Механические свойства и структура полимеров

Механические свойства полимеров - это комплекс свойств, опреде­ляющих механическое поведение полимеров при действии на них внешних сил. Для полимеров характерны:

1. Способность развивать под действием внешних механических сил значи­тельные обратимые деформации.

2. Релаксационный характер реакции полимерного тела на механическое воздействие, т.е. зависимость деформации и напряжений от длительности воздействия.

3. Зависимость механических свойств от условий его получения, способа его переработки и предварительной обработки. Это связано с существованием в полимерных телах различных форм надмолекулярной структуры.

4. Способность под действием анизотропного механического воздействия приобретать резкую анизотропию механических свойств и сохранять ее способность претерпевать под действием механических сил химические превращения.

Упругость (эластичность) - способность тела восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешних сил. При действии внешних сил различают деформацию растяжения/сжатия и деформацию сдвига (скола). Соответственно различают нормальное s_н и тангенциальное s_т, напряжения, которые вызывают такого вида деформации. Основным законом деформации идеально упругого тела является закон Гука, согласно которому относительная деформация тела e прямо пропорциональ­на величине приложенного напряжения. Например, при одноосном растя­жении линейного упругого тела связь между относительным удлинением e=(l-l_o)/l=Dl/l:

e - деформация растяжения тела;

l - длина образца после деформирования;

l_o - длина исходного образца и напряжением s (Мн/м²) задается выражением:

s_н = е*e,

где е - модуль упругости.

Модуль упругости (модуль Юнга) есть мера жесткости материала, ха­рактеризующая сопротивление развитию упругих (обратимых) деформаций и равная отношению напряжения к обратимой деформации e, отвечающей это­му напряжению.

Е = s/e

В зависимости от вида напряженного состояния различают модуль уп­ругости растяжения, сжатия и др. Тела, имеющие аморфное и кристалличе­ское строение, проявляют очень сильное сопротивление деформированию. Упругая деформация твердых тел развивается почти мгновенно вслед за при­ложением внешней силы и имеет незначительную величину.

Кроме обратимой (упругой) деформации существует необратимая де­формация течения. Течение - это необратимое перемещение молекул веще­ства относительно друг друга под влиянием приложенного извне усилия; при этом в веществе возникает сила внутреннего трения, противодействующая
перемещению молекул. Течение наблюдается для газов, для жидкостей и для
твердых тел.

Высокоэластичная деформация (рековери) характеризует степень восстановления формы и размера после снятия нагрузки. В отличие от упругих тел, у которых состояние равновесия при наложении или снятии внешнего воздействия достигается быстро (почти мгновенно у кристаллических, с некоторым опозданием у пластически тел), у эластичных тел состояние равновесия может наступить со значительным опозданием. Процесс запаздывающего перехода структурных частиц тела в новое состояние равновесия, соответствующее деформирующему усилию, называется релаксацией, а длительность этого процесса - временем релак­сации. Процессы, в которых равновесие устанавливается во времени, назы­ваются релаксационными. К ним относят выравнивание концентрации не­равномерно распределенного в растворе вещества в результате диффузии, ориентация молекул диэлектрика во внешнем электрическом поле или обрат­ный переход ориентированных диполей к хаотичному распределению после удаления внешнего электрического поля. Явление релаксации характерно для полимеров, следовательно, для высокомолекулярных соединений зависи­мость между нагрузкой и деформацией включает еще фактор времени. Вели­чина релаксации зависит от свойств макромолекулы, скорости приложения нагрузки и температуры.

Пластичность - свойство твердых тел развивать необратимые (истинно остаточные) деформации. Пластичность Р определяется безразмерной величиной, равной произведению P=MN, где М - мягкость, N – упругое после­действие.

Жесткость и мягкость – качественные характеристики деформируемости твердых тел. К жестким относят полимерные материалы, имеющие модуль упругости выше 10³ МН/м², а к мягким – менее 10² МН/м².

Прочность – свойство твердого тела сохранять целостность при действии нагрузок.

Для поликристаллических тел установлено два вида разрушения - хрупкое и пластичное. Хрупким разрушением называется разрушение, ко­торому предшествуют только обратимые упругие деформации. Пластическим разрушением называется разрушение, которому предшествуют де­формации, обусловленные перегруппировкой отдельных элементов структу­ры тела. В кристаллических телах эти деформации необратимы и являются деформациями пластического течения.

Механические свойства полиметакриловых базисных материалов оп­ределяются природой и размером углеродного радикала в мономере. С увеличением длины радикала от С₁ до С₁₂ (т.е. от метилметакрилата до децилметакрилата) уменьшается прочность, плотность и твердость, возрастает эластичность, что связано с пластифицирующим действием н-алкильных групп R. Полимерные радикалы с разветвленными радикалами R характери­зуются более высокой прочностью, чем полимеры с нормальными углеродными цепями (таблица 1).

Таблица 1