Прочностные и деформационные свойства полимеров

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Прочностные и деформационные свойства полимеров



Прочностные свойства полимеров

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

Так, теоретическая прочность полимерного материала уm - 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 ч 0,16.

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 єК 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, у - приложенное напряжение.

Между lnф и у имеется линейная зависимость, которая показана на рисунке:

Зависимость lnф от у

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

В этом случае можно использовать уравнение вида



где [у] - допускаемое напряжение для требуемой долговечности изделия; [у] - табличное значение допускаемого напряжения, Па; ф - требуемая долговечность, час; в и m - константы.

Для полиметилметакрилата в = 1,9Ч10-3 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.

Твёрдость органического стекла составляет 180--190 Н/ммІ. 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),

пластичность,

упругость.

Твердость полимерного материала существенно зависит от температуры испытаний.

Зависимость твердости полиамида от температуры испытаний

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.

Теплоемкость полиметилметакрилата

Под теплоемкостью полимеров понимают количество тепла, необходимое для нагревания его на 1 єК. В физике полимеров различают удельную и мольную теплоемкости. При этом удельная теплоемкость - это количество тепла, необходимое для нагревания на 1 єК 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.

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).

Теплопроводность полиметилметакрилата

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 л, равному количеству тепла Q, протекающего в единицу времени через единицу площади (S) поверхности, перпендикулярной к направлению потока тепла при перепаде температур на 1є К на единицу длины в этом направлении, т. е.

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

полимер твердость теплопроводность полиметилметакрилат

Температуропроводность полиметилметакрилата

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

где Ср и Сv - соответственно удельная (Дж/кг·К) и объемная (Дж/м3ЧК) теплоемкости, с - плотность полимера, кг/м3.

На величину температуропроводности полимеров оказывают влияние нижеследующие свойства:

молекулярная масса полимера;

конфигурация и химическое строение звена полимера;

наличие низкомолекулярных наполнителей.

Теплостойкость полиметилметакрилата

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 ч 80 єС.

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 полиметилметакрилат

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 -60єС [2].

Электрические свойства полимеров

Поведение полимерных материалов в электрическом поле оценивается следующими свойствами:

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 (г) куба размером 1Ч1Ч1 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;

температура;

полярность полимера;

состав полимерной композиции [3].

Заключение

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. При нагревании выше 105-110°С полиметилметакрилат размягчается, переходит в высокоэластическое состояние и легко формуется. Хорошо совмещается с большинством пластификаторов. ПММА является нетоксичным материалом, при хранении при нормальной температуре никаких вредных продуктов в концентрациях, опасных для организма человека не выделяет. Не является взрывоопасным продуктом, но легкогорюч. Основной эксплуатационный недостаток полиметилметакрилата - поверхностное растрескивание под действием механического напряжения в присутствии кислорода. На начальных стадиях появляется помутнение («синева») материала. Затем происходит рост трещин вплоть до разрушения изделия. Основными способами борьбы с микрорастрескиванисм («серебрением») являются пластификация и ориентационная вытяжка полиметилметакрилата. При этом улучшаются также его прочностные характеристики [4].

Список литературы

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.

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.

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. - 68-69 с.

Размещено на Allbest.ru