Прочностные свойства полимеров реферат

Обновлено: 05.07.2024

Одна из основных особенностей полимеров состоит в том, что отдельные отрезки цепей (сегменты) могут перемещаться путем поворота вокруг связи и изменения угла. Эти виды внутреннего движения — смена конформаций, несвойственные другим твердым телам, придают полимерам сходство с жидкостями. В то же время большая длина искривленных и спиралеобразных молекул, их ветвление и взаимная сшивка затрудняют смещение, вследствие чего полимер приобретает свойства твердого тела.

Разнообразные механические свойства полимеров обеспечивают широкую сферу применения данных материалов. Подбирая подходящий по характеристикам материал, можно обеспечить желаемые свойства готового изделия: прочность, плотность, эластичность, устойчивость к интенсивной эксплуатации и т.п.

Ключевые механические свойства полимерных материалов:

Следует отметить, что прочность и эластичность находятся на разных чашах весов: по мере увеличения прочности эластичность снижается, и материал может быть крайне твёрдым, но хрупким.
Ключевым фактором определяющим механические свойства полимерных материалов является молекулярная структура: чем выше степень кристалличности, тем выше характеристики образца.

Полимеры могут находиться в четырех физических состояниях, из которых одно кристаллическое и три аморфных (стеклообразное, высокоэластическое и вязкотекучее).

Кристаллическое фазовое состояние характеризуется трехмерным дальним порядком в расположении атомов в молекуле; аморфное фазовое состояние – наличием ближнего порядка и отсутствием дальнего.

Кристаллическое физическое состояние характеризуется упорядоченной структурой вещества; стеклообразное состояние – наименьшей среди аморфных состояний подвижностью, наибольшей вязкостью и упругой деформацией; высокоэластическое состояние – высоким конформационным набором макромолекул и большими значениями обратимой деформации при малых растяжениях, причем эта деформация носит релаксационный характер. Вязкотекучее состояние отличается наибольшей подвижностью сегментов, минимальной вязкостью и пластической деформацией.

Аморфное состояние. Нахождение аморфных полимеров в одном из трех физических состояний (стеклообразное, высокоэластическое или вязкотекучее) зависит от температуры.

При нагревании или охлаждении аморфные полимеры могут обратимо переходить из одного физического состояния в другое, причем такие переходы не являются фазовыми, так как во всех трех состояниях сохраняется аморфная структура. Границами раздела физических состояний служат две температурные точки:

температура стеклования Тс, являющаяся средним значением температурной области перехода из стеклообразного в высокоэластическое состояние;
температура текучести Тт как среднее значение области перехода из высокоэластического в вязкотекучее состояние.

Кристаллическое состояние характеризуется температурами кристаллизации (Ткр) и плавления (Тпл). Температура кристаллизации Ткр – температура образования устойчивых кристаллических зародышей (находится в области между температурой стеклования и температурой текучести: Тс

Микроструктура

Вам будет интересно:Что такое жать? Толкование и примеры предложений

Микроструктура полимера (иногда называемая конфигурацией) связана с физическим расположением остатков М вдоль основной цепи. Это элементы структуры П, которые требуют разрыва ковалентной связи, чтобы измениться. Строение оказывает сильное влияние на другие свойства П. Например, два образца натурального каучука могут демонстрировать различную долговечность, даже если их молекулы содержат одинаковые мономеры.

Физические свойства полимеров

Коэффициент теплопроводности полимеров значительно ниже, чем других твердых тел,—около 0,2 … 0,3 В/(м*К), поэтому они являются теплоизоляторами. Вследствие относительной подвижности связей и смены конформаций полимеры имеют высокий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР — 10-4 … 10-5 К-1 ).

Можно было бы поэтому полагать, что они плохо совместимы с материалами, имеющими меньший ТКЛР,—металлами и полупроводниками. Однако высокая эластичность полимеров и сравнительно небольшой интервал рабочих температур позволяет широко применять их в виде пленок, нанесенных на поверхность любых материалов.

Диапазон температур, при которых можно эксплуатировать полимеры без ухудшения их механических свойств, ограничен. Нагревостойкость большинства полимеров, к сожалению, очень низка — лишь 320…400 К и ограничивается началом размягчения (деформационная стойкость). Помимо потери прочности повышение температуры может вызвать и химические изменения в составе полимера, которые проявляются как потеря массы.

Способность полимеров сохранять свой состав при нагревании количественно характеризуется относительной убылью массы при нагреве до рабочей температуры. Допустимым значением убыли массы считается 0,1 … 1%. Полимеры, стойкие при 500 К, считаются нагревостойкими, а при 600…700 К — высоконагревостойкими. Их разработка, расширение выпуска и применения приносят большой народнохозяйственный эффект.

Идентичность

Идентичность повторяющихся звеньев, составляющих П, является его первым и наиболее важным атрибутом. Номенклатура этих веществ обычно основана на типе мономерных остатков, составляющих П. Полимеры, которые содержат только один тип повторяющихся звеньев, известны как гомо-П. В то же время П, содержащие два или более типов повторяющихся звеньев, известны как сополимеры. Терполимеры содержат три типа повторяющихся звеньев.

Вам будет интересно:Что такое явления? Самые красивые и страшные природные явления

Полистирол, например, состоит только из остатков стирольного М и поэтому классифицируется как гомо-П. Этиленвинилацетат, с другой стороны, содержит более одного вида повторяющихся звеньев и, таким образом, является сополимером. Некоторые биологические П состоят из множества различных, но структурно связанных мономерных остатков; например, полинуклеотиды, такие как ДНК, состоят из четырех типов нуклеотидных субъединиц.

Полимерная молекула, содержащая ионизируемые субъединицы, известна как полиэлектролит или иономер.

Химические свойства полимеров

Химическая стойкость полимеров определяется разными способами, но чаще всего по изменению массы при выдержке образца в соответствующей среде или реагенте. Этот критерий, однако, не является универсальным и не отражает природу химических изменений (деструкции).

Даже в стандартах (ГОСТ 12020—66) предусмотрены лишь качественные ее оценки по балльной системе. Так, полимеры, изменяющие за 42 суток массу на 3 … 5%, считаются устойчивыми, на 5 … 8% — относительно устойчивыми, более 8 … 10% — нестойкими. Конечно, эти пределы зависят от вида изделия и его назначения.

Для полимеров характерна высокая стойкость по отношению к неорганическим реактивам и меньшая — к органическим.

В принципе все полимеры неустойчивы в средах, обладающих резко выраженными окислительными свойствами, но среди них есть и такие, химическая стойкость которых выше, чем золота и платины.

Поэтому полимеры широко используются в качестве контейнеров для особо чистых реактивов и воды, защиты и герметизации радиокомпонентов, и особенно полупроводниковых приборов и ИС.

Особенность полимеров состоит еще и в том, что они по своей природе не являются вакуумплотными. Молекулы газообразных и жидких веществ, особенно воды, могут проникать в микропустоты, образующиеся при движении отдельных сегментов полимера, даже если его структура бездефектна.

Полимеры выполняют роль защиты металлических поверхностей от коррозии в случаях, когда:

толщина слоя велика,
полимер оказывает пассивирующее действие на активные (дефектные) центры металла, тем самым подавляя коррозионное действие влаги, проникающей к поверхности металла.

Как видно, герметизирующие возможности полимеров ограничены, а пассивирующее их действие неуниверсально. Поэтому полимерная герметизация применяется в неответственных изделиях, эксплуатирующихся в благоприятных условиях.

Для большинства полимеров характерно старение — необратимое изменение структуры и свойств, приводящее к снижению их прочности. Совокупность химических процессов, приводящих под действием агрессивных сред (кислород, озон, растворы кислот и щелочей) к изменению строения и молекулярной массы, называется химической деструкцией.

Наиболее распространенный ее вид — термоокислительная деструкция — происходит под действием окислителей при повышенной температуре. При деструкции не все свойства деградируют в равной мере: например, при окислении кремнийорганических полимеров их диэлектрические параметры ухудшаются несущественно, так как Si окисляется до оксида, который является хорошим диэлектриком.

Многие полимеры, такие как полиуретаны, полиэфирные и эпоксидные смолы, склонны к воспламенению, что зачастую недопустимо при практическом применении. Для предотвращения этого применяются различные добавки или используются галогенированные полимеры.

Галогенированные ненасыщенные полимеры синтезируют путем включения в конденсацию хлорированных или бромированных мономеров, дибромнеопентилгликоля или тетрабромфталевой кислоты.

Главным недостатком таких полимеров является то, что при горении они способны выделять газы, вызывающие коррозию, что может губительно сказаться на располагающейся рядом электронике. Учитывая высокие требования экологической безопасности, особое внимание уделяется галоген-несодержащим компонентам: соединениям фосфора и гидроксидам металлов.

Теплоемкость пластмасс, пластика и резины

В таблице представлены значения удельной (массовой) теплоемкости в кДж/(кг·град) при различной температуре (от 5 до 333К) для следующих полимеров пластика и резины: бакелит, винипласт, капрон, найлон-6 (полиамид 6, капрон, полиамид 66, нейлон), парафин, парафин жидкий, поликарбонат, полиметилакрилат (плексиглас, оргстекло), полистирол, политетрафторэтилен, полиэтилен, полиэфирные пластмассы, пресс-материал АГ-4С, резина, эбонит, этролы целлюлозные.

Электрические свойства полимеров

Как правило, полимеры являются диэлектриками (вещества, которые плохо проводят или совсем не проводят электрический ток), по многим параметрам лучшими в современной технике. Величина удельного объемного сопротивления Pv зависит не только от строения, но и от содержания ионизированных примесей — анионов Сl-, F-, I-, катионов Н+, Na+ и других, которые чаще всего вводятся в смолу вместе с отвердителями, модификаторами и т.д.

Подвижность этих ионов резко увеличивается с повышением температуры, что приводит к падению удельного сопротивления. Наличие даже весьма малых количеств влаги также способно значительно уменьшить удельное объемное сопротивление полимеров. Это происходит потому, что растворенные в воде примеси диссоциируют на ионы, кроме того, присутствие воды способствует диссоциации молекул самого полимера или примесей, имеющихся в нем.

При повышенной влажности значительно уменьшается удельное поверхностное сопротивление некоторых полимеров, что обусловлено адсорбцией влаги.

Строение макромолекул, характер их теплового движения, наличие примесей или специальных добавок влияют на вид, концентрацию и подвижность носителей. Так, удельное сопротивление полиэтилена повышается в 10 … 1000 раз после очистки от низкомолекулярных примесей. Сорбция 0.01 … 0,1% воды полистиролом приводит к снижению удельного сопротивления в 100 … … 1000 раз.

В целях получения материала с заданными механическими, электрическими и теплофизическими свойствами широко применяются композиции, состоящие из полимерного связующего, наполнителей и других добавок.

Диэлектрическая проницаемость более или менее резко зависит от двух основных внешних факторов: температуры и частоты приложенного напряжения. В неполярных полимерах она лишь слабо уменьшается с ростом температуры вследствие теплового расширения и уменьшения числа частиц в единице объема.

В полярных полимерах диэлектрическая проницаемость сначала растет, а затем падает, причем максимум обычно приходится на температуру, при которой материал размягчается, т. е. лежит вне пределов рабочих режимов.

Для полимеров, как ни для одних других диэлектриков, характерны процессы накопления поверхностных зарядов — электризация. Эти заряды возникают в результате трения, контакта с другим телом, электролитических процессов на поверхности.

Механизмы электризации до конца неясны. Одним из них является возникновение при контакте двух тел так называемого двойного слоя, который состоит из слоев положительных и отрицательных зарядов, расположенных друг против друга. Возможно также образование на поверхности контактирующих материалов тонкой пленки воды, в которой имеются условия для диссоциации молекул примесей.

Пример полиэтилена

Способность молекул образовывать длинные цепи жизненно важна для получения полимера. Рассмотрим материал полиэтилен, который сделан из газообразного этана, C2H6. Этан-газ имеет два атома углерода в цепи, и каждый из них имеет два валентных электрона с другим. Если две молекулы этана соединены вместе, одна из углеродных связей в каждой молекуле может быть разорвана, и две молекулы могут быть соединены углерод-углеродной связью. После того, как два метра соединены, на каждом конце цепи остаются еще два свободных валентных электрона для соединения других метеров или П-цепей. Процесс способен продолжать соединять больше метеров и полимеров вместе до тех пор, пока он не будет остановлен добавлением другого химического вещества (терминатора), который заполняет доступную связь на каждом конце молекулы. Это называется линейным полимером и является строительным блоком для термопластичных видов соединения.

Полимерная цепь часто показана в двух измерениях, но следует отметить, что они имеют трехмерное строение полимеров. Каждая связь находится под углом 109° к следующей, и, следовательно, углеродный остов проходит через пространство, как витая цепь TinkerToys. При приложении напряжения эти цепи растягиваются, и удлинение П может быть в тысячи раз больше, чем в кристаллических структурах. Таковы особенности строения полимеров.

Кристаллические полиолефины

Кристаллические полиолефины (полиэтилен и полипропилен) отличаются гидрофобностью, высокой химической стойкостью, радиационностойкостью, морозостойкостью, сравнительной дешевизной и технологичностью.

Полиэтилен высокого давления (ПЭВД) инертен к физиологическим и пищевым продуктам (кроме жиров), является прекрасным электроизоляционным материалом.

Полиэтилен низкого давления (ПЭНД) имеет более высокие по сравнению с ПЭВД прочностные показатели: теплостойкость, жесткость и твердость, хорошо сваривается. Наличие катализатора не позволяет использовать его в контакте с пищевыми продуктами, а, также, несколько ухудшает высокочастотные электрические характеристики.

Полипропилен обладает наилучшей хемостойкостью и характеризуется хорошими электроизоляционными характеристиками, есть марки, допущенные к контакту с пищевыми продуктами. К сравнительным недостаткам полипропилена относят более низкую, чем у полиэтилена морозостойкость.

· ПЭВД – пленки для упаковки и потребностей сельского хозяйства, тара и изделия культурно-бытового и медицинского назначения

· ПЭНД – тара, листы, трубы, ориентированные ленты и другие изделия технического назначения

· Полипропилен – в медицине, пищевой промышленности, электротехнике (в т.ч. для производства конденсаторных пленок).

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Реферат по химии

Механические свойства полимеров

Выполнил ученик 10А класса

Бушкевич Антон Алексеевич

Воронаев Иван Геннадьевич

2 Оснавная часть

Слово полимер буквально означает “много частей (сегментов)”. В отличие от простых (низкомолекулярных) веществ, состоящих из молекул, полимеры и олигомеры построены из протяженных цепочек атомов – макромолекул. Для большинства полимеров повторяющимся элементом (мономерным звеном) – (М)– является небольшая группа атомов. Мономеры – вещества с неустойчивыми кратными связями, при “раскрытии” которых образуются полимеры. Молекулярная масса полимера определяется как произведение молекулярной массы повторяющегося звена на степень полимеризации: Mn = M*n, где n – степень полимеризации

Макромолекула представляет собой молекулу низкомолекулярного аналога – мономера, – соединенного с другими такими же молекулами n раз простыми химическими связями.

Схематически получение полимера можно представить в виде:

nM ⎯ → (–M–)n мономер полимер Пример:

n CH2 = CHCl ⎯ → –(CH2– CHCl)n– винилхлорид поливинилхлорид

Термин полимер используется, если число мономерных звеньев n достаточно велико: n > 100. Для большинства реальных полимеров n = 103–104. Если n = 10–100, такие вещества называют олигомерами. Они занимают промежуточное положение по физическим и химическим свойствам между полимерами и простыми веществами.

В настоящее время известно огромное количество полимеров. Их можно классифицировать с точки зрения пространственного положения атомов в макромолекуле, химического состава макромолекул, а также по источникам происхождения.

Механические свойства полимеров .

При эксплуатации полимеры подвергаются воздействию различных внешних полей: механических, тепловых, электрических, магнитных. Отклик полимеров на эти воздействия определяет их физические свойства.

Механические свойства полимеров характеризуют изменение размеров, формы и структуры полимерного тела при воздействии на него механических сил. В зависимости от величины и продолжительности воздействия механических сил полимеры подвергаются деформации или разрушению. Деформационные свойства характеризуют способность полимерных материалов деформироваться под воздействием механических напряжений, прочностные – способность сопротивляться разрушению.

Деформационные свойства полимеров .

Деформационные свойства полимеров зависят от физического состояния (стеклообразное, высокоэластическое или вязкотекучее), в котором находится полимер. Обычно их оценивают по кривым напряжение – относительная деформация (σ–ε).

Механическая прочность и структура полимера .

Свойства полимера, как и любого вещества, зависят от его химического строения, определяющего гибкость и плотность упаковки макромолекулярных цепей.

Однако проблема получения полимерных материалов с заданными свойствами, например с заданными механическими свойствами, не решается только получением новых высокомолекулярных веществ, поскольку свойства материала в значительной степени зависят от структуры, которая придается полимеру в процессе переработки. Изменяя структуру материала, можно повысить его прочность в несколько раз.

Механические свойства полимеров зависят от ряда так называемых структурных модификаций – ориентации макромолекул и надмолекулярных структур, размера последних, наполнения, пластификации и др. Кроме того, механические свойства зависят от частоты сетки в полимере. Одним из наиболее распространенных способов изменения структуры полимерного материала с целью упрочнения является его вытяжка в процессе переработки. При этом происходит ориентация цепей и надмолекулярных структур. При регулярном строении молекул аморфного полимера возможна его кристаллизация.

В ориентированных полимерах энергия взаимодействия между звеньями соседних цепей суммируется по длине всей цепи, вследствие чего межмолекулярное взаимодействие ориентированного образца больше, чем неориентированного .

Влияние ориентации на механические свойства полимеров.

Поскольку в ориентированном полимере все химические связи цепей главных валентностей расположены преимущественно в одном направлении, для разрушения образца требуется одновременно порвать большое число химических связей, если при разрыве нет скольжения. Следовательно, разрывное напряжение в направлении ориентации при различных температурах. при деформации в направлении ориентации очень велико – значительно больше, чем для неориентированного образца и для ориентированного образца в направлении, перпендикулярном ориентации. Относительное удлинение при разрыве ориентированного образца в направлении ориентации, напротив, всегда меньше, чем в перпендикулярном направлении. Это объясняется тем, что предварительно распрямленные цепи обладают меньшей гибкостью и, следовательно, меньшей способностью распрямляться. Таким образом, ориентированные полимеры обладают анизотропией механических свойств, которая обусловлена ориентацией цепей и проявляется у полимерных материалов в процессе их переработки (например, при каландровании). При каландровании большое изменение скорости течения по глубине канала вызывает развитие высоких напряжений сдвига, что, с одной стороны, улучшает гомогенизацию, а с другой – при высокой частоте оборотов валков, напряжение сдвига обуславливает сильную ориентацию макромолекул в направлении течения. Этот эффект усиливается еще и тем, что температура расплава на валках невысокая, и после каландра расплав быстро охлаждается на охлаждающих валках, из-за этого релаксация напряжений маловероятна. Направленное течение полимерного расплава с высокой вязкостью при прохождении по валкам каландра приводит к ориентации макромолекул в направлении протягивания. Прочность каландрованного материала всегда больше в направлении каландрования, чем в перпендикулярном направлении.

Анизотропия наблюдается также у полимерных материалов, подвергнутых холодной вытяжке.

Введение наполнителей в полимерный материал для улучшения свойств готовых изделий использовалось очень давно (особенно при производстве резинотехнических изделий). Наполнители, повышающие механическую прочность, называются активными наполнителями, не повышающие – неактивными. Действие активных наполнителей (сажа, силикагель) особенно сильно сказывается на каучуках и др. Прочность резин на их основе при введении наполнителя повышается в 10-20 раз. В производстве пластических масс также применяются различные наполнители. Комбинации полимерных веществ с твердыми наполнителями в виде тонких высокопрочных волокон называются армированными пластиками, или армированными полимерами. Производство армированных полимеров связано с тем, что высокие модули упругости, необходимые для создания конструкционных материалов, не могут быть получены на основе только полимерных веществ. Поэтому полимеры комбинируют с неорганическими материалами, в первую очередь с силикатным волокном. Волокно играет роль армирующего материала, а полимер – роль так называемого связующего, которое обеспечивает соединение волокон.

В качестве связующих применяют маловязкие олигомеры, которые на холоду или при нагревании) полимеризуются или конденсируются с образованием полимерных соединений сетчатого строения, обладающих достаточно высоким модулем упругости и сравнительно небольшим удлинением. Полимер служит для передачи напряжения между отдельными волокнами.

Физика и химия полимеров. Учебное пособие. В. В. Зуев, М. В. Успенская, А. О. Олехнович.

Механические свойства полимеров — это комплекс свойств, определяющих механическое поведение полимеров при воздействии на них внешних сил.

Для механических свойств полимеров характерны:

Способность развивать под действием внешних механических сил большие обратимые (высокоэластические) деформации, достигающие десятков, сотен и даже тысяч процентов. Эта способность характерна только для полимерных материалов.
Релаксационный характер реакции тела на механическое воздействие, то есть зависимость деформаций и напряжений от длительности (частоты) воздействия. Эта зависимость обусловлена отставанием деформации от напряжения и может проявляться в чрезвычайно широком временном диапазоне (от долей секунды до многих лет).
Зависимость механических полимера от условий его получения, способа переработки и предварительной обработки. Это связано с существованием в полимерных телах разнообразных форм надмолекулярной структуры, времена перестройки которых могут быть настолько велики, что полимер при одних и тех же условиях может устойчиво существовать в состояниях с различной морфологией.
Способность под действием анизотропного механического воздействия приобретать резкую анизотропию механических свойств и сохранять ее после прекращения воздействия.
Способность претерпевать под действием механических сил химические превращения.

Общий характер механического поведения конкретного полимерного тела определяется тем, в каком физическом состоянии оно находится.

Линейные и разветвленные полимеры могут находиться в трех основных аморфных состояниях:

трехмерные (пространственные, сшитые) полимеры — только в первых двух из этих состояний.

Многие полимеры могут также находиться в кристаллическом состоянии, существенной особенностью которого является то, что практически всегда в полимерном теле наряду со строго упорядоченными кристаллическими областями сохраняются области с аморфной структурой (поэтому такое состояние называют также аморфно-кристаллическим, частично кристаллическим или полукристаллическим). Строго кристаллическое состояние реализуется только в полимерных монокристаллах.

При рассмотрении механических свойств полимеров в особую группу выделяют ориентированное состояние, в котором могут находиться как аморфные, так и кристаллические полимеры и для которого характерна анизотропия механических свойств.

Область применения полимера во многом определяется тем, в каком состоянии находится он в температурном интервале эксплуатации (обычно от —40 до 40 °С).

Полимеры, находящиеся в этом интервале в высокоэластическом состоянии, называются эластомерами. Из эластомеров широкое техническое применение находят резины. Полимерные материалы, находящиеся в условиях эксплуатации в стеклообразном или кристаллическом состоянии, называются пластическими массами. Последние используют в виде объемных изделий и пленок. Одноосноориентированные полимеры широко применяют в качестве волокон.

Классификация и общая характеристика механических свойств полимеров

Под действием механических сил все тела деформируются, а при достаточно сильных или длительных воздействиях разрушаются. В соответствии с этим различают деформационные и прочностные свойства. В отдельную группу механических свойств выделяют фрикционные свойства, проявляющиеся при движении твердого полимерного тела по поверхности другого тела.

Для изучения механических свойств и определения механических характеристик материалов проводятся по определенным методикам механические испытания.

Испытания различаются типом деформации:

одноосное и двухосное растяжение и сжатие,
всестороннее сжатие,
изгиб,
сдвиг,
кручение,
вдавливание и др.

и режимом нагружения:

постоянная нагрузка,
нагрузка, обеспечивающая линейный рост деформации или ее постоянство,
циклическая нагрузка,
удар и др.

Выбор метода испытаний определяется как их целями, так и типом исследуемого материала.

Для качественного и количественного описания механических свойств полимеров пользуются теми же понятиями и характеристиками, что и для описания механических свойств неполимерных материалов. Вместе с тем особенности поведения полимеров требуют введения новых понятий, а иногда и некоторого изменения смысла принятых.

Деформационные свойства полимеров:

Прочностные свойства полимеров:

Фрикционные свойства полимеров

Для количественного описания этих свойств используют коэффициент трения — отношение тангенциальной силы к нормальному усилию и износостойкость, характеризующую скорость разрушения материала при трении.

Физическое состояние полимера и его механические свойства

Механические свойства полимеров в аморфном состоянии

Различие между отдельными физическими состояниями аморфных полимеров состоит в разной реакции полимеров, находящихся в этих состояниях, на механическое воздействие:

упругой – в стеклообразном состоянии,
главным образом высокоэластической – в высокоэластическом,
развитием необратимых деформаций – в вязкотекучем.

Из-за релаксационного характера высокоэластической деформации и вязкого течения характер реакции на механическое воздействие существенно зависит от длительности воздействия. В определенном диапазоне температур тело может реагировать на кратковременное воздействие упруго, а при длительных (порядка времени релаксации высокоэластической деформации или большего) проявлять высокоэластичность.

При более высоких температуpax вследствие уменьшения с ростом температуры времени релаксации тело может проявлять высокоэластичность при кратковременных воздействиях, а при длительных вести себя как вязкая жидкость.

Таким образом, разделение на стеклообразное, высокоэластическое и вязкотекучее состояния связано с временным режимом воздействия.

Чтобы придать определенность разделению на состояния, при нахождении температур переходов выбирают некоторую скорость нагревания (например, 1 ⁰С/сек) и по резкому изменению величины деформации определяют температуры переходов. Поскольку упругая и высокоэластическая деформации имеют характерные, сильно различающиеся между собой значения модулей, деление на состояния проводят также по значению модуля, измеряемого в динамическм режиме или в режиме релаксации напряжений.

Стеклообразному состоянию отвечают значения модуля 10 3 —10 4 Мн/м 2 (10 4 —10 5 кгс/см 2 ),
Высокоэластическому — порядка 10 -1 Мн/ м 2 (10 кгс/см 2 ),

переход в вязкотекучее состояние (температуpa текучести) фиксируется по падению модуля до значений менее 10 -1,5 Мн/м 2 (10 -0,5 кгс/см 2 ). При таком способе разделения в особое физическое состояние (вязкоупругое) выделяют иногда переходную область между стеклообразным и высокоэластическим состояниями, которой отвечают промежуточные значения модуля. Эта область может охватывать десятки градусов.

В стеклообразном состоянии ниже температуры хрупкости T_хр полимер ведет себя как хрупкое твердое тело, разрушаясь при небольших, до нескольких процентов, относительных деформациях (рисунок 1, кривая 1). Выше Т_хр, при напряжениях, больших σ_в — предела текучести (вынужденной высокоэластичности), развивается вынужденная высокоэластическая деформация, которая может достигать десятков и сотен процентов; при этом происходит переход от хрупкого разрушения к квазипластическому, сопровождающийся обычно резким ростом ударной вязкости (кроме тех случаев, когда падение прочности происходит быстрее роста предельной деформации). Растяжение полимера при температуpax выше T_хр (рисунок 1, кривая 2) у многих полимеров протекает неоднородно по образцу, образуется локальное сужение — шейка, в которой материал сильно ориентирован.

По мере растяжения шейка распространяется на весь образец. С ростом температуры модуль Юнга, прочность, твердость падают, однако их изменение не превышает, как правило, одного порядка. С ростом температуры уменьшаются также значения предела текучести, достигая нуля при температуре стеклования Т_с. Восстановление формы образца достигается нагреванием до температуры, несколько превышающей Т_с.

В высокоэластическом состоянии высокоэластическая деформация может развиться при любом напряжении. Переход в это состояние при Т_с сопровождается быстрым изменением некоторых равновесных физических свойств, в частности коэффициента теплового расширения. Переход в стеклообразное состояние может быть осуществлен также изменением временного фактора воздействия на материал, например, частоты деформирования.

В этом случае говорят о механическом стекловании. Каждой частоте отвечает определенная температуpa Т_м, при которой развитие деформаций сопровождается наибольшими механическими потерями. Положение максимума механических потерь определяет значение температуры стеклования, а его зависимость от частоты — кинетический (релаксационный) характер стеклования.

Вблизи Т_м рост деформации с температурой происходит наиболее резко (рисунок 2). Это связано с тем, что в этой области время релаксации падает при линейном росте температуры (вернее при линейном уменьшении обратной температуры) по закону, близкому к экспоненциальному. Описать единым образом деформацию полимера в переходной области в определенном интервале времен и частот воздействия позволяет суперпозиции принцип температурно-временной (температурно-частотный), устанавливающий количественно эквивалентность влияния роста температуры и уменьшения времени воздействия (увеличения частоты, см. также Александрова — Лазуркииа частотно-температурный метод). С ростом температуры происходит уменьшение внутреннего трения, приводящее к уменьшению времени релаксации, и при достаточно высоких температуpax развитие высокоэластической деформации происходит за доли секунды. Эту область называют иногда плато высокоэластичности. Растяжение полимера в высокоэластическом состоянии носит существенно нелинейный характер и при больших деформациях сопровождается ориентацией макромолекул, которая может приводить к обратимой кристаллизации. При больших деформациях проявляется существенное различие в поведении линейных и пространственных (сшитых) полимеров. Если деформация сшитых полимеров обратима, то у линейных полимеров развитие высокоэластической деформации сопровождается также развитием необратимых деформаций.

В вязкотекучем состоянии доминирующим является вязкое течение, осуществляемое в результате необратимого перемещения целых макромолекул или даже агрегатов макромолекул. Особенностью течения полимерных тел является то, что одновременно с ним развивается обратимая высокоэластическая деформация. Это приводит к ряду специфичных эффектов, в частности к разбуханию струи, вытекающей из трубы (высокоэластическое восстановление), Вайссенберга эффекту и др. Для полимеров в вязкотекучем состоянии характерно также явление тиксотропии — обратимое разрушение структуры в процессе течения, приводящее к падению вязкости.

К свойствам полимеров в вязкотекучем состоянии близки свойства концентрированных растворов полимеров. Механические свойства разбавленных растворов полимеров близки к свойствам вязких простых жидкостей, причем с ростом концентрации полимера, а также молекулярной массы вязкость растворов растет. Даже в очень разбавленных растворах полимеров наблюдается градиентная зависимость вязкости.

Механические свойства полимеров в (аморфно-кристаллическом) состоянии.

Механические свойства полимеров в аморфно-кристаллическом состоянии во многом определяются тем, что в этом состоянии полимеры представляют собой своеобразные микроконструкции, состоящие из связанных между собой элементов (кристаллических и аморфных областей) с различными механическими характеристиками. Различные области полимера деформируются по-разному, а в пределах одной области разные макромолекулы напряжены и деформированы также различно. Физические методы позволяют установить особенности реакции отдельных структурных элементов на механическое воздействие. В частности, исследование смещения рефлексов на широкоугловых рентгенограммах кристаллических полимеров при их растяжении позволило рассчитать величины деформации и модули Юнга кристаллических участков. Рассчитанные модули для всех полимеров превышали модули Юнга, определенные по механическим испытаниям, причем для полиэтилена при растяжении примерно на 10% на долю кристаллических участков пришлась деформация всего в 0,1%, а модуль Юнга кристаллической решетки достиг значения 25 000 Мн/м 2 (2500 кгс/мм 2 ), превысив значение механического модуля Юнга на 2 порядка.

При небольших напряжениях и деформациях благодаря существенному вкладу в общую деформацию деформации аморфных областей, механические свойства аморфно-кристаллических полимеров имеют сходство с механическими свойствами аморфных полимеров. При повышении температуры происходит уменьшение модуля Юнга, причем при переходе через температуру стеклования аморфных участков иногда наблюдается падение модуля, однако не на 4—5, как в случае аморфных полимеров, а всего на 1 — 2 порядка. Ниже определенной температуры аморфно-кристаллические полимеры, как и аморфные, разрушаются обычно хрупко (исключение составляют полипропилен и некоторые полиимиды, например, полипиромеллитимид, сохраняющие способность к большим деформациям до температуры —200 °С).

При больших напряжениях аморфно-кристаллические полимеры проявляют вынужденную высокоэластнчность. При этом деформируются как аморфные, так и кристаллические области, разрушаются одни кристаллические образования и возникают другие. У многих полимеров растяжение в кристаллическом состоянии идет с образованием шейки, в которой происходит ориентация макромолекул, сопровождающаяся обычно переходом от сферолитной кристаллической структуры к фибриллярной; при этом происходит резкое изменение механических свойств полимера.

Повышение температуры вызывает изменение механических характеристик:

уменьшение прочности;
уменьшение предела текучести;
уменьшение твердости;
увеличение ударной вязкости.

При температуре плавления кристаллический полимер переходит в вязкотекучее состояние. Этот переход является фазовым, но температуpa плавления зависит от условий кристаллизации. Механические свойства аморфно-кристаллических полимеров зависят от степени кристалличности. Так, с ростом степени кристалличности растет модуль Юнга.

Механические свойства полимеров в ориентированном состоянии.

В одноосном и двухосном ориентированных состояниях могут находиться и кристаллические, и аморфные полимеры. Механические свойства ориентированных полимеров существенно зависят от степени ориентации. С повышением степени одноосной ориентации возрастает прочность (более чем на порядок), а деформируемость, как правило, падает. Повышение прочности носит четко выраженный анизотропный характер и происходит только в направлении ориентации; в перпендикулярном направлении прочность, как правило, падает, причем иногда настолько сильно, что может произойти расслоение полимера (волокна).

Полиэтилентерефталат (ПЭТФ, лавсан) — сложный полиэфир этиленгликоля и терефталевой кислоты (лавсан): ПЭТФ получают из диметилтерефталата и этиленгликоля через реакцию переэтерификации с последующей поликонденсацией дигликольтерефталата в расплаве в присутствии катализатора (например, ацетата цинка) в токе азота. Аморфные и низкокристаллические полимеры I группы, к которым относиться ПЭТФ… Читать ещё >

Деформационно-прочностные свойства полимеров ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Содержание

Введение
Раздел 1. Деформационно-прочностные свойства твёрдых тел Раздел 2 Деформационно-прочностные свойства полимеров
- 2. 1. Деформационные свойства полимеров
- 2. 2. Прочностные свойства полимеров Раздел 3 Деформационно-прочностные свойства полиэтилентерефталата
По твердости полимерные изделия, в зависимости от природы выбранных полимеров и наполнителей пластмассы могут быть твердыми и прочными или же гибкими и упругими. Степень кристалличности служит мерой упорядоченности молекулярных цепей. У разных кристаллических полимеров она колеблется в широких пределах, при этом большое влияние имеют условия синтеза полимера и получения образца. Со степенью кристалличности связаны такие важные свойства полимеров, как плотность, твердость, адгезия, прочность, проницаемость и др. Так, в ряду полиолефинов установлены следующие зависимости между степенью кристалличности и равновесным модулем упругости, с одной стороны, и коэффициентом диффузии с другой (табл. 2.1 — 2.2) [1]. Таблица 2.1 — Степень кристалличности и температурные переходы термопластичных полимеров

Таблица 2.2 — Стандартные показатели прочности термопластичных полимеров Данные о степени кристалличности и температурах физических переходов трех групп термопластичных полимеров конструкционного назначения обобщены в табл. 2.2, а физико-механические свойства полимеров каждой группы при обычных условиях представлены в тал. 2.

2.Раздел 3 Деформационно-прочностные свойства полиэтилентерефталата

Полиэтилентерефталат (ПЭТФ, лавсан) — сложный полиэфир этиленгликоля и терефталевой кислоты (лавсан) [1]: ПЭТФ получают из диметилтерефталата и этиленгликоля через реакцию переэтерификации с последующей поликонденсацией дигликольтерефталата в расплаве в присутствии катализатора (например, ацетата цинка) в токе азота. Аморфные и низкокристаллические полимеры I группы, к которым относиться ПЭТФ, находящиеся в стеклообразном состоянии, при нормальной температуре имеют высокие и довольно близкие значения кратковременного модуля упругости и твердости с малым разбросом показателей в пределах одного и того же типа полимеров. По мере приближения к Тс модуль упругости полимеров этой группы плавно снижается (рис. 3.1)[1]. Рис. 3.1 — Температурные зависимости стандартного кратковременного модуля упругости (Е) в интервале температур эксплуатации: 1 — полипропилен; 2 — ПТФЭ; 3 — ПЭ в. п.; 4 — ПЭ н. п.; 5 — ПБ-1.Ниже представлены температурные зависимости модуля ползучести ПЭТФ — рис 3.

2. Рис. 3.2 — Температурные зависимости модуля ползучести (продолжительность действия нагрузки 100 с, относительное удлинение ε = 0,2%:1 — ПА-66' 2 — ПФ; 3 — ПВХ; 4 — ПММА; 5 — ПЭ в. п.; 6 — ПЭ н._п.; 7 — ПТФЭ. На рис. 3.3 приведены кривые ползучести в координатах ε — Ig t при нормальной температуре и средних нагрузках термопластичных полимеров и, в том числе, и ПЭТФ. На основании рассмотрения кривых ползучести, полученных при различных напряжениях, получают так называемые изохронные зависимости напряжение — деформации для различной длительности приложения нагрузки. Рис.

3.3 — Кривые ползучести при растяжении (20°С):1—ПФО (2,1 кгс/мм2); 2— ПФ (2,1 кгс/мм2); 3— ПА-6 (2,0 кгс/мм24— ПММА (2,1 кгс/мм2); 5—ПВХ (2,0 кгс/мм2); б—ПЭн. п. (0,22 кгс/мм2); 7 — ПП (0,7 кгс/мм2); 8 — ПК (2,1 кгс/мм2); 9 — ПТФЭ (1,4 кгс/мм2, сжатие); 10 — ПСу (2,1 кгс/мм2).Полиэтилентерефталат обладает высокой механической прочностью и ударостойкостью, устойчивостью к истиранию и многократным деформациям при растяжении и изгибе и сохраняет свои высокие ударостойкие и прочностные характеристики в рабочем диапазоне температур от -40 °С до +60 °С. ПЭТ отличается низким коэффициентом трения и низкой гигроскопичностью. Материал сочетает стойкость к удару (не разрушается при испытаниях ударной вязкости по Шарпи без надреза) с достаточной твердостью, жесткостью (предел текучести при растяжении — 40−60 МПа) и стойкостью к растрескиванию. Полиэтилентерефталат имеет хорошие антифрикционные свойства и износостойкость. При растяжении ПЭТФ, наблюдается очень резко выраженный переход от пластичного разрыва к хрупкому. Объяснение здесь основывается на том, чтоаморфный ПЭТФ при температурах выше Tg легко кристаллизуется. Если скорость растяжения достаточна для того, чтобы достигнуть температуры, необходимой для начала кристаллизации, а степень ориентации при этом такова, что кристаллизация происходит с заметной скоростью, то в этом случае образующиеся кристаллы могут подавить способность полимера к холодному течению. Ваморфном

ПЭТФнаблюдаются два главных релаксационных перехода. Высокотемпературный переход обусловлен стеклованием и связан с движением основных молекулярных цепей. В этом случае иное объяснение исключается, так как в этом полимере нет боковых групп. Заключение

Проявление хрупкости или пластичности определяется не только свойствами самого тела, но и временем воздействия: тела, разрушающиеся хрупко при больших кратковременных воздействиях, могут пластически деформироваться до разрушения при более слабых длительных воздействиях. Прочность — свойство твердого тела сохранять целостность при действии нагрузок. Обычно прочностные свойства материалов характеризуют пределом прочности (или просто прочностью) — величиной напряжения, при котором происходит разрушение тела в условиях нагружения, ведущегося в определенном режиме роста деформации и обычно продолжающегося не более нескольких минут. При более длительных воздействиях разрушение происходит и при напряжениях, значительно меньших предела прочности. Второйраздел курсовой работы описывает деформационно-прочностные свойства полимеров. Механические свойства полимеров принято характеризовать их деформационно-прочностными характеристиками. При этом исследуют поведение полимера при приложении к нему напряжения и определяют деформацию до момента разрушения образца.

Полученные результаты обычно представляют в виде кривой зависимости напряжения от деформации. Высокой прочностью и низким удлинением характеризуются полимеры с высокой степенью кристалличности, большим числом поперечных связей или высокой Тст. Наоборот, полимеры с низкой степенью кристалличности или сшивки и низкими Тст, как правило, имеют высокое удлинение и низкую прочность. Аморфный полимер обычно теряет прочность выше Тст, а кристаллический полимервыше Тпл. Таким образом, механические свойства полимеров сильно зависят от температуры. Для твердых (стеклообразных или кристаллических) полимеров важное значение имеет теплостойкость, т. е. способность не размягчаться (сохранять форму) при повышении температуры. Количественно эта характеристика определяется температурой, при которой в условиях действия постоянной нагрузки деформация образца не превышает некоторое значение. Третий раздел дает характеристику деформационно-прочностных свойств

ПЭТФ. Аморфные и низкокристаллические полимеры I группы, к которым относиться ПЭТФ, находящиеся в стеклообразном состоянии, при нормальной температуре имеют высокие и довольно близкие значения кратковременного модуля упругости и твердости с малым разбросом показателей в пределах одного и того же типа полимеров. По мере приближения к Тс модуль упругости полимеров этой группы плавно снижается. Описано, что при растяжении ПЭТФнаблюдается очень резко выраженный переход от пластичного разрыва к хрупкому. Объяснение здесь основывается на том, чтоаморфный ПЭТФ при температурах выше Tg легко кристаллизуется. Если скорость растяжения достаточна для того, чтобы достигнуть температуры, необходимой для начала кристаллизации, а степень ориентации при этом такова, что кристаллизация происходит с заметной скоростью, то в этом случае образующиеся кристаллы могут подавить способность полимера к холодному течению. Ваморфном

ПЭТФнаблюдаются два главных релаксационных перехода. Высокотемпературный переход обусловлен стеклованием и связан с движением основных молекулярных цепей. В этом случае иное объяснение исключается, так как в этом полимере нет боковых групп.

Список литературы

Тростянская Е. Б. Термопласты конструкционного назначения. — М.: Химия, 1975. — 240 сЭнциклопедия Полимеров. Ред. коллегия: В.

Читайте также: