Упруго-эластические свойства полимерных тел

Высокоэластическое состояние — одно из физических состояний аморфных полимеров, при котором доминирующим видом деформаций являются большие упругие (высокоэластические) деформации. Наиболее отчетливо высокоэластическое состояние проявляется у сшитых каучуков. У линейных аморфных полимеров при повышенных температурах или достаточно длительном времени наблюдения на высокоэластические деформации накладываются необратимые деформации вязкого течения. Деформационные свойства кристаллических полимеров зависят как от высокоэластических свойств аморфных областей, так и от природы деформации кристаллических образований. Каучуки, резины, некоторые каучукоподобные полимеры, а также набухшие жесткоцепные полимеры являются типичными высокоэластическими материалами в различных интервалах температур (от -100 до 200 С).

Интервал температур, в котором полимер может находиться в высокоэластическом состоянии, расположен между его температурой стеклования — Тс — и температурой текучести — Тт. При переходе полимера из стеклообразного состояния в высокоэластическое молекулярная подвижность становится настолько большой, что структура полимера в ближнем порядке успевает перестраиваться вслед за изменением температуры, как это наблюдается в жидкостях. Однако в отличие от молекул низкомолекулярных жидкостей, которые под действием внешних механических сил практически не деформируются, макромолекулы могут изгибаться, что наиболее отчетливо реализуется при температурах выше Тс. Подвижность макромолекул в полимерных цепях, находящихся в высокоэластическом состоянии, может однако, не проявляться при очень высоких частотах или малых временах воздействия. Переходная температурная область, в которой высокоэластическая деформация не успевает полностью развиться, характеризуется так называемой температурой механического стеклования Тм. Тм возрастает с уменьшением длительности действия силы или с увеличением частоты деформации.

Уменьшение межмолекулярного взаимодействия при пластификации, переходе к неполярным полимерам и т. д. приводит к смещению температуры стеклования в сторону низких температур. При введении химических поперечных связей (например, при вулканизации каучуков) резко повышается температура текучести, но практически не изменяется температура стеклования. Уменьшение ММ линейного полимергомолога до определенного полимера не влияет на Тс, но снижает Тт. При достаточно низкой ММ высокоэластические свойства полностью теряются, и вещество переходит при нагревании непосредственно из стеклообразного в вязкотекучее состояние.

Упругая деформация твердых полимеров обусловлена изменением средних межатомных и межмолекулярных расстояний и деформацией валентных углов полимерной цепи, высокоэластическая — ориентацией и перемещением звеньев гибких цепей. В переходной температурной области вблизи Тс деформация обратима только частично. Это означает, что энергия, поглощенная на стадии сжатия в механическом цикле, не выделяется полностью на стадии расширения, это свидетельствует о рассеянии энергии. Эти потери энергии соответствуют работе, совершенной приложенной силой, по преодолению вязкого сопротивления деформации материала. Полимер обладает как бы одновременно внутренней вязкостью и эластичностью. Тела, имеющие комплекс таких свойств, называют высокоэластическими или эластомерами, поскольку они обладают жесткостью и эластичностью твердых тел и вязкостью жидкостей, хотя эта вязкость выражается не в форме течения всей массы вещества, а в форме сопротивления внутренним молекулярным перестройкам, вызванным ограниченной деформацией. Упругость высокоэластического тела сильно изменяется, когда температура приближается к температуре стеклования.

Кривая зависимости упругости эластомера от температуры (рис. 1) имеет минимум при температуре, соответствующей максимальной потере энергии.

Для натурального каучука она составляет около -35 С.

Рис. 1. Зависимость возвратной упругости от температуры

межмолекулярный валентный полимерный деформация Полимеры, эксплуатируемые в высокоэластическом состоянии, называют эластомерами. Первые и простейшие методы измерения эластичности эластомеров при ударе заключались в свободном падении резинового шарика с высоты h и измерении высоты h1 его отскока от твердой поверхности. Эластичность в этом случае характеризуется отношением (h1/h)*100%. Поскольку энергия удара мала, а масса шарика одного и того же диаметра зависит от состава изделия, чувствительность указанных методов очень не велика. Наиболее быстро и точно эластичность эластомеров определяют на маятниковом упругометре.