Химия и физика полимеров - Тугов И.И.
ISBN 5—7245—0243—7
Скачать (прямая ссылка):
П. Каково воздействие радиации на релаксацию напряжения сетчатого и линейного полимеров?
279
ГЛАВА 5
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ
При эксплуатации полимерные изделия подвергаются действию различных внешних полей: механических, тепловых, электрических, магнитных и т. д. Физические свойства, которые представляют собой отклик на это действие, разделяют на механические, тепловые, электрические и др. Физические свойства полимеров определяются их структурой, физическим и фазовым состоянием в процессе эксплуатации. Установление связи между структурой полимеров и их физическими свойствами позволяет не только определить оптимальные условия их применения, но и проводить направленный синтез новых полимерных материалов с заранее заданными свойствами.
5.1. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Механические свойства определяют степень изменения структуры, размеров, формы тела при воздействии на него механических сил. В зависимости от величины и продолжительности действия механических сил полимерные материалы подвергаются деформации или разрушению. Соответственно различают деформационные и прочностные свойства. Деформационные свойства характеризуют способность полимерных аматериалов деформироваться под воздействием механических напряжений, прочностные — способность сопротивляться разрушению.
Вследствие специфики строения макромолекул и надмолекулярных структур механические свойства полимеров характеризуются рядом особенностей и сильно зависят не только от состава и строения полимера, но и от внешних условий. Работоспособность полимерных материалов во многом определяется режимом их деформирования, прежде всего характером действия внешних сил. Различают статические и динамические режимы нагружения. К статическим относят воздействия при постоянных нагрузках или деформациях, а также при небольших скоростях нагружения, к динамическим — ударные или циклические воздействия.
5.1.1. Деформационные свойства
Деформацией тела называется изменение его размеров, объема и формы под влиянием температуры, внешнего механического воздействия или внутренних сил. Деформация сопровождается изменением структуры полимеров и их свойств: чем сильнее деформация, тем значительнее изменение структуры и свойств.
280
Рис. 5.1. Различные виды деформации:
а —простой сдвиг: 6" — одноосное растяжение; в, г —объемное деформирование при сжатии («) и растяжении (г) (сплошные линии — форма до деформации; пунктир — после деформации)
Степень деформации оценивается относительной деформацией с, равной отношению абсолютной деформации АХ к размеру образца X до деформации: е=АХ/Х.
Величина деформирующих сил характеризуется напряжением, т. е.-силой, приходящейся на единицу площади сечения тела. Различают истинное се и условное /е напряжения при деформации:
о,=Р/5«; /, = Р/50,
где Р — деформирующая сила; 5е, — площади поперечных сеченни при деформации е и до нагружения.
Эти показатели связаны соотношением
Ое=Ые+1).
Можно выделить три вида деформации: простой сдвиг, одноосное растяжение, всестороннее сжатие (или растяжение) (рнс. 5.1). При простом сдвиге деформирование происходит под действием тангенциальных (касательных) напряжений 0т, действующих на поверхности образца. При этом изменяется форма образца, а объем остается постоянным. Деформация сдвига *( определяется тангенсом угла а при сдвиге верхней плоскости АВ относительно нижней 00' в положение А*В'у т.е. тангенсом угла поворота а прямой ОА (ОА — расстояния между плоскостями). Модуль сдвига С — От/?- Скорость •
сдвига ч=(1'<(/(Н представляет собой величину, характеризующую изменение деформации во времени.
Одноосное растяжение происходит под действием нормальных напряжений Он, приложенных перпендикулярно поверхности образца. При этом наблюдаются продольное растяжение еПрод и поперечное сжатие образца е ©и«р. Степень растяжения К равна отношению длин образца до (/о) и после (/) растяжения: ?„=///<>.
Относительное удлинение при растяжении Спрод равно
впрод= (/— /о)Д-Д///=Х - 1.
Модуль при одноосном растяжении Е (модуль Юнга) равен
?=Он/Спр©д-
Мерой поперечного сжатия при одноосном растяжении является безразмерная величина — коэффициент Пуассона ц:
Ц™Впоп«р/влрод.
Обычно для эластомеров ц = 0,48—0,49, для пластмасс 11=0,2—0,4.
Если до деформирования образец имел размеры а, Ь, с, а после — х? Уу г, то степень деформирования составит
Кг-х/а; Я2-#/6; Ха-г/л
281
1?сли объем тела не изменяется при деформировании, то аЬс=хуг
При всестороннем сжатии (растяжении) под действием нормальных напряжении происходит изменение объема образца, а форма не изменяется. В этом случае сжимающим напряжением является давление Р. Объемная деформация Сов равна относительному изменению объема ДУ/У. Модуль всестороннего сжатия К равен:
Р/(ДУ/К).
Модули при растяжении ?, сдвиге О и всестороннем сжатии К связаны
соотношением
?=ЗЛ'(1— 2|Д)-2(1+11)0-
Податливость (величина, обратная модулю) при простом сдвиге равна /=1/0, при всестороннем сжатии В-1//С, при растяжении 0=1/?.
Деформационные свойства полимеров обычно оценивают по кривым напряжение — деформация (о—е). На рис. 5.2 приведены диаграммы растяжения для различных полимеров. Несмотря на равный характер кривых, на всех можно выделить начальный участок до точки А, где наблюдается линейная зависимость между о и е, т. е. выполняется закон Гука, выведенным для твердых тел: о — ?е, где Е— модуль упругости (модуль Юнга), численно равный о при е = 1, т. е. при изменении линейного размера в два раза. Напряжение, соответствующее точке Л, называют пределом упругости Оу»,,, а деформацию — упругой еу„р.
