Высокоэластическое состояние полимеров реферат

Обновлено: 08.07.2024

Под прочностью понимают свойство полимерного материала сопротивляться разрушению под действием механических напряжений. При этом разрушение — это нарушение сплошности материала, его разрыв, приводящий к образованию новых поверхностей.

Прочностные свойства полимеров

Чтобы разрушить полимерное тело, надо разрушить связи, объединяющие элементы его структуры. В механике полимеров различают теоретическую и техническую прочности.

Так, теоретическая прочность полимерного материала σm — это прочность тела с идеальной структурой, без повреждений и дефектов при температуре абсолютного нуля, т. е. в отсутствие теплового движения, при однородной статической деформации растяжения, обеспечивающую равную напряженность всех связей и их одновременный разрыв по поверхности разрушения.

Теоретическая прочность определяется по формуле

где N — число атомов или связей, приходящихся на единицу площади сечения, Fm — прочность связи (сила взаимодействия) двух соседних атомов.

Повышение степени ориентации приводит к росту плотности упаковки макромолекул и, следовательно, к увеличению числа химических связей на единице площади разрушения полимерного тела, а также к росту числа физических узлов.

При растяжении образца полимерного материала теоретическая прочность определяется, как

где E — модуль упругости, а K — константа равная 0,08 ÷ 0,16.

Нужна помощь в написании реферата?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Установлено, что в полимерах невысокой молекулярной массы разрушение происходит не столько за счет разрыва химических связей, сколько за счет скольжения сегментов, т. е. преодоления сил межмолекулярного взаимодействия.

Техническая прочность намного ниже теоретической. Основными причинами снижения прочности являются тепловое движение атомов и наличие слабых дефектных мест.

В реальных полимерах при Т > 0 ºК в любой полимерной системе происходит тепловое движение атомов, которое может явиться причиной термофлуктуационного разрыва связей. Термофлуктуационная теория рассматривает разрушение связей как следствие теплового колебания отдельных атомов при равномерном распределении силового температурного поля. Например, разрыв связей в реальном полимере рассматривается как результат распространения, взаимодействия и генерирования фононов (статистически независимые связи — частицы).

Существуют такие понятния как кратковременная и длительная прочности. Кратковременная прочность определяется при нагрузке, приближающейся к разрушающей, а длительную — при нагрузках, намного меньше разрушающих.

Для определения длительной прочности к образцу полимера прикладывают постоянную растягивающую нагрузку, которая сразу после приложения силы, начинает вызывать необратимые изменения в структуре материала. При этом фиксируется время, через которое произойдет разрушение образца полимера. Это время принято называть долговечностью материала при заданном уровне напряжения.

Таблица прочности выбранного полимера: пластмассы.

Полимер	Значения прочности, МПа
Кратковременная (1 минута)	Длительная (19 месяцев нагрузки)
Полиметилметакрилат	175-500	10-12

Для определения долговечности полимера используют уравнение вида:

где А и а — константы временной прочности, σ — приложенное напряжение.

Нужна помощь в написании реферата?

Между lnτ и σ имеется линейная зависимость, которая показана на рисунке:

Зависимость lnτ от σ

Однако в практических целях нередко необходимо определить значение допускаемого напряжения, обеспечивающего долговечность изделия.

В этом случае можно использовать уравнение вида

где [σ] — допускаемое напряжение для требуемой долговечности изделия; [σ] — табличное значение допускаемого напряжения, Па; τ — требуемая долговечность, час; β и m — константы.

Для полиметилметакрилата β = 1,9×10-3 и m = 0,029.

Твердость полимерных материалов

Термин твердость означает способность полимерного материала сопротивляться вдавливанию в него других тел. По сути, она характеризует механические свойства поверхности материала. На нее влияют температура, величина и скорость приложенного усилия и другие внешние факторы. Мягкие и эластичные полимерные материалы, имеющие низкую твердость, могут быть использованы в качестве герметиков, уплотнительных и прокладочных материалов. В противовес эластикам, твердые полимерные материалы применяются для изготовления конструкционных деталей, а именно, тормозных систем, зубчатых колес и подшипников, деталей резьбовых соединений.

Нужна помощь в написании реферата?

Твёрдость органического стекла составляет 180-190 Н/мм². Это довольно-таки низкая прочность и, как следствие, орг.стекло склонно к поверхностным повреждениям.

Значения измерений на твердость применяют для оптимизации содержания пластификатора, количества и вида наполнителя, условий переработки в изделия. Кроме того, по величине твердости судят о следующих характеристиках:

модуль упругости (3000 МПа),

коэффициент Пуассона (0.33),

Твердость полимерного материала существенно зависит от температуры испытаний.

Зависимость твердости полиамида от температуры испытаний

Нужна помощь в написании реферата?

Как видно из рисунка, с увеличением температуры испытаний величина твердости для полиамида резко снижается. Это обстоятельство следует учитывать при эксплуатации полимерных материалов в температурных полях [1].

Теплофизические свойства полимеров

Теплофизические свойства полимеров рассматривают как специфическую реакцию, возникающую в них, на температурное поле. Специфичность этих свойств обусловлена особенностями макромолекулярного строения, гибкостью цепей локальной анизотропией силового поля. Локальная анизотропия силового поля обусловлена различием сил, действующих внутри макромолекулы (химические связи) и между макромолекулами (физические связи).

К теплофизическим характеристикам относят теплоемкость, тепло- и температуропроводность, изменение размеров при варьировании температуры.

Под теплоемкостью полимеров понимают количество тепла, необходимое для нагревания его на 1 ºК. В физике полимеров различают удельную и мольную теплоемкости. При этом удельная теплоемкость — это количество тепла, необходимое для нагревания на 1 ºК единицы массы полимера [Дж/(кг·К)].

Различают также теплоемкости при постоянном давлении (Ср) и постоянном объеме (Сv). В этом случае Ср и Сv определяют по следующим формулам:

где H — энтальпия, U — внутренняя энергия, V — объем, a — термический коэффициент объемного расширения, Kсж — коэффициент изотермического сжатия.

Нужна помощь в написании реферата?

Средней мольной теплоемкостью C в интервале температур от Т1 до

Т2 называется отношение количества тепла Q, подводимого к 1 молю полимера, к разности температур:

Теплоемкость полиметилметакрила равна 138,0 Дж/(моль·К).

Теплопроводностью называют процесс переноса тепла от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящий к выравниванию температуры. При этом в полимере возникает градиент температур, который приводит к появлению теплового потока. Этот тепловой поток существует до тех пор, пока вследствие переноса энергии градиент температур не окажется равным нулю.

Оценку теплопроводности производят по коэффициенту теплопроводности λ, равному количеству тепла Q, протекающего в единицу времени через единицу площади (S) поверхности, перпендикулярной к направлению потока тепла при перепаде температур на 1º К на единицу длины в этом направлении, т. е.

где Q — количество тепла, переносимое за время dτ через площадку dS в направлении нормали (x) к этой площадке в сторону убывания температуры Т, dT/dx — градиент температуры. Размерность величины λ = Вт/(м·К).

полимер твердость теплопроводность полиметилметакрилат

Нужна помощь в написании реферата?

Температуропроводность полимера характеризует скорость изменения температуры в нем под действием теплового потока в нестационарных условиях. Эту характеристику нужно знать для оценки времени охлаждения изделия из полимера, получаемого из расплава полимера, а также для оценки поведения полимерного изделия в условиях нестационарных тепловых полей.

Температуропроводность (а) определяют по формуле

де Ср и Сv — соответственно удельная (Дж/кг·К) и объемная (Дж/м3×К) теплоемкости, ρ — плотность полимера, кг/м3.

молекулярная масса полимера;

конфигурация и химическое строение звена полимера;

наличие низкомолекулярных наполнителей.

Нужна помощь в написании реферата?

Теплостойкость полимера характеризуется способностью его не размягчаться при повышении температуры. Количественной характеристикой теплостойкости полимера служит температура, при которой в условиях действия постоянной нагрузки деформация образца не превышает некоторую величину. Эта характеристика является в некотором роде условной, но она помогает правильно выбрать полимерный материал для конкретных условий.

Значение теплостойкости полиметилметакрилат по Мартенсу: 60 ÷ 80 ºС.

Теплостойкость может быть повышена следующими методами:

усилением меж- и внутримолекулярных взаимодействий, за счет насыщения макромолекул полярными группами;
упорядочением надмолекулярной структуры, в частности, повышением степени кристалличности полимера;
образованием поперечных химических связей и увеличением степени сшивания;
введением активных наполнителей.

Морозостойкость — способность полимерного материала сохранять свои свойства при низких температурах. Так, например, для стеклообразных полимеров — это отсутствие хрупкости, для эластомеров — она означает сохранение эластичности.

Органическое стекло обладает высокой морозостойкостью до -60ºС [2].

Электрические свойства полимеров

Поведение полимерных материалов в электрическом поле оценивается следующими свойствами:

Нужна помощь в написании реферата?

удельная электрическая проводимость,
диэлектрическая проницаемость,
диэлектрические потери,
электрическая прочность.

Электрическая проводимость полимера

Электрической проводимостью полимера называется способность его пропускать электрический ток при приложении к нему напряжения. Эта проводимость описывается тремя механизмами:

электронным;
ионным;
биполярным.

В большинстве случаев электропроводность диэлектриков носит ионный характер. Электрическая проводимость характеризуется удельной объемной проводимостью (γ) куба размером 1×1×1 м:

где I — сила тока, А; Е — напряженность тока, В/м; S — площадь поверхностного сечения, м.

Электрическая проводимость существенно зависит от таких факторов, как:

напряженность электрического поля;

Нужна помощь в написании реферата?

состав полимерной композиции [3].

Таким образом, рассмотрев основные свойства полимеров, можно сделать вывод, что полиметиметакрилат — жесткий аморфный полимер, обладающий высокой прозрачностью, атмосферостойкостью, хорошими физико-механическими и электроизоляционными свойствами. Непригоден для использования при высоких частотах из-за своей полярности. Имеет высокую морозостойкость (до -60 °С) и сравнительно высокую теплостойкость.

1. Сутягин В. М. Основные свойства полимеров: учебное пособие / В. М. Сутягин, О. С. Кукурина., В. Г. Бондалетов; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. − Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. — 30-36 с.

2. Сутягин В. М. Основные свойства полимеров: учебное пособие / В. М. Сутягин, О. С. Кукурина., В. Г. Бондалетов; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. − Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. — 41-52с.

Нужна помощь в написании реферата?

В полимерных твердых телах различают фазовые переходы, связанные со структурными превращениями, и релаксационные, связанные с изменением интенсивности внутримолекулярной подвижности.

Механические свойства полимеров зависят от структуры, физического состояния, температуры и скорости воздействия. Физические состояния полимеров непосредственно связаны с физической структурой и интенсивностью внутримолекулярного теплового движения в них. Переход из одного физического состояния в другое называют температурным переходом.

В зависимости от температуры, полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Схема деформируемости полимера, в зависимости от температуры, приведена на рис.3. 4.

Рис. 3. 4. Термомеханическая кривая полимера

Переход из одного состояния в другое происходит в некотором интервале температур. Средние температуры, при которых наблюдается изменение физического состояния, называются температурами перехода. Температура перехода из стеклообразного состояния в высокоэластическое (и обратно) называется температурой стеклования (Т_с), а температура перехода из высокоэластического состояния в вязкотекучее (и обратно) называется температурой текучести (Т_т).

Если полимер находится в кристаллическом состоянии, то ниже температуры кристаллизации (перехода аморфной фазы в кристаллическую) он находится в твердом состоянии, но обладает, так же как и аморфный полимер, различной деформируемостью ниже и выше температуры стеклования. Выше температуры кристаллизации кристаллическая часть полимера плавится, и термомеханическая кривая почти скачкообразно достигает высокоэластических деформаций, характерных для некристаллического полимера. Если полимер слабо закристаллизован, то выше температуры стеклования он деформируется практически как аморфный полимер.

Повышение температуры облегчает деформируемость полимера. Поэтому температуры перехода являются основными характеристиками при выборе температуры переработки и эксплуатации полимерных материалов.

Рассмотрим особенности трех состояний полимеров.

Стеклообразное состояние.Температура стеклования разделяет стеклообразное и эластическое состояния аморфного полимера. Ниже температуры стеклования Т_с, происходит замораживание кооперативной подвижности независимых элементов основной цепи макромолекул – сегментов и фиксирование неравновесной упаковки макромолекул – застекловывание полимера.

При понижении температуры ниже Т_с уменьшается амплитуда колебаний и количество флуктуаций, приводящих к перескоку макромолекулы из одного положения в другое. Это, в свою очередь, приводит к увеличению плотности упаковки молекул и, следовательно, плотности всего образца. При этом подвижность всех сегментов макромолекул становится ограниченной, и полимер переходит в стеклообразное состояние.

Рис. 3.5. Диаграммы растяжения полимеров в стеклообразном (а), хрупком (б) и высокоэластическом (в) состояниях: I – область упругих деформаций; II – область вынужденноэластической (а) и высокоэластической (б) деформации

При дальнейшем понижении температуры ниже температуры стеклования в образце наблюдается уменьшение теплового движения тех сегментов макромолекул, которые до этого обладали некоторой подвижностью. Величина механической энергии, необходимая для активации сегментов и изменения конформации макромолекул, может оказаться выше предела прочности. Полимер разрушается как хрупкое тело при ничтожно малой величине деформации (рис. 3.5, б). Температура, при которой наблюдается это явление, называется температурой хрупкости (Т_хр).

Высокоэластическое состояние.Если нагревать застеклованный полимер, то сразу после того, как будет превышена температура стеклования, образец начнет размягчаться и переходить в высокоэластическое состояние. Последнее характеризуется относительно высокой подвижностью сегментов макромолекул. Это приводит к стремлению макромолекул принять самые разнообразные конформации. Наряду с двумя крайними конформациями – полностью выпрямленной и полностью скрученной – существует множество конформаций, обусловленных разной степенью изогнутости макромолекул.

При действии нагрузки макромолекулы, входящие в состав надмолекулярных образований, могут менять свою форму – из скрученных становиться более вытянутыми, что обеспечивает высокую эластичность полимера. После снятия нагрузки тепловое движение более или менее быстро, в зависимости от температуры и величины межмолекулярного взаимодействия, возвратит макромолекулу из вытянутой формы в прежнюю равновесную форму, обеспечив тем самым обратимый характер деформации. Диаграмма деформации такого полимера представлена на рис. 3.5 в.

Вязкотекучее состояние.При дальнейшем повышении температуры выше Т_т полимер переходит в вязкотекучее состояние. В этом состоянии он способен необратимо течь под воздействием иногда сравнительно небольших внешних усилий. Процесс вязкого течения обязательно сопровождается раскручиванием макромолекул. Высокая вязкость материала может привести к значительному выпрямлению цепей и их ориентации в направлении приложения силы, что используется для получения ориентированных высокопрочных волокон и пленок.

Определение температур физических переходов в полимерах возможно с помощью термомеханического метода, при котором исследуется зависимость деформации от температуры при постоянных нагрузках. Этот же метод может использоваться для быстрого определения таких важных характеристик полимерных материалов, как температуры стеклования, кристаллизации, начала химического разложения.

При помощи термомеханического метода можно исследовать влияние различных веществ на отверждение полимеров: изучать влияние пластификаторов, наполнителей и других ингредиентов на технологические свойства полимерных материалов. Температуры физических переходов в полимерах могут быть определены также методом дифференциально-термического анализа.

Анализ структуры и физических переходов в термопластичных полимерах, используемых в качестве конструкционных полимерных материалов, позволяет разделить их на три основные группы.

Первая группа — аморфные или трудно кристаллизующиеся полимеры с жесткими макромолекулами, максимальная степень кристалличности которых не превышает 25% и Т_с значительно превышает комнатную температуру. К этой группе относятся нерегулярно построенные карбоцепные полимеры: полистирол, полиметилметакрилат, поливинилхлорид, их статистические сополимеры с небольшим числом звеньев другого мономера и ароматические гетероцепные полимеры: простые полиэфиры (полифениленоксид, полисульфон), сложные полиэфиры (поликарбонаты, полиарилаты), полиамиды (фенилон). При комнатной температуре – это жесткие упругие материалы (полимерные стекла), верхний температурный предел эксплуатации которых ограничен Т_с . Формование изделий осуществляется при температуре выше Т_т (в случае литья или экструзии) или Т_с (при штамповке и вытяжке).

Вторая группа– кристаллизующиеся полимеры со средней степенью кристалличности, Т_с которых довольно близка к комнатной температуре. К этой группе относятся полиметилпентен, политрифторхлорэтилен, пентапласт, алифатические полиамиды. Верхний температурный предел эксплуатации таких полимеров определяется степенью кристалличности и может колебаться от Т_с аморфной фазы до температуры плавления (Т_пл) кристаллической, а переработка в изделия производится выше Т_пл.

Третья группа– кристаллизующиеся полимеры с высокой степенью кристалличности, Т_с аморфной фазы которых значительно ниже комнатной. К этой группе относятся полиэтилен, полипропилен, полибутен-1, политетрафторэтилен и полиформальдегид. В нормальных условиях в этих полимерах сочетаются свойства, присущие аморфной фазе, находящейся в эластическом состоянии, и жесткой кристаллической фазе. Поэтому в интервале Т_с

Драгоценный камень нельзя отполировать без трения. Также и человек не может стать успешным без достаточного количества трудных попыток. © Конфуций ==> читать все изречения.

ВЫСОКОЭЛАСТИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ - состояние, в к-ром полимеры обладают способностью к большим обратимым деформациям (до неск. десятков, сотен и более процентов).

В высокоэластическое состояние могут переходить все гибкоцепные линейные полимеры с достаточно большой молекулярной массой и пространственно структурированные (сетчатые) полимеры при нагр. их выше т-ры стеклования.

Верх. температурная граница определяется т-рой разложения для сетчатых полимеров и т-рой текучести для линейных. Полимеры, находящиеся в высокоэластическом состоянии в широком интервале т-р, соответствующем условиям их эксплуатации, наз. эластомерами. Типичные представители эластомеров - натуральный и синтетич. каучуки, а также резины на их основе.

В отличие от твердых кристаллич. тел деформация полимеров в высокоэластическом состоянии связана не с изменением межатомных или межмол. расстояний, а с частичным развертыванием хаотически свернутых цепных молекул, что и обусловливает возможность больших деформаций. При этом возвращающая сила f вызывается не силами притяжения между молекулами деформируемого тела, а тепловым движением, к-рое по своей интенсивности такое же, как тепловое движение молекул в жидкостях. Т. обр. упругость полимеров в высокоэластическом состоянии имеет энтропийную природу подобно объемной упругости газов. Поэтому модуль упругости полимеров в высокоэластическом состоянии пропорционален абс. т-ре Т и имеет низкие значения (0,1-10 МПа), тогда как модуль всестороннего сжатия, определяемый силами межмол. взаимодействия, типичен для кон-денсиров. сред. Вследствие этого деформация эластомеров практически не сопровождается изменением объема, и связанное с этим изменение внутр. энергии U ничтожно. Наблюдаемые на опыте изменения U при деформации эластомеров связаны с изменением набора энергетически неравноценных конформац. изомеров при развертывании цепей. В зависимости от разности энергетич. уровней транс- и гош-конформеров изменение внутр. энергии при деформации и соответствующая ему составляющая возвращающей силы fe = (dV/dl)V,T ("энергетич. сила") м. б. как положительными, так и отрицательными (l-длина образца, V-его объем).

Предпринимались попытки объяснить наблюдаемые отклонения от классич. теории на основе разл. физ. предпосылок. Но все они, как и разл. феноменологич. теории, не получили широкого распространения. Отклонения от классич. теории, как считает большинство исследователей, связаны с тем, что в ней не учитываются ограничения числа возможных конформаций цепей, возникающие вследствие их взаимной непроницаемости. Многочисл. теории, построенные на этой предпосылке, удовлетворительно описывают деформац. зависимости разл. типов.

Исп. литература:
Волькснштейн М.В., Конфигурационная статистика полимерных цепей, М.-Л., 1959;
Бирштейн Т.М., Птицын О.Б., Конформаций макромолекул, М., 1964;
Treloar L.R.Y., The physics of rubber elasticity, 3 ed., Oxf., 1975. Л. С. Лрисе.

А | Б | В | Г | Д | Е | Ё | Ж | З | И | Й | К | Л | М | Н | О | П | Р | С | Т | У | Ф | Х | Ц | Ч | Ш | Щ | Ы | Э | Ю | Я

Приглашаем специалистов к сотрудничеству в качестве внештатных авторов и консультантов!

Выставки и конференции
Государство и бизнес
Литература и образование
Новые материалы и марки
Обзоры и анализ рынков
Обзоры СМИ
Оборудование
Объемы и мощности
Отходы и экология
Персоны и назначения
Пресс-релизы, форс-мажоры
Разработки изделий
Слияния и новые имена
Цены на сырье и изделия

Рассмотрим основные особенности высокоэластического состояния.

А. С ростом температуры модуль упругости эластомеров увеличивается, как у газов (у твердых сил он, напротив, уменьшается). [Еще 200 лет назад было замечено, что при нагревании нагруженной полоски каучука она сокращается, т.е. растет сопротивление нагрузке]. Тем не менее, на термомеханической кривой участок, соответствующий эластическому состоянию (участок II, рис. 24, Б), не идет вниз с ростом температуры, т.к. с ростом температуры растет скорость развития деформации.

Б. При адиабатической деформации эластомер нагревается (а твердое тело охлаждается).

4. Высокоэластическая деформация – ярко выраженный релаксационный процесс, потому что она вызвана перемещением довольно крупных единиц – сегментов, - а это требует достаточно больших времен. Длительность релаксационных процессов больше в нижней части интервала эластичности и уменьшается в его верхней части, но в любом случае она на много порядков больше, чем длительность процессов деформации твердых тел. [Процесс деформации при растяжении образца резины легко наблюдается, в то время как процесс деформации твердого тела незаметен для глаза]. Релаксационный временной характер приводит к некоторым характерным особенностям поведения полимеров:

А. Интервал эластичности меняется в зависимости от времени действия нагрузки в соответствии с принципом температурно-временной суперпозиции; это явление и его практическое использование уже рассматривались ранее – при обсуждении зависимости температур стеклования и текучести от времени действия нагрузки (стр. 126).

Б. Характерной особенностью процессов высокоэластической деформации является упругий гистерезис (явление гистерезиса упоминалось ранее – стр. 124, рис. 26). Гистерезис при высокоэластической деформации проиллюстрирован кривыми деформация-напряжение на рис. 31 (сопутствующие малые обратимые деформации не учитываются):

Рис. 31. Зависимость деформации от напряжения для полимера в высокоэластическом состоянии.

Если изменять напряжение очень медленно, сегменты успевают перемещаться почти синхронно с изменением нагрузки, отставание изменения деформации от изменения нагрузки практически незаметно, и с известной степенью приближения можно считать, что зависимость имеет вид 1. (как при нагружении, так и при снятии нагрузки). Если же нагрузка изменяется с большей скоростью (а так чаще всего и бывает при эксплуатации полимеров), то сегменты не успевают перемещаться, и деформация запаздывает; зависимость имеет вид кривой 2 (при нагружении) и кривой 3 (при снятии нагрузки). Образуется характерная петля гистерезиса; ее площадь (S) – разность площадей фигур 0AD₁ и D₂AD₁:

где σ₁– напряжение при нагружении; σ₂– напряжение при снятии нагрузки.

Площадь первой из фигур – работа, затраченнаяна деформирование полимера, площадь второй – работа,возвращеннаяпосле снятия нагрузки. Совершенно очевидно, что не вся работа, затраченная в процессе нагрузки, возвращается после ее снятия; площадь петли гистерезиса характеризует ту часть работы, которая осталась невозвращенной, иначе говоря, –механические потери. Эти потери уходят нанагревание полимера в процессе деформации (за счет внутреннего трения). Такое разогревание эластомерных материалов в процессе деформации – обычное явление, его может наблюдать каждый, потрогав автомобильную шину сразу после движения автомобиля.

Читайте также: