Стандартні показники механічних і деформаційних властивостей полімерів

Для порівняльної оцінки різних полімерних матеріалів розроблена система стандартних показників механічних і деформаційних властивостей полімерів, а саме:

- міцність на розрив і розтяг, згин, роздирання (в МПа);

- відносне видовження при розриві (в %);

- модуль пружності (МПа);

- ударна міцність (робота) (Н · м) або ударна в’язкість (Дж/м² або Н/м);

- твердість (МПа).

Міцність на розрив – це максимальне напруження при розтягу, яке витримує матеріал без руйнування: σ_р = Р/S,

де Р – максимальна сила розтягу, яку витримує полімер до його руйнування.

Міцність при розтягу характеризують:

- руйнуючим напруженням (або межею міцності) σ_р (в МПа) – відношення зусилля, при якому зразок руйнується, до його початкової площі поперечного перерізу: σ_р = Р/S.

- межею течіння σ_т – напруження розтягу, при якому починається незворотня (пластична) деформація зразка полімеру.

Ці показники визначають шляхом розриву зразків полімеру розміром (10-25) × 150 мм на розривних машинах і побудовою діаграми „напруження- деформація”.

Вид діаграми ε = ƒ(σ) визначається, головним чином, фазовим і фізичним станом полімеру.

Лінійні аморфні полімери в залежності від температури можуть знаходитися в трьох фізичних станах: склоподібному, високоеластичному і в’язкотекучому. Типові діаграми ε = ƒ(σ) для полімерів наведені на рис. 4.

Рис. 4. Криві розтягу аморфних полімерів:

1 – жорсткі крихкі полімери при температурі нижче температури крихкості; 2 – жорсткі пластичні полімери в інтервалі від температури крихкості до температури склування; 3 – еластичні полімери у високоеластичному стані

Початкова ділянка залежності ε = ƒ(σ) для любого полімеру є прямою лінією, що відповідає пружній деформації, яка формально підпорядковується закону Гука:

σ = Е · ε,

де σ – питоме навантаження на зразок; ε – відносна деформація;

Е – модуль пружності.

Модуль пружності характеризує стійкість матеріалу до деформації під дією зовнішнього навантаження, тобто є показником жорсткості матеріалу. Модуль пружності визначають за формулою Е = σ/ε або за кутом нахилу кривої до осі деформації (чим більший кут, тим більша жорсткість полімеру та доля зворотної еластичної деформації).

Пружна деформація невелика за величиною і повністю зворотня. Вона обумовлена зміною віддалей між атомами речовини. При цьому робота зовнішніх сил витрачається на долання внутрішніх сил взаємодії, тобто пружна деформація полімерів носить енергетичний характер.

Нижче температури крихкості Т_кр склоподібного полімеру, коли гнучкість ланцюга дуже низька, полімер здатний розвивати лише пружну деформацію, як і низькомолекулярні тверді тіла (рис. 4, крива 1). Подальше деформування зразка полімеру, що знаходиться в такому стані, приводить до його руйнування.

У склоподібному стані для полімерів характерні лише малі деформації при невеликих напруженнях. Однак на відміну від низькомолекулярних речовин полімери, що знаходяться в склоподібному стані, під дією великих зусиль здатні розвивати при певних умовах значні деформації (до кількох сотен процентів). Здатність полімерів у склоподібному стані розвивати великі деформації називають вимушеною еластичністю, а деформацію – вимушено-еластичною. Ця деформація розвивається у температурному інтервалі між Т_кр і температурою склування полімеру Т_с.

Типова залежність ε = ƒ(σ)для склоподібного полімеру при температурі вище Т_кр наведена на рис. 4 (крива 2). У початковий момент розвитку вимушено-еластичної деформації в зразку утворюється ділянка зі значним зменшенням поперечного перерізу – „шийка”, яка у міру розвитку деформації збільшується в розмірах. Утворенню „шийки” на кривій ε =ƒ (σ) відповідає ділянка а–b–c. Напруження, при якому починає розвиватися вимушено-еластична деформація, віднесене до одиниці площі поперечного перерізу зразка називають межею течіння σ_т. Вимушена еластичність обумовлена зміною конформації макромолекул. Під дією зовнішнього навантаження макромолекули розгортаються і величина деформації зростає. У даному випадку проявляється кінетична гнучкість ланцюга і тому вимушено-еластична деформація має кінетичний характер. Для випрямлення макромолекулярного ланцюга необхідні великі напруження. Після припинення дії навантаження при температурі, нижчій за Т_с, вимушено-еластична деформація не зникає, а при температурах вище Т_с, коли полімер переходить у високоеластичний стан, зразок повністю відновлює свої розміри і тому така деформація носить зворотній характер. Вимушено-еластичній деформації на кривій ε = ƒ(σ)відповідає гори-зонтальна ділянка с–d, що характеризується великою деформацією при постійно прикладеному навантаженні.

У високоеластичному стані полімер розвиває дуже великі зворотні деформації під дією невеликого навантаження. Полімери, які при кімнатній температурі знаходяться у високоеластичному стані, називаються еластомерами. Суть високоеластичності полягає в розпрямленні згорнутих гнучких ланцюгів під впливом прикладеного навантаження і поверненні ланцюгів до попередньої форми після зняття навантаження. Високоеластичність, як і вимушена еластичність, має кінетичний характер і обумовлена рухливістю макромолекул, яка у високоеластичному стані незрівнянно вища, ніж в склоподібному. Таким чином, у високоеластичному стані великі деформації розвиваються при малих навантаженнях, а в склоподібному – при значно більших навантаженнях. Після зняття навантаження зусилля, яке виникає внаслідок прагнення макромолекул прийняти рівноважний згорнутий стан, повертає еластомер у вихідний стан, а склоподібний полімер залишається в деформованому стані. Типова крива ε = ƒ(σ) для еластомерів наведена на рис. 4 (крива 3).

Відносне видовження при розриві ε_р визначають одночасно з з визначенням межі міцності при розтягу і розраховують за формулою:

ε_р = 100 (∆l/l).

Ударная вязкость * - механическая характеристика, оценивающая работу разрушения надрезанного образца при ударном изгибе на маятниковом копре (см. рис.1,2). В Международной системе единиц (СИ) ударная вязкость выражается в Дж/м² (отношение работы к площади поперечного сечения в месте надреза). Хотя ударная вязкость условная характеристика, сильно зависящая от размеров образца, формы и состояния поверхности надреза, и не может быть введена в расчеты на прочность, её практическое значение очень велико. По температурной зависимости ударной вязкости оценивают склонность материала к хрупкому разрушению.

Ударна в’язкість – здатність матеріалупоглинати механічну енергію в процесі деформування і руйнування зразка під дією ударної сили.

Характеризує здатність матеріалу до швидкості поглинання енергії та ступеня його деформування, а також ступінь його крихкості.

Ударна в’язкість полімеру залежить:

- від структури полімеру - чим більша жорсткість структури, тим менша ударна в’язкість;

- від температури полімеру – чим вища температура, тим більша ударна в’язкість і менша крихкість полімеру.

Для кожного полімеру існує певне порогове значення температури, при якій відбувається перехід від крихкого руйнування до в’язкого.

Рис. Залежність ударної в’язкості полімеру від температури

Ця порогова температура називається порогом холодноламкості (Т_хл).

Ударну в’язкість оцінюють кількістю роботи (в Дж або в Н · м)), затраченої на руйнування зразка ударом як однократно прикладеним зусил-лям, віднесеним до площі його перерізу в точці прикладання сили.

Ударну в’язкість КС (в Дж/м²) розраховують за формулою:

КС = А/S = Р (Н – h)/S,

де А – робота удару, Дж;

Р – маса копра, кгс;

Н – висота копра до удару, м;

h – висота копра після удару, м;

S – площа поперечного перерізу зразка, м².

Визначають на приладі – маятниковому копрі. За шкалою приладу визначають роботу удару А (в Дж) А = Р (Н – h).

Рис. Маятниковий копер для випробування матеріалов на ударну в’язкість: 1 - маятник; 2 - зразок; 3 - стрілка; 4 – шкала

Способи визначення КС:

1) за Шарпі – ударний згин зразка, який лежить горизонтально і вільно на 2-х опорах, ударом молота по середині;

2) за Дінстатом – удар молотом по зразку розміром 10х15 мм і товщиною 1,5...4,5 мм вздовж лінії її закріплення в затискачі;

3) за Ізодом – ударний згин консольно закріпленого зразка з надрізом.

Існуючі методи дослідження ударної в’язкості відрізняються:

- наявністю або відсутністю надрізу в точці прикладання сили;

- способом закріплення зразка на випробовуваному стенді;

- способом прикладання сили – падаючий маятник, молот, гиря тощо.

При проведенні досліджень з надрізом на поверхні зразка прокладають канавку (на зворотній стороні повідношенню до сторони удару) на всю ширину або довжину зразка, глибиною ½ товщини зразка.

Ударна в’язкість без надрізу може бути більша на порядок від ударної в’язкості з надрізом.

Міцність на згин оцінюють:

- максимальним напруженням (в МПа), яке викликає деформацію зразка певного розміру на задану величину;

- кількістю подвійних перегинів зразка полімеру до руйнування у вигляді видимих оком тріщин або повного руйнування (наприклад, плівка на основі ПЕТФ – більше 10 тис. подвійних перегинів на кут 150^о). Показник залежить від товщини плівки, температури тощо. Чим більша міцність при розтягу, тим більша міцність на згин.

Міцність до роздирання оцінюють на розривних машинах шляхом роздирання зразків з надрізом. Цей показник залежить від природи полімеру, його структури, міцності тощо.

Твердість – це здатність матеріалу чинити опір деформації під дією зовнішньої сили – металічного індентора.

При цьому в матеріалі виникають різні типи деформації – стиску, розтягу, зсуву.

Величина твердості залежить від багатьох факторів:

- форми і розмірів індентора;

- температури і товщини зразка матеріалу;

- тривалості втискання індентора тощо.

Тому визначення твердості необхідно проводити у строго регламентованих умовах, дотримуючись стандартів.

Існуючі способи визначення твердості полімерів:

1) Твердість за Брінелем (НВ) – оцінюють втисканням стальної кульки діаметром 2,5; 5,0; 10,0 мм в матеріал з зусиллям до 50 кгс протягом 60 с.

Твердість визначається відношенням прикладеного зусилля Р (кгс) до площі сферичної поверхні відбитку на зразку полімера і розраховується за формулою:

НВ = Р/ πDh,

де D і h – це діаметр кульки (мм) і діаметр відбитку (мм).

Запис НВ: НВ (2,5/42,5/30), де 2,5 –діаметр кульки, 42,5 – Р в кгс, 30 – час,с.

Приклади твердості за Брюнелем (МПа):

ПС: 140-160; ПК: 150-160; ПВХ: 130-160; ПП: 60-70;

ПЕНГ: 14-25; ПЕВГ: 45-60.

2) твердість за Роквелом – оцінюють втисканням стальної кульки діаметром 12,7 або 6,35 мм при початковому зусиллі 10 кгс, а далі основному – 60 кгс. Твердість визначають за формулою:

НR =150 – n,

де n – число поділок шкали приладу, яка показує глибину втискання кульки (ціна поділки 0,002 мм).

3) за Шором А – втискання індентора у вигляді затупленої голки діаметром 1,25 мм, яка має форму усіченого конуса, під дією стандартної пружини.

Прилад – „2033ТИР” (Р= 0,55сН).

Твердість оцінюють по умовній шкалі приладу (90 поділок), яка показує глибину втискання індентора в матеріал через 30 с.

4) за приладом ТШР-2 - оцінюють втисканням стальної кульки діаметром 5 мм при 10 Н протягм 30 с – для матеріалів твердістю 0,32...62,69 МПа та глибині втискання кульки від 0,01 до 2,00 мм.

Поиск по сайту: