- •Физика полимеров
- •Введение
- •1. Структура полимеров
- •1.1. Структура макромолекул полимеров.
- •1.2. Топологические особенности структуры полимеров.
- •1.3. Надмолекулярная структура полимеров.
- •Надмолекулярная структура аморфных полимеров
- •Надмолекулярная структура кристаллических полимеров
- •2.Физические свойства полимеров.
- •2.1 Тепловое движение молекул.
- •2.2 Гибкость полимерных молекул
- •2.3 Межмолекулярное взаимодействие
- •2.4 Молекулярная подвижность в полимерах.
- •3. Физические и фазовые состояния полимеров
- •3.1 Высокоэластическое состояние аморфных полимеров
- •Статистическое рассмотрение высокоэластической деформации линейных полимеров.
- •3.2 Релаксационные свойства аморфных полимеров в высокоэластическом состоянии
- •3.3 Вязкотекучее состояние аморфных полимеров
- •Стеклообразное состояние аморфных полимеров
- •3.5 Кристаллизация полимеров
- •4. Механические свойства полимеров.
- •4.1. Деформационные свойства полимеров.
- •4.2. Ударная прочность полимеров.
- •4.3. Долговечность. Усталостная прочность полимеров.
- •5. Реология полимеров
- •5.1. Типы реологического поведения полимеров и их растворов
- •Приборы для получения кривых течения
- •5.2 Закон течения полимеров
- •5.3 Механизм течения полимеров
- •5.4 Зависимость вязкости от температуры, полярности макромолекул и молекулярной массы
- •Влияние эластичности на течение полимеров
- •6. Химические превращения полимеров
- •6.1 Старение полимеров
- •6.2 Деструкция полимеров
- •7. Контрольные вопросы
- •8. Литература
4.2. Ударная прочность полимеров.
Разнообразные способы механического воздействия, приводящие к разрушению полимерного материала, можно отнести к трем типичным случаям:
- ударные воздействия,
- длительные воздействия при постоянной нагрузке,
- периодические воздействия.
Ударное воздействие означает деформирование тела с большой скоростью. Если эта скорость превышает скорость распространения упругой деформации (скорость звука), то образец разрушается в месте приложения нагрузки, если не превышает, то образец разрушается по всему объему по механизму хрупкого разрушения. Пластическая деформация до разрушения Образца не успевает развиться в сколько-нибудь значительной степени.
Сопротивление полимеров ударным нагрузкам характеризуется так называемой ударной вязкостью, величина которой, выражаемая в Дж/м2, численно равна работе разрушения ΔА, отнесенной к единице площади поперечного сечения образца S:
(33)
где а - ударная вязкость; S = b • h (b - ширина, h - толщина образца). Поскольку работа разрушения выражается интегралом напряжений по деформациям, то
(34)
где σр, εр - предельные напряжение и деформация образца при его разрушении, 0,5 < с < 1 - постоянная. Ударная вязкость определяется как прочностными (σр), так и деформационными (εр) характеристиками материала.
Ударную вязкость полимеров наиболее часто определяют, используя для разрушения образца кинетическую энергию маятника (рис. 32). Из схемы, приведенной на рис. 32, видно, что в исходном положении маятник массой M, плечом l0 обладает запасом потенциальной энергии, равной:
(35)
После разрушения образца и подъема маятника на угол Θ, энергия равна
(36)
следовательно, энергия, затраченная на разрушение, составляет:
(37)
Если сравнить ударную прочность различных полимеров с их структурой и свойствами, то можно сделать два вывода.
1. Полимеры с высокой ударной вязкостью имеют большие механические потери при низких температурах. К таким полимерам относятся полиэтилен, полиметиленоксид, поликарбонат, политетрафторэтилен, полибутадиен. Как было показано ранее, механические потери обусловлены релаксационными явлениями в полимерах, следовательно, отмеченная выше тенденция связана с частичной затратой энергии удара на перемещение сегментов макромолекул и ее рассеиванием в виде энергии в форме теплоты, выделяющейся при трении сегментов.
|
Рис.32 Схема разработки маятникового копра при изменении ударной прочности; l0, M – длина и масса маятника, m – образец. |
Смесевые композиции широко используются на практике, наиболее известным из них является ударопрочный полистирол и ударопрочный АБС - пластик. В первом случае в жесткой матрице полистирола распределены частицы каучука размером несколько микрон, во втором - жесткой матрицей является сополимер стирола с акрилонитрилом, эластичной фазой - диеновый каучук, к которому привиты цепи сополимера акрилонитрил - стирол.
Основными причинами повышенной ударной вязкости смесевых композиций являются деформация частиц эластомера и образование вокруг них трещин серебра во время удара. На то и другое расходуется значительная часть энергии удара, что предотвращает разрушение образца.