Химия и физика полимеров - Тугов И.И.
ISBN 5—7245—0243—7
Скачать (прямая ссылка):
Влияние структуры полимера и условий испытаний на прочность. При эксплуатации полимерных изделий их разрушение происходит в самых разнообразных условиях: при растяжении, сжатии, изгибе, срезе, в результате проколов, надрезов, истирания и т. д. Поэтому прочностные свойства характеризуют обычно несколькими показателями, определяемыми при разных условиях деформирования. Поскольку прочность зависит от скорости и температуры испытания, прочностные показатели определяют при постоянных скорости деформирования и температуре. Кратковременную прочность оценивают по разрушающему напряжению при растяжении, сжатии, изгибе, срезе в обычных условиях при невысоких скоростях деформирования («0,001—0,5 м/мин). Для некоторых полимеров определяют сопротивление разрушению при ударных воздействиях нагрузки со скоростью 2—4 м/с. Этот показатель называется ударной вязкостью (или ударной прочностью). Он представляет собой отношение работы разрушения Лразр к площади поперечного сечения образца 50.
343
Разрушение полимеров при истирании характеризуют истираемостью а, представляющей собой отношение потерянной за определенное время истирания массы Дт (или объема ДУ) образца к работе, затраченной на истирание Л, или показателем, обратным истираемости — сопротивлением истиранию
Прочность образцов, содержащих дефекты в виде надрезов, проколов, принято оценивать сопротивлением раздиру (отношение разрушающей нагрузки к толщине образца) или удельной энергией раздира, представляющей собой работу образования единицы площади поверхности образца.
Длительную прочность, долговечность, усталость в статических условиях определяют как правило, временем до разрушения т, а в динамических условиях — усталостной прочностью о* (т. е. кратковременной прочностью образца при растяжении, сжатии и т. д. после действия на него N циклов напряжения) или числом циклов до разрушения образца.
Кратковременная прочность определяется преимущественно механическим фактором, поскольку за время действия силы необратимые изменения структуры полимера вследствие протекания механохимических реакций минимальны. На длительную прочность существенное влияние оказывает и химический фактор.
Влияние структуры на кратковременную прочность определяется физическим н фазовым состоянием полимера. При Т< <ГХр полимеры разрушаются но хрупкому механизму и прочность оценивается разрушающим напряжением оХр- Хрупкое разрушение сопровождается малыми деформациями, при этом не происходит изменения исходной надмолекулярной структуры и дополнительной ориентации макромолекулы. Поэтому определяющими факторами являются прочность химических связей в полимере и его дефектность. При одинаковой степени дефектности Охр повышается с ростом энергии химических связей в основной цепи полимера. Так, для карбоцепных полимеров (полиизопрена, полихлоропрена, сополимеров бутадиена со стиролом или нитридом акриловой кислоты) оХр находится на одном уровне и составляет примерно 100 МПа. Введение в углеводородную цепь атомов меньшей энергии приводит к снижению оХр. У полисульфидов, содержащих в цепи серные связи, характеризующиеся меньшей, чем углеродные, энергией, Охр снижается до 50—20 МПа.
Особо заметное влияние на оХр оказывает дефектность материала [коэффициент у, в уравнении (5.50) может достигать значений до 10001, поскольку в этом состоянии релаксационные процессы замедлены и диссипация перенапряжений затруднена.
Дефекты структуры, особенно микротрещины, действуют как эффективные концентраторы напряжения: напряжение в верши-
344
не трещины резко возрастает и разрушение наступает при меньших значениях .прикладываемого напряжения.
Возможность образования микротрещин в полимерах связана с наличием в них значительного свободного объема (см. гл.4). Микротрещины возникают, как правило, на границах надмолекулярных образований и в дефектных участках самих структур. Поэтому чем меньше размеры надмолекулярных структур в аморфных и кристаллических полимерах, чем выше плотность упаковки макромолекул в надмолекулярных структурах и самих структур, тем в меньшей мере снижается прочность по сравнению с предельно достигаемой. Кристаллические полимеры характеризуются большой плотностью упаковки по сравнению с аморфными, и для них оХр, как правило, выше и существенно зависит от степени кристалличности и морфологии кристаллов. Ниже приведены значения охр некоторых полимеров в аморфном (А) и кристаллическом (К) состояниях:
Структура <Ур. .МПа
Полиакрилат К, глобулярная 64
К, фибриллярная 74
Полихлоропрен А 31
К, сферолитная, /Со™ 15%
/)*<! 34
0=1—3 25
^=40—60 18
К, сферолитная, /(<>«= 21% 48
К, фибриллярная 217
Полиэтилеитерефталат А 130
К 124
• О — диаметр сферолнта, мкм.
Из приведенных данных следует, что оХр увеличивается с ростом степени кристалличности за счет повышения плотности упаковки и упорядоченности системы. Однако наличие границы, раздела кристалл—аморфная часть создает на границе раздела перенапряжения, которые тем больше, чем больше размер кристаллов, поэтому оХр снижается с увеличением размеров кристаллов. В некоторых случаях перенапряжения могут быть определяющим фактором и охр кристаллических полимеров остается на уровне прочности аморфных.
