі зворот-ні деформації під дією невеликого навантаження. Полімери, які при кімнатній температурі знаходяться у високоеластичному стані, назива-ються еластомерами. Суть високоеластичності полягає в розпрям-ленні згорнутих гнучких ланцюгів під впливом прикладеного наванта-ження і поверненні ланцюгів до попередньої форми після зняття навантаження. Високоеластичність, як і вимушена еластичність, має кінетичний характер і обумовлена рухливістю макромолекул, яка у високоеластичному стані незрівнянно вища, ніж в склоподібному. Та-ким чином, у високоеластичному стані великі деформації розвивають-ся при малих навантаженнях, а в склоподібному – при значно більших навантаженнях. Після зняття навантаження зусилля, яке виникає внас-лідок прагнення макромолекул прийняти рівноважний згорнутий стан, повертає еластомер у вихідний стан, а склоподібний полімер залиша-ється в деформованому стані. Типова крива ε = ƒ(σ) для еластомерів наведена на рис. 4 (крива 3).

Загальна деформація полімеру складається з пружної деформації ε_пр , високоеластичної деформації ε_вел і деформації течіння ε_теч :

ε = ε_пр + ε_вел + ε_теч

Течіння – це незворотнє переміщення макромолекул відносно одна одної під дією зовнішнього прикладеного навантаження. Воно визначається міжмолекулярним тертям і тому в низькомолекулярних рідинах і газах здійснюється легко, а у полімерах – ускладнено через велику довжину макромолекул і великі значення енергії міжмолеку-лярної взаємодії. Внаслідок наявності течіння при деформуванні полі-мерів повного відновлення розмірів зразка після зняття навантаження не відбувається. Тому течіння є небажаним процесом для полімерів, що експлуатуються у високоеластичному або склоподібному станах. Різниця між розмірами зразка до і після навантаження називається залишковою (пластичною) деформацією.

З підвищенням температури енергія взаємодії між макромолеку-лами зменшується і зростає ε_теч, тому деформація течіння досить велика при температурах, що відповідають в’язкотекучому стану полімерів.

У в’язкотекучому стані для полімерів найбільший вклад у загальну деформацію вносить деформація течіння, але при цьому проявляється також здатність полімерів до високоеластичної дефор-мації. Високоеластичністю розплавів полімерів пояснюється ефект розширення потоку, що витискається з отвору. Долею пружної дефор-мації полімерів у текучому стані практично можна знехтувати.

Кристалічні полімери під дією прикладених напружень здатні розвивати значні деформації (до декількох сотен процентів). Харак-терні криві ε = ƒ(σ) для кристалічних полімерів наведені на рис. 5. Крім пружної деформації ці полімери при великих навантаженнях проявляють вимушено-еластичну деформацію.

Рис. 5. Деформаційні криві розтягу кристалічного полімеру при різних температурах (Т₁ < Т₂ < Т₃ < Т₄ < Т₅)

Деформація кристалічних полімерів супроводжується не тільки розпрямленням згорнутих ланцюгів макромолекул в аморфних облас-тях, але й орієнтацією кристалітів і частковою їх рекристалізацією. В результаті орієнтації макромолекул їх властивості в різних напрямках суттєво відрізняються, тобто спостерігається анізотропія властивос-тей.

Значний вплив на деформаційні властивості полімерів мають хімічна будова і характеристики макромолекул – молекулярна маса, гнучкість ланцюгів, регулярність будови та ін. Молекулярна маса суттєво впливає на Т_кр, Т_с й Т_т полімерів і тому, міняючи молекулярну масу, можна змінювати температурні області експлуатації і переробки полімерів. Збільшення молекулярної маси полімерів розширює темпе-ратурну область високоеластичного і вимушено-еластичного станів внаслідок зниження їх Т_кр і підвищення Т_пл. При збільшенні молеку-лярної маси до деякої межі деформація спочатку зростає, а далі прак-тично не змінюється.

Гнучкість макромолекул полімерів залежить не тільки від їх хі-мічної будови, але і від температури. З підвищенням температури знижується модуль пружності, руйнуюче напруження і межа течіння, а відносне видовження зростає (крім областей температур, близьких до Т_кр або Т_пл ).

Гнучкість макромолекул залежить також і від щільності упаковки та ступеня розгалуження макромолекул. Нещільна упаковка полег-шує зміну конформації макромолекул і сприяє проявленню вимушу-ної еластичності у склоподібних полімерів. Збільшення ступеня розга-луженості до певної межі полегшує протікання процесу вимушеної еластичності, але, як правило, негативно позначається на величині повного відносного видовження.

Деформаційні властивості кристалічних полімерів залежать від ступеня їх кристалізації. Зменшення ступеня кристалізації, а також розмірів кристалічних утворень полімеру сприяє проявленню виму-шуної еластичності.

Опір полімерів розриву залежить від часу дії навантаження. Час від моменту прикладення сили до моменту розриву зразка називається довговічністю матеріалу. Збільшення навантаження на полімер веде до зменшення його довговічності. Таким чином, σ_р – це питоме напру-ження на матеріал, при якому його довговічність близька до нуля.

Однією з особливостей поведінки полімерів при деформуванні є релаксаційний характер реакції полімеру на механічну дію, що полягає в залежності деформацій й напружень від швидкості (частоти) дії. Якщо швидкість деформування дуже велика (удар), то розвиток вимушено-еластичної деформації не відбувається, порівняно невелика й деформація полімеру. При дуже малих швидкостях деформування вимушено-еластична деформація проявляється навіть у жорстких по-лімерів. Це обумовлено нерівноважним характером процесу дефор-мації. Виведені дією сили з рівноважного стану макромолекули нама-гаються вернутися в цей стан, для чого необхідний час, що визна-чається рухливістю макромолекул. Зі зростанням швидкості дефор-мування збільшується віддаленість макромолекул від рівноважного стану. При цьому ускладнюються їх подальші конформаційні пере-творення під дією зовнішніх сил, відповідно, ускладнюється процес деформації.

Таким чином, деформаційні властивості одного і того ж полімеру залежать від цілого ряду факторів: хімічної будови і характеристик макромолекули, температури випробувань, швидкості деформування, тривалості дії навантаження та ін. Деформаційна характеристика полімеру – величина досить відносна. Умови виготовлення зразків полімеру, їх кондиціювання і проведення експерименту регламент-туються в ДГСТ або ТУ на даний полімер або в ДГСТ на дане випробування.