Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Октябрь » 19 » Релаксация полимеров
22:54
Релаксация полимеров

Одним из важнейших свойств полимеров, отличающих от всех других материалов, является наличие высокоэластического состояния. Высокоэластическое состояние – это возможность сравнительно быстрой глубокой упругой деформации материала без его разрушения, ярчайшим примером может служить растяжение резины. После окончания приложения нагрузки происходит возвращение изделия в исходную форму. Этим явлением эластомеры в частности и полимеры в целом, обязаны исключительной роли релаксации.

Релаксация, как известно широкому кругу читателей, это снижение напряжений в системе в результате внутреннего перестроения системы. Обычно, это слово используют для обозначения восстановления моральных и физических сил после тяжелой работы.

Для полимеров под релаксацией понимают перестроение структуры полимерного материала в результате теплового движения составных частей вещества. Здесь начинается первое принципиальное отличие полимеров от других материалов. Если вода состоит из отдельных молекул, связанных только слабыми водородными и поляризационными связями в непрочные ассоциаты. Металл состоит из отдельных ионов, соединенных в кристаллическую решетку. Камень, как и все смешанные соли и оксиды, представлен скоплением разноименных ионов, образующих хрупкую плотную кристаллическую решетку. Но, полимеры образуют множество уровней структурных элементов, причем, прочность связей между ними находится на одном порядке.

Наименьшей частицей, поведение которой влияет на свойства полимерного материала, является атом. Атомы связанны в функциональные группы, наиболее распространенными из которых являются: метильная группа (-CH3), этильная группа (-C2H5), фенильная группа (-C6H5), бензильная группа (-CH2-C6H5), цианогруппа (-CN) и многие другие. Функциональные группы связаны в элементарные звенья, в случае полимеризации это молекулы мономера, в случае поликонденсации, это то, что осталось от мономера.

Элементарные звенья объединяются в сегменты – участки полимерной цепочки, достаточно длинные, что бы суммарная сила связей между двумя параллельно расположенными сегментами приближалась к энергии ковалентной связи между мономерами. Обычно, длина сегмента составляет 10-40 элементарных звеньев. Чем больше полимер склонен к специфическим взаимодействиям между ММ, тем больше длина сегмента. При росте полярности и снижении разветвленности полимерной цепи происходит резкое увеличение жесткости цепи, что приводит к проблемам обеспечения подвижности сегментов. Поэтому, не смотря на вклад специфических взаимодействий, при росте полярности группировок в элементарном звене, повышении жесткости полимерной цепи, происходит увеличение длины сегмента. Подробнее мы поговорим об этом позже.

Сегменты связанны в ММ, длина которых достигает 500-6000 элементарных звеньев. Чем крупнее элемент, тем большей энергией он должен обладать для обеспечения подвижности. Подвижность ММ принимает значительные величины лишь при температуре, близкой к температуре плавления полимера. Подвижность элементарных звеньев и функциональных групп весьма значительна уже при температуре плавления мономера. Таким образом, подвижность функциональных групп начинает ощущаться уже при температуре стеклования полимера. Для большинства полимеров эта температура на 10-30оС выше температуры плавления чистого мономера. Сегментная подвижность значительна при температурах, выше температуры высокоэластического состояния. Подвижность ММ заметна при температурах вязкотекучего состояния, то есть, при температурах выше температуры плавления полимера.

Что это все дает промышленности и технологии?. Основное влияние релаксация оказывает на механические свойства полимера. Чем выше температура образца (детали), тем ниже ее жесткость и выше степень деформации при приложении определенной нагрузки. Если температура низкая, степень релаксации незначительна, то материал становится хрупкий – он не успевает перестраивать свою структуру в достаточной степени, что бы подстроиться под заданную степень деформации и разрушается (трещины).

Некоторое влияние релаксации замечено для всех материалов. Например, оконное стекло слегка деформируется под действием собственного веса, этот процесс ускоряет нагрев солнечными лучами. Так как, стекло – очень полярный материал, то подвижность его составных элементов при комнатных температурах незначительна и он течет очень медленно (изменение формы заметно только с годами). Струя воды, при прохождении через нее пули, на какое-то мгновение образует острые осколки, аналогичные льду, это молекулярная структура не успевает перестроится при быстрой глубокой деформации. Сталь при быстром сгибании лопается значительно чаще и быстрее, чем при медленной деформации.

Для полимеров влияние конфармационных переходов при релаксации вносит значительно больший вклад, чем для других материалов. А, плавность включения в релаксацию более крупных молекулярных структур при повышении температуры, приводит к широким температурным интервалам высокоэластичного и вязкотекучего состояний. В случае нагруженных, в том числе, внутренними напряжениями, изделий, быстрая релаксация приводит к снятию этих напряжений за счет изменения относительного положения ММ полимера. Что может приводить к разрушению изделия, пример: разрыв в течение нескольких часов или даже дней, резинового жгутика, к которому подвешен груз. При небольших нагрузках в полимере, релаксация может приводить только к изменению формы изделия. Классический пример, если Вы поместите пустую полиэтиленовую бутылку в горячую воду, то она вернется в исходную форму, какой была до вакуумного формования.

Если изделие должно работать при достаточно высокой температуре, то, во избежание релаксационных искажений формы изделия, его подвергают выдержке в форме при температуре, близкой к рабочей. Перестроение структуры полимерной матрицы произойдет в форме и внутреннее напряжение материала уйдет. Это можно назвать закалкой равновесия, или снятием внутренних напряжений. Аналогичному процессу подвергают сталь после глубокой деформации, но, там этот процесс именуют – отжиг.

Категория: Полимерные материалы | Просмотров: 3484 | Добавил: Chemadm | Теги: релаксация, свойства полимеров, эластомеры | Рейтинг: 4.7/25
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]