Женская грудь - идеальная упаковка для молока!

Деформационные свойства полимеров

Рассмотрим деф< >рмационные свойства пластмасс на основе по­лимеров, находящихся в стеклообразном состоянии [10, 14, 34, 36]. Полимерные материал] >i в стеклообразном состоянии характеризу­ются отличающей их от других материалов способностью развивать при соответствующих нагрузках большие обратимые деформации. Достоинства пластических масс реализуемые в стеклообра зном со­стоянии (имеются в виду только механические свойства), можно в общих чертах охарактеризовать следующим образом

В стеклообразном состоянии пластмассы мог)т выдерживать боль­шие нагрузки, способные вызвать у материалов в высокозластичес — ком состоянии значительные деформации В стеклообразном состоя­нии эти нагрузки приводят к несущественным деформациям, что по­зволяет использовать такие пластмассы как конст] >укционные мате­риалы I То устойчивости формы эт и материалы приближаются к твер­дым телам, хотя структура их соответствует структуре жидкости.

Кроме того, стеклообразные полимеры, несмотря на внешнее сходство с силикатн] ,ши стеклами (прозрачность, твердость), не хруп­кие, что является их важным достоинством. Наконец, поразит ельное свойство этих материалов состоит в способности развивать дефор­мации, достигающие при соответствующем уровне и скорости на­гружен ия сотен процентов, и восстанавливать практически полнос­тью свою форму при прогреве.

Наиболее полное суждение о механических свойствах пластмасс в условиях эксплуатации (при заданных температуре и скорости на- гружения) можно составить, анализируя кривые о = /(с).

На рис. 1.2 схематически представлен график зависимости на­пряжения от деформации, характерный для аморфных полимеров в стеклообразном состоянии. Эта зависимость имеет характерный ли — нейныи участ< ж OA, на котором соблюдается пропорциональная за­висимость между а и с. Модуль упругости стеклообразных аморф-

Деформационные свойства полимеров

Рис 1 2. Схематическая зависимость напряжения от относительной деформации для аморфных стеклообразных полимеров

Пых пластмасс составляет около 103МПа При приближении к точке В кривая все заметнее отклоняется от линейной зависимости, харак­терной дя малых деформаций, и в точке Da/De = 0. Напряжение, соответствующее этому условию, называется пределом вынужден­ной эластичности и обозначается ст По достижении свэ материал как бы начинает течь. Деформация быстро увеличивается даже при снижении напряжения, однако эта деформация не является след­ствием вязкого течения Хотя развивак >щиеся при этом деформации обратимы, они недопустимы в тех случаях, когда материал использу­ется к ак коне! рукционный в производстве тары, 11 озтому особую важ­ность приобретает анализ факторов, влияющих на величину преде­ла вынужденной эластичности

А. МПа

Деформационные свойства полимеров

Рас. 1.3. Зависимость а —е для полистирола при скорости растяжения 5,3 10~5с-1 и различны х температу pax / — 20 °С; 2- 40; 3-60; 4-85; 5—90, 6-92, 7-95"С

Предел вынужденной эластичности существенно зависит как от темпера! уры опыта (рис. 1 3), так и от скорости нагруження (рис. 1 4) Из рис. 1 3 и .4 следует, что предел вынужденной эластичности тем ниже, чем выше температура испытания Это можно объясни гь 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 больш их обратимых деформации

Итак, повышение температуры сопровождается уменьшением предела вынужденной эластичности. Аналогичная зависимость в об­ласти низких температур наблюдается такж^ для разрушающего на­пряжения Естественно, что эти зависимости в общем виде не должны быть аналогичными. Уменьшение разрушающего напряжения с рос­том температуры, как и снижение предела вынужденной эластичнос­ти, обусловлено флуктуационным механизмом, но кинетическими еди­ницами в первом случае служат атомные группировки, входящие в релаксационный объем а/К2, а во втором — звенья макромолекул.

В силу сказанного графически зависимости ар = f(7] и о = f‘(T) Изобра жа* >тся кривыми разной крутизны, сдвинутыми друг о гноси — гельпо друга по оси температур, а следовательно, пересекающими­ся Температура, соответствующаяточке пересечения А (рис. 1.5), называется температурой хрупкое in Тх При этой температуре о = Такое значение имел бы при этой температуре предел вы­нужденной эластичности, если бы материал при данном значении напряжения не разруп (алея Однако при указа нном напряжении пре­дел вынужденной эластичн< >сти не достигается, происходи г хрупкое разрушение материала

Ст

Деформационные свойства полимеров

Рис. 1.5 Схема [рафическо! о определения 1емпературы хрупкости

Скоростная зависимость ав аналогична его температ урной зави­симости Чем выше скорос ть нагружения, тем меньшее число флук — туаций 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. 1.6 изображ ена температурная зави­симость предела вынужденной эластичности при различных скоро­стях растяжения При постоянной температуре значение сгв тем выше, чем больше скорост ь нагружения.

С известной степенью приближения температурная и скорост­ная зависимости о могут быть описаны количественно В темпера­турной области, в которой предел вы н ужденной эластичности с рос­том температуры плавно и монот< >нно убывает, справедливо следую­щее соотношение

F К ст Авэ=—Лп-^-, (1.5)

А о Ј/0V т0

Где Я— модуль упругости, к — константа Больцмана, а — параметр уравнения; характеризующий скорость уменьшения Г/с ростом на-

Овэ, Ml la

Деформационные свойства полимеров

100

2u

40

60

-60 -40 -20 0 Tn 20 40 T, °C

Рис. 1.6. Температурная зависимость предела вы нужд» ^ннои зластич ности о не >ливиш 1л хлорида при скоростях растяжения 0,061 мм/мин (/) и 0,61 мм/мип (2). Пунктиром даны расчетные зависимости г учетом изменения величины Uс ростом температуры (7 — температура фазового перехода)

BO

N

N

Пряжения, Т—абсолютная температура; — ак гквационньш барь­ер в ненапряженном образце; V — скорость растяжения; т0 — часто­та колебания к инетииеских единиц.

Это уравнение получено на основе приближенных соотношений и справедливо в ограниченном диапазоне температур, но его пара­метры имеют определенный физическим смысл и связаны с релак­сационными характеристиками материала, а следовательно, с его структурными параметрами.

(1.6)

Более общей, хотя и менее теоретически обоснованной является зависимость

Ств„ =B + CnV,

Где В и С— характеристики материала, зависящие оттемперат^фы.

На рис. 1.6 представлены экспериментальные денные, свидетель­ствующие о том, что уравнение (1.6) справедливо в диапазоне скоро­

Стей, охватывающем несколько десятичных порядков.

Температурная зависимость аьэ часто оказывается более слож ной. чем это представлеш > уравнением (1.5) Для многих полимерных ма­
териалов кривая температурной зависимости ствэ включает два учас­тка, имеющие различный наклон (см. рис. I 6). Б области температур, примыкающихктемпературе фазового перехода Тпсправа, участок кривой имеет более крутой наклон к оси температур, чем в области более низких температур. Такого рода температу рные зависимости п1 характо] >ны для непластифицированного ПВХ, ПС и дру гих поли­меров. Вблизи температуры стеклования под действием внешней силы происходи г существенная перестройка структуры материала. Значение Тс определяют при напряжениях, намного меньших, чем те, при которых ползают значения а.

При температурах и иже точки излома, соответству ютцей темпе­ратуре фазового перехода Та, энергия активации постоянна, а при те мпературах выше Тп она линейно зависит от температуры:

U—V‘-V{T-TU (1.7)

Где Р — параметр уравнения, характеризующий скорость убывания (/по мере удаления от точки Гп.

Ьсли температурная зависимость Uописывается уравнением (1.7), то при Т> справедливо следующее соотношение:

У у VEx

Обобщенная зависимость ств от скорости растяжения и темпера — туры имеет вид

Ггвэ =А + BnciT—, (1.9)

£о

Где An В — параметры, зависящие от строения полимера и темпера­туры приведения; аг— фактор приведения, V— скорость растяже­ния образца, £0— характеристика материала.

Большое г-лияние на вид крив! ш растяжения оказывает масштаб­ный фактор. Так, максимальное значение деформации ср зависит от длины рабочей части образца 1 следующим образом:

8р =КГп, (1.10)

Где К и п — параметры уравнения, и зменяющиеся в широких преде­лах в зависимости от природы материала.

Приведенн ые выше закономерности < относятся к случаю одноос­ного растяжения. Для других видов деформации установлены ана­логичные зависимости. Например, между пределом вынужденной эластичности и логарифмом скорости однооспог о сжатия су] цеству — ег линейная зависимость Для нее неприменим принцип темпера — турно — временной суперпозиции.

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 полимериза1 {и и ст сравнительно быстро перестает зависеть от молекулярной массы. Разрушающее напряжение также ув< 1личивается с возрастанием мо­лекулярной массы полимера Повышение арс ростом степени поли­меризации при Т> Т замедляется и при пысоких значениях молеку­лярной массы на графиках появляется плато.

Механические свойства пластмасс улучшаются в процессе ори­ентации (например, значительно увеличивается прочность матери­ала в направлении ориентации).

Предварительная вытяжка сравнительно мало влияет на предел вынужденной эластичности при значениях вытяжки 200 — 300% За — метн( >е увеличение прочност и в результате пр< дварител! .ной вытяж­ки и слабое изменение <тв 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. Вез 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 сл< ^ненапря­женном состоянии раз] >ушение может происходить в направлениях, перпендикулярных предварительной ориентации Чем больше уг ол между направлениями первоначальной и вторичной ориентации, тем меньше изменяются характеристики прочности.

Такое увеличение прочности справедливо для полимеров с не очень высокими температурами стокловани я Для эфиров цел люл о — зы, например, наблюдается рост сгр даже при малых степенях ориен­тации Предварительная вытяжка вызывает изменение физических свойств различных полимеров в разной степени: наибольшие изме­нения характерны для поликарбоната, а наименьшие —для подиви — нилхлорида, полиметилметакрилата, полистирола

Для характеристики эксплуата ционных свойств пластмасс в стек­лообразном состоянии важно изменение их показателей в процессе ползучести. На рис. 1.7 приведены данные о развитии деформации в полистироле при 25 °С под действием различных напряжении.

Деформационные свойства полимеров

Puc. 1.7. Ползучее п> полистирола При 25 °С

И различных значениях напряжений: /- 12,ЗМПа, 2—22.0. 3 — 23.У 4-2Я,4МПа

Ползучесть, как известно, оценивается при постоянном напря­жении, При этом в процессе испытания деформация материала все время увеличивается, а следовательно, возрастает его податливость.

Общая деформация, развивающаяся за время около 1000 ч, ха­рактеризуется значением 0,5 — 1,5% Такие значения деформации ти­пичны для полимерных стекол ниже тем! гератур ы xpyi [кости На рис 1.7 хорошо видна начальная деформация, характеризующая модуль Юнга полимерного стекла. При малых напряжениях деформация является ис гинно упругой, практ ичоски мгновенно исчезаю] цей пос­ле снятия нагрузки При достаточно больших напряжениях помимо упругой (обратимой) составляющей развивается необратимая дефор­мация Соотношение между обра гимой и необратимой составляющи­ми деформации зависит от физического состояния полимера. Физи­ческое состояние (стеклообразное, переходное, высокоэластическое, вязкотекучее) определяет также вглич инудеформа] щи, развивс иощей — ся за определенное время испытания в режиме ползучести.

На рис. 1.8 приведена зависимость податливости от времени при температурах, соответствую] цих разным физическим состояниям.

В логарифмических координатах в интерва ле времени от несколь­ких секунд до 1,5 ч временная зависимость логарифма податливости выражается прямой линией Скорость ползучести количественно характеризуется значением d(jl/dqt Наибольшая скорость ползу­чести наблюдается в области температур, соответствующих пере­ходной области между стеклообразным и высокоэластическим со­стояния ми.

Jg t

Рис. I 8. Схематическая зависимость подат ликпсп и от времени действия силы для пластифи цированного ПВХ в различных фи зических состояниях: 1— стеклообразном; 2— переходном при 22 °С; 3 — переходном при 32 °С;

4— высокозластическом

С Скорость установившейся ползучести, которой соответствует ли — нейныи участок кривых е = F(T), зависит от напряжения Аналити­ческое выражение этой зависимости имеет вид

1 8 1 Act U /1 In In— = -1пгь+ , (1-11)

Т 2 RT RT Где rj г—внутренняя вяэкость системы

Следует отметить, что для полимеров с 7 ниже 0, например для ПЭНГ1, ползучесть наблюдается даже при незначительных напря­жениях. возникающих в печатных машинах при нанесении на плен­ки печатного изображения, а так же в ФУА в процессе изготовления тары [40]

Стеклообразные пластические массы могут эксплуагироваться также в условиях постоянства деформации В эгих случаях даже при очень малых напряжениях наблюдается релаксация напряжения Для данной области характерна пропорциональность между скорос­тью падения напряжения и его величиной. Это соотношение не со-

Блюдается при 6Oaj »ших уровнях деф< армирующего напряжения На рис 1.9 приведены кривые, описывающие релаксацию напряжения ПММА при различных начальных напряжениях Такие кривые ха­рактеризуют не только релаксацию напряжения, но и величину на­чально! о напряжения о Пели вместо текущего напряжения о по оси ординат откладывать, отношение о/ан. то кривые релаксации напря­жения будут характеризовать только временную зависимость при­веденного напряжения, т ипичнук > для данного материала

CjB~, МПа

Деформационные свойства полимеров

50 40 30 20

10

О 25 50 75 T, мин

Рис. / 9 Релаксация напряжения в поли метил мета крилате при 25 "С и различных начальных напряжениях, указанных на оси ординсп

Когда релаксация напряжения протекает в пластмассе на основе кристаллизующегося полимера, npoi jecc кристаллизации под напря — жени ем ускоряет* :я, а само напряжение релакс ирует с большей ско­ростью

Во многих случаях деформация стеклообразных полимеров со­провождается образованием большого числа поперечных трещин Растрескивание иногда является од1 юи из причин интенсивного про­текания релаксации напряжения и развития ползучести в стеклооб — разн ых полимерах

Leave a Reply

Name (required)


Mail (required)


Website



Производство тары из полимерных пленок и листов

Полиэтилен (ПЭ)

11 олиЭтилен полу чают в результате пол имеризации газа этилена. Он имеет структурную формулу Н Н Н Н ПЭ является неполярным полимером. При нормальных условиях он не растворяется в известных органических растворителях. При нагревании выше 80 °С растворяется в алифатических и аромати — ческ их растворителях и их галогенпроизводных. Стоек к кислотам и щелочам Нестоек […]

Физические основы процесса ориентации

Изменение структуры аморфных и кристаллических полиме­ров при одноосной вытяжке ь различных условиях иллюстрирует рис. 3 52 В исходном изотропном состоянии (рис. 3 52, а) макромолекулы находятся в виде клубков 1 либо в виде кристаллитов, распределен­ных в аморфной части и связанн ых п роходпыми макромолекулами 2. При ориенга] (ионной вытяжке макромолекулы аморфных полимеров распрямляют ся и […]

Позитивное формование»

При позитивном формовании (формование на пуансоне) внутрен­няя поверхность формуемой тары повторяет форму и тиснение внеш­ней поверх но< :ти пуансона (рис. 5 20). А Рис. 5.20. Схема позитивного формования тары: о — прогрев иста; б — натяг на пуансон — форму (предварительная вытяжка); в — око нчательное (зак уумное) формование, /— лист в прижимнои рамке, 2 […]