ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Деформируемость полимерного компонента пластмасс из "Основы переработки пластмасс" Рассмотрим деформируемость пластмасс на основе полимеров, находящихся в стеклообразном состоянии [33, с. 133—153 43, с. 126—170]. Полимерные материалы в стеклообразном состоянии характеризуются способностью развивать при соответствующих нагрузках большие обратимые деформации. Достоинства пластических масс, реализуемые в стеклообразном состоянии (имеются в виду только механические свойства), можно в общих чертах охарактеризовать следующим образом. [c.74] Во-первых, стеклообразные полимеры могут выдерживать большие нагрузки, способные вызвать у материалов в высокоэластическом состоянии значительные деформации. В стеклообразном состоянии эти нагрузки приводят к несущественным деформациям, что позволяет использовать такие пластмассы как конструкционные материалы. По устойчивости формы эти материалы приближаются к твердым телам, хотя структура их соответствует структуре жидкости. Во-вторых, стеклообразные полимеры, несмотря на внешнее сходство с силикатными стеклами (прозрачность, твердость), не хрупкие, что является их важным достоинством. Наконец, поразительное свойство этих материалов состоит в способности развивать деформации, достигающие при соответствующем уровне и скорости нагружения сотен процентов, и восстанавливать практически полностью свою форму при прогреве. [c.74] Наиболее полное суждение о механических свойствах пластмасс в условиях эксплуатации (при заданных температуре и скорости нагружения) можно составить, анализируя кривые а = (е). [c.74] Предел вынужденной эластичности существенно зависит как от температуры опыта (рис. 2.6), так и от скорости нагружения (рис. 2.7). Из рис. 2.6 и 2.7 следует, что предел вынужденной эластичности тем ниже, чем выше температура испытания. Это можно объяснить тем, что при уменьшении тепловой энергии, подводимой к полимеру в стеклообразном состоянии, необходимо увеличение добавочной механической энергии для того, чтобы началось направленное перемещение звеньев макромолекул, благодаря которому становится возможным переход макромолекул от свернутой конформации к развернутой и появляется возможность развития больших обратимых деформаций. [c.75] Температурная зависимость предела вынужденной эластичности 3у поливинилхлорида при скоростях растяжения 0,061 мм/мин [1) и 0,61 мм/мин (2). Пунктиром даны расчетные зависимости с учетом изменения величины и с температурой (Гп — температура фазового перехода). [c.76] Скоростная зависимость а э аналогична его температурной зависимости. Чем выше скорость нагружения, тем меньшее число флуктуаций тепловой энергии реализуется за время действия силы и меньше успевает произойти элементарных актов перемещения звеньев макромолекул. Для достижения той же деформации при большей скорости нагружения требуется более высокий уровень деформирующих напряжений. На рис. 2.9 изображены температурные зависимости предела вынужденной эластичности при различных скоростях нагружения. При постоянной температуре значение авэ тем выше, чем больше скорость нагружения. [c.76] На рис. 2.9 представлены экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что уравнение (2.13) справедливо в диапазоне скоростей, охватывающем несколько десятичных порядков. [c.77] Температурная зависимость сгвэ часто оказывается более сложной, чем это представлено уравнением (2.12). Для многих полимерных материалов кривая температурной зависимости Свэ включает два участка, имеющие различный наклон (см. рис. 2.9). В области температур, примыкающих к температуре фазового перехода Т справа, участок кривой имеет более крутой наклон к оси температур, чем в области более низких температур. Такого рода температурные зависимости (Твэ характерны для непластифицированного ПВХ, ПС и других полимеров. Вблизи температуры стеклования под действием внешней силы происходит существенная перестройка структуры материала. Значение Тс определяют при напряжениях, намного меньше, чем те, при которых получают значения Овэ. [c.77] Приведенные выше закономерности относятся к случаю одноосного растяжения. Для других видов деформации установлены аналогичные зависимости. Например, между пределом вынужденной эластичности и логарифмом скорости одноосного сжатия существует линейная зависимость. Для нее неприменим принцип температурно-временной суперпозиции [33, с. 109]. [c.78] Рассмотрим влияние молекулярной массы на свойства полимеров в стеклообразном состоянии. Предел вынужденной эластичности существенно зависит от молекулярной массы у низших членов гомологического ряда. Однако с ростом степени полимеризации авэ сравнительно быстро перестает зависеть от молекулярной массы. Разрушающее напряжение также увеличивается с возрастанием молекулярной массы полимера. Повышение ар с ростом степени полимеризации при 7 7 с замедляется, и при высоких значениях молекулярной массы на графиках появляется плато. [c.78] Как было указано выше, механические свойства пластмасс улучшаются в процессе ориентации (например, значительно увеличивается прочность материала в направлении ориентации). [c.78] Предварительная вытяжка сравнительно мало влияет на предел вынужденной эластичности при значениях вытяжки 200—300%. Заметное увеличение прочности в результате предварительной вытяжки и слабое изменение авэ являются причиной малой хрупкости ориентированных полимеров. Например, после вытяжки на 100% прочность ПММА возрастает, и вынужденная эластичность проявляется при стандартных скоростях растяжения вплоть до —50 °С. Без предварительной ориентации материал становится хрупким уже при 10°С. Эти результаты получены при одноосном растяжении. При этом прочность растет только в направлении растяжения, а в перпендикулярном направлении она уменьшается. В сложнонапряженном состоянии разрушение может происходить в направлениях, перпендикулярных предварительной ориентации. Чем больше угол между направлениями первоначальной и вторичной ориентации, тем меньше изменяются характеристики прочности. [c.78] Описанное увеличение прочности справедливо для полимеров с не очень высокими температурами стеклования. Для эфиров целлюлозы, например, наблюдается рост авэ даже при малых степенях ориентации. Вообще говоря, предварительная вытяжка вызывает изменение физических свойств разных полимеров в разной степени наибольшие изменения характерны для поликарбоната, а наименьшие — для поливинилхлорида, полиметилметакрилата, полистирола. [c.78] Для характеристики эксплуатационных свойств пластмасс в стеклообразном состоянии важно изменение их показателей в процессе ползучести. На рис. 2.10 приведены данные о развитии деформации в полистироле при 25 °С под действием различных напряжений. Ползучесть, как известно, оценивается при постоянном напряжении. При этом в процессе испытания деформация материала все время увеличивается, а следовательно, возрастает его податливость. [c.79] Общая деформация, развивающаяся за время около 1000 ч, характеризуется значением 0,5—1,5%. Такие значения деформации типичны для полимерных стекол ниже температуры хрупкости. На рис. 2.10 хорошо видна начальная деформация ео, характеризующая модуль Юнга полимерного стекла. При малых напряжениях практически вся деформация является истинно упругой, практически мгновенно исчезающей после снятия нагрузки. При достаточно больших напряжениях помимо упругой (обратимой) составляющей развивается необратимая деформация. Соотношение между обратимой и необратимой составляющими деформации зависит от физического состояния полимера. Физическое состояние (стеклообразное, переходное, высокоэластическое, вязкотекучее) определяет также величину деформации, развивающейся за определенное время испытания в режиме ползучести. [c.79] Стеклообразные пластические массы могут эксплуатироваться также в условиях постоянства деформации. В этих случаях даже при очень малых напряжениях наблюдается релаксация напряжения [33, с. 94]. Для этой области характерна пропорциональность между скоростью падения напряжения и его величиной. Это соотношение не соблюдается при больших уровнях деформирующего напряжения. На рис. 2.12 приведены кривые, описывающие релаксацию напряжения ПММА при различных начальных напряжениях [43]. Такие кривые характеризуют не только релаксацию напряжения, но и величину начального напряжения Стн- Если вместо текущего напряжения от по оси ординат откладывать отношение ст/(т , то кривые релаксации напряжения будут характеризовать только временную зависимость приведенного напряжения, типичную для данного материала. [c.80] Когда релаксация напряжения протекает в пластмассе на основе кристаллизующегося полимера, процесс кристаллизации под напряжением ускоряется, а само напряжение релаксирует с большей скоростью. [c.80] На область перехода материала из стеклообразного состояния в высокоэластическое приходится максимум на кривой температурной зависимости механических потерь [33, с. 109]. Максимальные потери энергии наблюдаются, как известно, при температуре, при которой время релаксации совпадает со временем действия силы. Так как в полимерах могут осуществляться различные виды релаксационных процессов, то наряду с главным максимумом потерь могут появляться другие пики. На рис. 2.13 приведена температурная зависимость угла механических потерь в ПММА. Главный максимум потерь отвечает температуре около 100°С. Он обусловлен затратой энергии на перемещение сегментов основной цепи ПММА и соответствует а-переходу. Ниже 100 °С движение сегментов практически прекращается, и механические потери очень малы. Поскольку в застеклованном ПММА сохраняются вращение эфирных боковых групп и другие виды теплового движения, то при 20 °С, когда время, необходимое для вращения эфирных групп, становится соизмеримым со временем действия внешней силы, на кривой 6 — f(T) появляется второй максимум, соответствующий -переходу. В ПММА существует также у-переход, обусловленный движением СНз-радикалов в эфирных группах. Другие полимеры также обнаруживают релаксационные переходы в стеклообразном состоянии. Например, полиэтилентерефталат имеет а-переход при температуре, близкой к 80 °С, а -nepe-ход —около 40 °С. Благодаря релаксационным переходам снижается хрупкость стеклообразного полимера, поэтому знание условий, при которых осуществляются такие переходы, имеет существенное практическое значение. [c.81] Деформация в высокоэластическом состоянии [33, с. 59— 117 43, с. 185—225] характерна для эластомеров, а не для пластмасс, поэтому в данной книге не рассматривается. Что касается деформируемости пластмасс в вязкотекучем состоянии, то она представляет особый интерес с точки зрения технологии-переработки пластмасс в изделия. [c.81] Вернуться к основной статье