Прочности полимеров

При Т > Тс изменение адгезионной прочности полимерных покрытий при воздействии диффундирующей среды можно описать уравнением

Механизм тгзнашивания полимерных материалов имеет свои особенности, определяемые их строением и свойствами. Объемная и поверхностная прочности полимерных материалов характеризуются их структурно-чувствительными свойствами и резко изменяются в зависимости от состояния материала, вида и параметров внешнего воздействия, температуры и условий окружающей среды. Полимеры имеют более сложное структурное строение, чем металлы. В полимерах, как правило, одновременно присутствуют аморфная и кристаллическая фазы: надмолекулярная структура характеризуется большим разнообразием молекулярных образований (цепи, глобули, фибриллы и т.д.).

Примером может служить зависимость, характеризующая изменение прочности полимерных пленочных материалов во времени под действием жидких' сред, например воды (рис. 27, в). Как показали опыты [75], у целофана, полистирола, ПЭТФ и др. пленок в начальный период воздействия их прочность возрастает, а затем уменьшается, оставаясь все же выше исходной.

Рис. 2.20. Зависимость прочности полимерных пленок от их толщины h •

Лит.: Ж у р к о в С. Н., Нарзуллаев Б. Н., Временная зависимость прочности твердых тел, «Ж. техн. физики», 1953, т. 23, № 10, с. 1677; Ж у р к о в С. Н., А б а с о в С. А., Температурная и временная зависимость прочности полимерных волокон, «ВС», 1961, т. 3, № 3, с. 441; их же, Роль химических межмолекулярных связей при разрыве полимеров, там же, с. 450; К а р г и н В. А., СоголоваТ. И., Исследование механических свойств кристаллических полимеров, «Ж. физ. химии», 1953, т„ 27, № 7—9; К а р г и н В. А., Слонимский Г. Л., Краткие очерки по физико-химии полимеров, М., 1960; Бартенев Г. М., Прочность и механизм разрыва полимеров, «УХ», 1955, т. 24, № 7, с. 815; А л ф р е и Т., Механические свойства высокополимеров, пер. с англ., М., 1952.

Так, в области исследования прочности полимерных материалов в Институте машиноведения были разработаны методы комплексных испытаний деталей из стеклопластмасс на прочность в условиях, близких к эксплуатационным. В результате на специальной установке осуществлен выбор материала и оценена деформативность и выносливость шаров для подшипников качения; статистическая интерпретация результатов позволила получить расчетную оценку долговечности шаров в связи с рядом конструктивных и технологических факторов. Для сравнительной оценки прочности стеклопластмасс

Между скоростью образования свободных радикалов в нагруженном полимере и временной зависимостью прочности т = Лехр(—ост) существует корреляция (в диапазоне температур от —50 до 50° С), подтверждающая, что разрушение полимеров является следствием процесса, управляемого некоторым энергетическим барьером, величина которого зависит от напряжения; установленное численное равенство коэффициентов аир означает, что энергия активации для временной зависимости прочности полимерных материалов равна или очень близка к энергии активации образования радикалов (разрушения химических связей).

В отношении условий длительной прочности полимерных материалов можно повторить все, что было сказано для длительной прочности при высокотемпературной ползучести металлов в п. 4.1. Для гарантии достаточно малой вероятности длительного разрушения при П < 1 в формулу (4.16) нужно вносить вместо параметров С а А кривой статической усталости, отвечающей 50 %-ной вероятности разрушения, параметры кривой, соответствующей малой вероятности. Кроме того, учитываются, как уже говорилось в п. 4.1, возможные отклонения расчетных напряжений от их средних значений.

Методика определения прочности полимерных материалов при сжатии регламентируется нормалями PN/C-89031. Это свойство является особо важным для пено- и поропластов.

Причиной снижения прочности полимерных материалов под действием длительной нагрузки является ползучесть (хладотеку-честь).

Скорость ремня ограничена его инерцией при движении по шкиву, которая уменьшает силы трения между ремнем и шкивом. Благодаря большой прочности полимерных материалов, ремни, изготовленные из них, могут быть более легкими, чем ремни, передающие такую же мощность, но изготовленные из других материалов, благодаря этому допустимые скорости движения ремней из полимерных материалов также выше, чем допустимые скорости для других ремней (см. табл. XIII. 3).

С.Н.Дурновнм разработана флуктуационная теория прочности полимеров, согласно которой разрыв полимерного материала под действием внешних сил является процессом, зависящим от времени. Скорость его определяется соотношением энергии мехыолекулярных связей в тепловых флуктуации. (Флуктуацией навивают отклонение от равномерного распределения молекул вещества).

Рассмотрим кратко механизм объемной прочности полимеров. Разрушению в полимерах предшествует значительная вязкотекучая деформация в окрестностях трещины, сопровождающаяся рассеянием энергии упругой деформации. Сложность оценки прочности полимеров состоит в том, что они могут находиться в нескольких физических состояниях, которые существенно отличаются по механическим свойствам и механизмам разрушения. Наличие в полимерах двух резко различающихся типов взаимодействия между атомами: больших химических сил (связей), действующих вдоль цепных макромолекул, и малых сил (слабых связей) межмолекулярного взаимодействия - определяет возникновение неоднородности распределения механических напряжений в изотропных полимерах.

где А — постоянная, зависящая от вида материала; t/o - энергия активации разрушения при отсутствии напряжения; a - напряжение; у- структурно-чувствительный коэффициент; k - постоянная Больцма-на. Экспериментальные исследования большого числа полимеров, посвященные изучению температурно-временной зависимости прочности полимеров, показывают, что параметр (70 в уравнении Журкова не зависит от изменения молекулярной массы (длины макромолекул), ориентации макромолекул (технологии получения и вытяжки) и пластификации (введения пластификатора). Вместе с тем параметр у заметно изменяется во всех этих случаях. Согласно этим данным энергия активации разрушения нечувствительна к изменениям структуры и может характеризовать свойства полимерного материала в качестве

Таким образом, при установившемся режиме трения удельная энтропия (плотность энтропии) S* композиционного материала активного объема в критическом состоянии предразрушения остается неизменной во времени и определяется теплофизическими свойствами компонентов (ингредиентов) материала и установившейся температурой в зоне трения. Это значение удельной энтропии 5* в момент, предшествующий разрушению (износу) материала, предлагается принять в качестве критерия износостойкости. Ранее в работе Гольденбла-та И.И., Бажанова В.Л., Копнова В.А. [68] был предложен энтропийный критерий длительной прочности полимеров, сущность которого заключается в утверждении существования некоторого предельного значения энтропии, накапливаемого в единице объема упруговязкого деформируемого материала в момент, предшествующий разрушению. Это предельное значение энтропии, по мнению авторов [68], может быть или константой материала, или зависеть от температуры и напряженного состояния в момент, предшествующий разрушению.

Общепринятой является тепловая флуктуационная теория прочности полимеров, основой которой является временная зависимость прочности, присущая всем материалам.

Общепринятой является теория тепловой флуктуационной прочности полимеров, основой которой является временная зависимость прочности, присущая всем материалам. Для описания временной зависимости прочности фрикционных пластмасс при нормальной температуре и постоянном растягивающем напряжении может быть использована известная формула С. Н. Жур-кова

Механизм высокоэластичной деформации [22]. Высокоэластичное состояние является промежуточным физическим состоянием между жидким (текучим) и стеклообразным, поэтому в комплексе механических свойств эластомера можно обнаружить элементы свойств жидкого и стеклообразного тела. В простой жидкости молекулы легко перемещаются тепловым движением. Внешнее силовое поле дает преимущество перемещению в направлении поля, что приводит к возникновению макроскопически наблюдаемого течения жидкости. Развитие высокоэластичной деформации можно рассматривать как течение звеньев или групп звеньев макромолекулы под влиянием внешних сил. С этой точки зрения полимеры (и, в частности, эластомеры) близки к жидкостям. Однако, поскольку все звенья в цепи связаны, а цепи сшиты в пространственную сетчатую структуру, то их течение ограничено связями и не является необратимым. Это соответствует твердому состоянию тела. Таким образом, при высокоэластичном состоянии возможность свободного перемещения имеют только участки цепных макромолекул при отсутствии заметных перемещений макромолекулы в целом. Тепловые движения приводят к многочисленным-конформациям этих участков, при которых расстояние между узлами цепей пространственной сетки намного меньше контурной длины участков цепи. Под действием внешней силы цепи изменяют свои конформаций, причем проекции участков в направлении деформации удлиняются (или сокращаются). Деформация развивается путем последовательного перемещения сегментов этих участков из одного положения в другое, т. е. протекает во времени [4, 49]. Этим объясняется отставание высокоэластичной деформации от изменения внешней нагрузки. Процесс перегруппировки сегментов сопровождается преодолением внутреннего трения и, следовательно, рассеянием механической энергии. После прекращения действия внешней силы участки цепи под действием теплового движения вновь вернутся в наиболее вероятное состояние сильно свернутых конформаций. По терминологии термодинамики переход в более вероятное состояние системы связан с возрастанием энтропии. Поэтому эластомеры имеют энтропийный характер деформации: деформация связана с уменьшением энтропии, а возвращение в начальное положение — с увеличением ее. На основе законов термодинамики разработана статистическая (кинетическая) теория деформации и прочности полимеров, устанавливающая связь механических характеристик с температу-

Важно помнить, что не всегда наполнитель вводится для увеличения прочности полимеров. Прочность просто легко определяется и поэтому ею чаще всего пользуются для характеристики эффекта наполнения, хотя это не всегда правильно. Часто более важными показателями являются модуль упругости/ предел текучести, деформация при разрушении и другие. При выборе наполнителя для композиционных материалов, используемых в строительстве, необходимо учитывать его стойкость к длительному воздействию света, химических реагентов, тепла, а также его воздействие на человека.

Рассмотрим кратко механизм объемной прочности полимеров. Разрушению в полимерах предшествует значительная вязкотекучая деформация в окрестностях трещины, сопровождающаяся рассеянием энергии упругой деформации. Сложность оценки прочности полимеров состоит в том, что они могут находиться в нескольких физических состояниях, которые существенно отличаются по механическим свойствам и механизмам разрушения. Наличие в полимерах двух резко различающихся типов взаимодействия между атомами: больших химических сил (связей), действующих вдоль цепных макромолекул, и малых сил (слабых связей) межмолекулярного взаимодействия — определяет возникновение неоднородности распределения механических напряжений в изотропных полимерах.

где А — постоянная, зависящая от вида материала; ?/0 — энергия активации разрушения при отсутствии напряжения; а - напряжение; у— структурно-чувствительный коэффициент; k — постоянная Больцма-на. Экспериментальные исследования большого числа полимеров, посвященные изучению температурно-временной зависимости прочности полимеров, показывают, что параметр 6/0 в уравнении Журкова не зависит от изменения молекулярной массы (длины макромолекул), ориентации макромолекул (технологии получения и вытяжки) и пластификации (введения пластификатора). Вместе с тем параметр у заметно изменяется во всех этих случаях. Согласно этим данным энергия активации разрушения нечувствительна к изменениям структуры и может характеризовать свойства полимерного материала в качестве

Таким образом, при установившемся режиме трения удельная энтропия (плотность энтропии) S* композиционного материала активного объема в критическом состоянии предразрушения остается неизменной во времени и определяется теплофизическими свойствами компонентов (ингредиентов) материала и установившейся температурой в зоне трения. Это значение удельной энтропии S* в момент, предшествующий разрушению (износу) материала, предлагается принять в качестве критерия износостойкости. Ранее в работе Гольденбла-та И.И., Бажанова В.Л., Копнова В.А. [68] был предложен энтропийный критерий длительной прочности полимеров, сущность которого заключается в утверждении существования некоторого предельного значения энтропии, накапливаемого в единице объема упруговязкого деформируемого материала в момент, предшествующий разрушению. Это предельное значение энтропии, по мнению авторов [68], может быть или константой материала, или зависеть от температуры и напряженного состояния в момент, предшествующий разрушению.