Особливості властивостей полімерних матеріалів

Особливості будови полімерів дуже впливають на їхні фізико-механічні та хімічні властивості. Унаслідок високої молекулярної маси вони не здатні перехо­дити в газоподібний стан, під час нагрівання утворювати низько в'язкі рідини, а термостабільні навіть не розм'якшуються.

Полімери можуть знаходитися в трьох фізичних станах: склоподібномуу, високоеластичному та в 'язкотекучому.

Склоподібний стан виникає під час переходу аморфного полімеру з рідкого (високов'язкого) у твердий стан без утворення упорядкованої (кристалічної) фази. При цьому коливаються лише атоми, що входять до складу молекулярного лан­цюга; руху ланок, сегментів і самої макромолекули не відбувається. Високоеластичний стан характеризується здатністю матеріалу до великих оборотних змін форми за невеликих навантажень; коливаються ланки, і макромолекула здобуває здатність згинатися.

В'язкотекучій стан нагадує рідкий, але відрізняється від нього великою в'яз­кістю (рухлива вся макромолекула).

У силу великих розмірів і гнучкості макромолекул полімерів, переміщення частин молекули - атомів, ланок, сегментів (груп ланок) і макромолекули в ціло­му, - вимагає дуже різної енергії активації. Тому із підвищенням температури рух­ливість здобувають усе більша кількість атомів макромолекули і, відповідно, по­лімер може переходити з одного фізичного стану в інший.

Різні фізичні стани полімеру виявляються під час зміни його деформації з температурою. Графічна залежність деформації, що розвивається за визначений час за заданої напруги, від температури називаються термомеханічною кривою (наведено на рисунку 8.1).

На кривих є чотири ділянки, що відпові­дають різним фізичним станам полімерів. Се­редні температури перехідних областей нази­ваються температурами переходу. Для ліній­ного аморфного полімеру (крива 1) область І - область пружних деформацій (відносна де­формація 2 / 5%), пов'язана зі зміною відстані між частками речовини, тобто за t < t_с реа­лізується лише тепловий рух атомів.

За напруги практично миттєво відбува­ється пружна оборотна деформація полімеру за рахунок деякого збільшення відстані між атомами та розпрямлення валентних кутів у молекулі. Час релаксації цих процесів дуже малий.

Ріст навантаження, після досягнення межі пружної деформації, призводить до крихкого руйнування тіла. Це має місце, коли температура нижче гхр чи коли напруга зростає з великою швидкістю. Таке поводження полімеру відповідає склоподібному стану матеріалу.

В області II і III (коли t > t_с) невеликі напруги викликають переміщення окремих сегментів і ланок макромолекул і їхню орієнтацію в напрямку діючої си­ли. Під дією напруги крім пружної деформації відбувається випрямлення ділянок-сегментів макромолекул без того, щоб молекула в цілому перемістилася в нове

положення. Усунення деформуючої сили призводить до зворотного скручування
молекул і відновлення розмірів тіла. Це відбувається зі швидкістю, що визнача­ється часом релаксації цього процесу за даних умов. Час релаксації цих процесів
може бути дуже великий. Поводження аморфного полімеру за таких умов відпо­відає високоеластичному стану полімеру. Аморфні полімери можуть багаторазово
піддаватися нагріванню, а потім охолоджуватися.»

Деформація, коли t > t_т(рисунок 8.1), відбувається за умов рухливого стану цілих макромолекул. Під навантаженням макромолекули переміщаються одна відносно іншої. За рахунок цього досягається залишкова деформація, що зали­шиться після усунення діючого навантаження. Поводження полімеру за цих умов відповідає в 'язкотекучому стану.

Температури t_с і t_т є важливими характеристиками лінійних аморфних полі­мерів. Кожному з цих станів відповідає область технічного застосування поліме­рів: виробництво волокон, конструкційних деталей вимагає полімерів в склоподі­бному слані; гумова промисловість - полімерів, які знаходяться у високоеластич­ному стані й у можливо більш широкому інтервалі температур.

Усі процеси переробки полімерів вимагають переходу їх у текучий стан, що досягається або підвищенням температури, або переведенням полімеру в розчин.

Кристалічні полімери нижче температури плавлення - кристалізації t_к - є твердими, але мають різну твердість (рисунок 8.1, крива 2.), унаслідок наявності аморфної частини, яка може знаходитися в різних станах.

За t_к кристалічна частина плавиться і термомеханічна крива майже стрибкоподібно досягає ділянки кривої І, що відповідає високоеластичній деформації аморфних полімерів.

Рідкосітчасті полімери (типу гум) мають термомеханічну криву типу 3. Вуз­ли сітки перешкоджають відносному переміщенню полімерних ланцюгів. У зв'яз­ку з цим під час підвищення температури в'язкої течії не наступає, розширюється високоеластична область і її верхню межу становить температура хімічного роз­паду полімеру (t_x).