Реферат: Неметаллические материалы
Неметаллические материалы
1 ОБЩИЕСВЕДЕНИЯ О НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ
Понятиенеметаллические материалы включает большой ассортимент материалов таких, как пластические массы, композиционные материалы, резиновыематериалы, клеи, лакокрасочные покрытия, древесина, а также силикатные стекла, керамика и др.
Неметаллические материалы являются нетолько заменителями металлов, но и применяются как самостоятельные, иногда даженезаменимые материалы. Отдельные материалы обладают высокой механической прочностью, легкостью, термической ихимической стойкостью, высокими электроизоляционнымихарактеристиками, оптической прозрачностью и т. п. Особо следуетотметить технологичность неметаллических материалов.
Применение неметаллических материалов обеспечиваетзначительную экономическую эффективность.
Основой неметаллических материалов являются полимеры,главным образом синтетические. Создателемструктурной теории химического строенияорганических соединений является великий русский химик А. М. Бутлеров. Промышленное производство первыхсинтетических пластмасс (фенопластов)явилось результатом глубоких исследований, проведенных Г. С. Петровым (1907—'1914 гг.). Блестящие исследованияпозволили С. В. Лебедеву впервые вмире осуществить промышленный синтез каучука (<st1:metricconverter ProductID=«1932 г» w:st=«on»>1932 г</st1:metricconverter>.). Н. Н. Семеновым разработана теория цепных реакций(1930—1940 гг.) и распространена намеханизм цепной полимеризации.
Успешное развитие химии и физикиполимеров связано с именами видных ученых: П. П… Кобеко,В. А. Каргина, А. П. Александрова, С. С. Медведева, С. Н. Ушакова, В. В. Коршакаи др. Важный вклад внесен К. А. Андриановым в развитие химиикремнийорганических полимеров, широко применяемых в качестве термостойких материалов.
1.1 ПОНЯТИЕ О НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХИ КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ
Полимерами называют вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленныхэлементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. Молекулярная масса ихсоставляет от 5000 до 1000 000. При таких больших размерах макромолекул свойства веществопределяются не только химическими составами этих молекул, но и их взаимнымрасположениеми строением.
Макромолекулыполимера представляют собой цепочки, состоящие из отдельных звеньев.Поперечное сечение цепи несколько ангстрем, а длина несколько тысячангстрем, поэтому макромолекулам полимера свойственна гибкость (котораяограничена размером сегментов — жестких участков, состоящих изнескольких звеньев). Гибкость макромолекул является одной из отличительныхособенностей полимеров.
Атомы, входящие в основную цепь, связаныпрочной химической (ковалентной) связью.Энергия химических связей (в ккал/моль) составляет вдоль цепи 80 для С — С, 79 для С — О, 66 для С —N. Силы межмолекулярноговзаимодействия, имеющие обычно физическую природу, значительно (в 10 — 50 раз) меньше. Например, прочностьмежмолекулярных связейэлектростатического характера не превышает 9 ккал/моль. Однако вреальных полимерах такие суммарные силы имеют значение вследствие большой протяженности цепевидных макромолекул.Наиболее сильные межмолекулярныевзаимодействия осуществляются посредством водородных связей (только в 4—10 раз слабее ковалентных). Таким образом,молекулы полимеров характеризуются прочными связями в самих макромолекулах иотносительно слабыми между ними. В некоторых полимерах между звеньями,входящими в состав соседних макромолекул, действуют силы химическойсвязи. Такие вещества характеризуются высокими свойствами во всех направлениях.
Макромолекулы полимеров, имея одинаковый химическийсостав, обычно отличаются поразмерам. Это явление, вызывающее рассеяние физико-механических характеристик материала, называется полидисперсностью.
Макромолекулы могутбыть построены из одинаковых по химическому строению мономеров или разнородныхзвеньев. В первом случае соединения называются гомоиолимерами (илиполимерами), во втором — сополимерами. Иногда макромолекула вещества состоитиз чередующихся крупныххимически однородных отрезков (блоков) разного состава (блок-сополимеры).
Можно в процессе синтеза к главноймолекулярной цепи, состоящей из однихмономеров, «привить» отрезки из других мономеров, тогда получают так называемые привитые сополимеры.
Когда основная цепьпостроена из одинаковых атомов, полимер называют гомоцепным, из разныхгетероцепным. Большое значение имеет стереорегулярность полимера, когда все звеньяи заместители расположены впространстве в определенном порядке. Это придает материалу повышенные физико-Механические свойства (посравнению с нерегулярными полимерами).
Полимеры встречаются в природе — натуральный каучук, целлюлоза,слюда, асбест, природный графит. Однако ведущей группой являются синтетические полимеры, получаемые в процессехимического синтеза из низкомолекулярныхсоединений. Возможности создания, новых полимеров и изменениясвойств уже существующих очень велики. Синтезом можно получать полимеры с разнообразными свойствами идаже создавать материалы с заранеезаданными характеристиками.
Классификацияполимеров. Для удобства изучениясвязи состава, структуры сосвойствами полимеров их можно классифицировать по различным признакам (составу,форме макромолекул, фазовому состоянию, полярности, отношению к нагреву). Посоставу все полимеры подразделяют на органические,элементоорганические, неорганические.
Органическиеполимеры составляют наиболее обширную группу соединений. Если основнаямолекулярная цепь таких соединений образована только углеродными атомами, то ониназываются карбоцепными полимерами. Углеродные атомы соединены с атомами-водорода или органическими радикалами.
В гетероцепных полимерах атомы другихэлементов, присутствующие в основной цепи, кроме углерода, существенно изменяютсвойства полимера. Так, в макромолекулах атомы кислорода способствуют повышению гибкости цепи, чтоприводит к увеличению эластичности полимеров (например, для волокон, пленок), атомыфосфора и, хлора повышают огнестойкость,атомы серы придают газонепроницаемость (для герметиков,резин), атомы фтора, даже в виде радикалов,сообщают полимеру высокую химическую стойкостьи т. д.
Некоторые карбоцепные и гетероцепныеполимеры могут иметь сопряженную системусвязей, например:
...сн= сн — сн = сн — сн = сн...
Энергия сопряженной связи 100 — 110ккал/моль выше одинарной,.поэтому такиеполимеры более устойчивы при нагреве.
Органическими полимерами являются смолы икаучуки. Элементоорганические соединения содержат в составе, основной цепинеорганические атомы кремния, титана,алюминия и других элементов, которые сочетаются с органическимирадикалами (метальный, фенильный, этильный).Органические радикалы придают материалу прочность и эластичность, а неорганические атомы сообщают повышеннуютеплостойкость. В природе таких соединений не встречается.Представителями этой группы являются кремнийорганическиесоединения, разработанные советским ученым К… А. Андриановым. Строение этих соединений в основномимеет вид
R R
I I
• — Si—О— Si— •
I I
R R
Между атомами кремния и кислородасуществует прочная химическая связь; энергиясилоксановой связи Si— О равна 89,3 ккал/моль. Отсюда и более высокая теплостойкостькремнийорганических смол, каучуков, хотя их упругость и эластичность меньше, чем уорганических. Полимеры, содержащие в основной цепи титан и кислород, называютсяполититаноксанами.
К неорганическим полимерам относятсясиликатные стекла, керамика, слюда, асбест.В составе- этих соединений углеродного скелета нет. Основу неорганических материалов составляют окислыкремния, алюминия, магния, кальция идр.
В силикатахсуществуют два типа связей: атомы в цепи соединены ковалентными связями (Si — О), а цепи между собой — ионными связями. Свойства этих веществможно изменять в широких пределах, получая, например, из минерального стекла волокна и эластичные пленки.Неорганические полимеры отличаются болеевысокой плотностью, высокой длительнойтеплостойкостью. Однако стекла и керамика хрупкие, плохо переносят динамические нагрузки. К неорганическимполимерам относится также графит,представляющий собой карбоцепной полимер.
В конкретныхтехнических материалах используются как отдельные виды полимеров, так и сочетание различныхгрупп полимеров; такие материалы называюткомпозиционными (например, стеклопластики).
Своеобразие свойствполимеров обусловлено структурой их макромолекул. По форме макромолекулполимеры делятся на линейные (цеповидные), разветвленные, плоские, ленточные (лестничные),пространственные или сетчатые. Линейныемакромолекулы полимера представляют собой длинные зигзагообразные или закрученныев спираль цепочки (рис. 1 а).
Гибкие макромолекулы с высокой прочностьювдоль цепи и слабыми межмолекулярными связями обеспечивают эластичностьматериала, способность его размягчаться принагревании, а при охлаждении вновь затвердевать. Многие такие полимерырастворяются в растворителях. На физико-механическиеи химические свойства линейного полимера влияет плотность упаковки молекул в единице объема. При плотной упаковке возникаетболее сильное межмолекулярное притяжение, что приводит к повышению плотности,прочности, температуры размягчения и уменьшению растворимости.
Рис.1а
<img src="/cache/referats/19416/image002.jpg" v:shapes="_x0000_i1025">
<img src="/cache/referats/19416/image004.jpg" v:shapes="_x0000_i1026"> рис1 г.д
Линейные полимерыявляются наиболее подходящими для полученияволокон и пленок (например, полиэтилен, полиамиды и др.).
Разветвленные макромолекулыполимера, являясь также линейными
отличаются наличием боковых ответвлений. Этиответвления препятствуют сближениюмакромолекул, их плотной упаковке. Подобная форма
макромолекул предопределяет пониженное межмолекулярноё взаимодействие и, следовательно, меньшую прочность иповышенную плавкость
и растворимость (полиизобутилен). Кразветвленным относятся и при
витые полимеры, в которых состав основной цепи и редко расположенных
боковых ответвлений неодинаков.
Пространственные или сетчатые полимеры образуются при соединении («сшивке») макромолекул между собой в поперечномнаправлении прочными химическими связями непосредственно или через химическиеэлементы или радикалы. В результатетакого соединения макромолекул образуется сетчатая структура с различнойгустотой сетки (рис. <st1:metricconverter ProductID=«1 г» w:st=«on»>1 г</st1:metricconverter>).Редкосетчатые (сетчатые) полимеры теряют способность растворяться и плавиться,они обладают упругостью (например, мягкие резины). Густосетчатые (пространственные) полимеры отличаются твердостью,повышенной теплостойкостью, нерастворимостью. Иногда образованиепространственной структуры сопровождается даже возникновением хрупкости (смолав стадии резит). Пространственные полимеры лежат в основеконструкционных неметаллических материалов.К сетчатым полимерам относятся также пластинчатыеполимеры, которые имеют плоскостное двухмерное строение. Примером такого полимера является графит.Пластинчатая (паркетная) структурапоказана на рис. 1, д.
По фазовому состояниюполимеры подразделяют на аморфные и кристаллические.
В результатерентгенографического и электронно-микроскопических исследований, проведенных В. А. Каргиным, А.И. Китайгородским и Г. Л. Слонимским,макромолекулы в полимерах, как правило, расположены не хаотично, а имеютупорядоченное взаимное расположение. Структуры, возникающие в результате различной укладки молекул, называют надмолекулярными.Упорядоченность в структурообразовании определяется гибкостью линейных иразветвленных (с короткими ответвлениями) макромолекул, способностью их менятьформу, перемещаться по частям; большое влияниеоказывают жесткость цепи и силы межмолекулярного притяжения.
Аморфные полимеры однофазны и построены изцепных молекул, собранных в пачки. Пачка состоит из многих рядов макромолекул,расположенных последовательно друг задругом. Пачки способны перемещатьсяотносительно соседних элементов,так как они являются структурными-
элементами.
Аморфные полимерымогут, быть также построены из свернутых в клубки цепей, так называемых глобул.Глобулярная структура полимеров дает невысокие механические свойства (хрупкоеразрушение по грани-дам глобул). При повышенных температурах глобуларазворачивается в линейные образования, способствующие повышению механических свойств полимеров.
Вопрос о надмолекулярных структурахнекристаллизующихся полимеров малоразработан. Структуры в этих полимерах являются флуктуационными, термодинамический нестабильными ихарактеризуются относительнонебольшим временем жизни.
Кристаллические полимеры образуются в томслучае, если их макромолекулы достаточногибкие и имеют регулярную структуру. Тогда при соответствующих условиях возможны фазовый переходвнутри пачки и образованиепространственных решеток кристаллов.
Гибкие пачкискладываются в ленты путем многократного поворота пачек на 180°С. Затем ленты, соединяясьдруг с другом своими плоскими сторонами,образуют пластины (рис. 186, а). Эти пластины наслаиваются, в результате чего получаются правильные кристаллы.
В томслучае, когда образование из более мелких структурных элементов правильныхобъемных кристаллов затруднено, возникают сферолиты. 'Сферолиты состоят из лучей, образованныхчередованием кристаллических и аморфных участков. В процессе ориентациигибкоцепных полимеров получаются фибриллярные структуры, состоящие из микрофибрилл(рис. 186, е). Между кристаллитами находятся аморфные участки [1].Кристаллические структуры являются дискретными, организованными, термодинамическийстабильными. В отсутствии внешних силовых полей их время жизни т->со.Кристаллизующимися полимерами являются полиэтилен, полипропилен, полиамиды и др. Кристаллизация осуществляется в определенном интервалетемператур. В обычных условиях полной кристаллизации не происходит. В связи сэтим в реальных полимерах структура обычно двухфазная: наряду скристаллической фазой имеется и аморфная. Кристалличность придает полимеру повышенную. теплостойкость, большую жесткость и прочность. Черезнадмолекулярную структуру передаются механические и физические свойстваполимеров. При переработке, а также в условиях длительного хранения и эксплуатации надмолекулярные структуры могут самопроизвольно
иливынужденно претерпевать изменения.
По полярности полимеры подразделяют наполярные и неполярные. У неполярной молекулы электронное облако, скрепляющееатомы, распределено между ними в одинаковой мере; у таких молекул центрытяжести разноименных зарядов совпадают. У полярной молекулы общее электронноеоблако сдвинуто в сторону более электроотрицательного атома; центры тяжестиразноименных зарядов не совпадают. Полярность вещества оценивается дипольныммоментом и., равным произведению элементарного заряда (заряд электрона) qна расстояние / между центрами тяжестивсех положительных и всех отрицательных зарядов. Таким образом, (.i= q-l. Заряд электрона q= 4,8-10-10 эл.-ст.единиц; расстояние lпорядка 10 <st1:metricconverter ProductID="-18 см" w:st=«on»>-18 см</st1:metricconverter> (1 А).Значения дипольного момента имеют порядок 10 -18 эл.-ст. единиц-см. Эту величину иногда называютединицей Дебая (Д). Например, для связей С — Н, С — N, С — О, С — F, С — С1 mравно соответственно 0,2; 0,4'; 0,9;1,83; 2,05Д.
Первым условием полярности полимеровявляется присутствие в них полярных связей (группировок — С1,— F,- ОН), вторым — несимметрия в ихструктуре. Неполярные полимеры имеют симметричное расположение функциональныхгрупп, и поэтому дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются,например:
1) неполярные:
полиэтилен [ — СН2 — СН2— ]„ — молекула симметрична;
полипропилен [ — СН2 — СНСН3— ]„ — дипольные моменты С — Н и С —
— СН3 равны;
фторопласт-4 [ — CF2 — CF2— ]„ — дипольный момент связи С — Fзначителен, сумма моментов равна нулю,так как они компенсируют друг.друга.
2) полярные:
поливинилхлорид [ — СН2 — СНС1 — ]„ — молекуланесимметрична, дипольные моменты С —Н(0,2Д) и С — О (2,05 Д) взаимно не компенсируются.
Полярность сильно влияет на свойства полимеров.Так; неполярные полимеры (в основном на основе углеводородов) являютсявысококачественными высокочастотными диэлектриками. Физико-механические свойства,а у неполярных полимеров при низких температурах ухудшаются незначительно, такиематериалы обладают хорошей морозостойкостью (например, полиэтилен не охрупчиваетсядо температуры — 70°С). Полярность, увеличивая силы межмолекулярногопритяжения, придает полимеру жесткость, теплостойкость. Однако диэлектрики наоснове полярных полимеров могут работать без потерь только в ограниченнойобласти частот (являются низкочастотными). Кроме того, полярные полимерыхарактеризуются низкой морозостойкостью (например, полихлорвинил до температуры -10- -20°С).
Все полимеры по отношению к нагревуподразделяют на термопластичные и.термореактивные.
Термопластичные полимеры при нагреванииразмягчаются, даже плавятся, при охлаждении затвердевают; этот процессобратим, т. е. никаких дальнейших химических превращений материал непретерпевает. Структура макромолекул таких полимеров линейная илиразветвленная. Представителями термопластов являются полиэтилен, полистирол,полиамиды и др.
Термореактивные полимеры на первой стадииобразования имеют линейную структуру и при нагревании размягчаются, затемвследствие протекания химических реакций затвердевают (образуетсяпространственная структура) и в дальнейшем остаются твердыми. Отвержденноесостояние полимера называется термостабильным. Примером термореактивных смолмогут служить фенолоформальдегидная, глифталевая и другие смолы.
1.2 ОСОБЕННОСТИСВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Особенности строения полимеров оказываютбольшое влияние на их физико-механические и химические свойства. Вследствиевысокой молекулярной массы они не способны переходить в газообразноесостояние, при нагревании образовывать низковязкие жидкости, а некоторые,обладающие термостабильной пространственной структурой, даже размягчаться. С повышениеммолекулярной массы уменьшается растворимость. При молекулярной массе (300—400)*103 и низкой полярности полимеры растворимы в растворителях,процесс протекает медленно: через стадию набухания с образованием очень вязкихрастворов. Если молекулярная масса очень велика или присутствуют высокополярныегруппы, то полимер становится нерастворимым ни в одном из органическихрастворителей.
Полидисперсность, присущая полимерам,приводит к значительному разбросу показателей при определениифизико-механических свойств полимерных материалов. Механические свойстваполимеров (упругие, прочностные) зависят от их структуры, физическогосостояния, температуры и т. д. Полимеры могут находиться в трех физическихсостояниях: в стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем.
Стеклообразное состояние — твердое,аморфное (атомы, входящие в состав молекулярной цепи, совершают колебательноедвижение около положения равновесия; движения звеньев и перемещениямакромолекул не происходит).
Высокоэластическоесостояние присуще только высокополимерам, характеризуется способностью материала кбольшим обратимым изменениям формы при небольших нагрузках (колеблются звенья, имакромолекулаприобретает способность изгибаться).
Вязкотекучее состояниенапоминает жидкое состояние, но отличается от него очень большой вязкостью (подвижна всямакромолекула). С изменением температуры линейный или разветвленный полимерможет переходить из одного физического состояния в другое.
Полимеры спространственной структурой находятся только в стеклообразном состоянии.Редкосетчатая структура позволяет получать полимеры в стеклообразном ивысокоэластическом состояниях. Различные физические состояния полимера обнаруживаютсяпри изменении его деформации с температурой. Графическая зависимость деформации,развивающейся за определенное время при заданном напряжении от температуры, называетсятермомеханической кривой… Средние температуры переходных областей называютсятемпературами перехода. Так, температура перехода из стеклообразного ввысокоэластическое состояние (и обратно) называется температурой стеклования (tc); температура перехода из высокоэластического состояния ввязкотекучем (и обратно) — температурой текучести (tт)-
Точка txp, лежащая ниже точки tc, является температурой хрупкости. При температуре ниже txpполимер становится хрупким, т. е. разрушается при оченьмалой величине деформации. Разрушение происходит в результате разрывахимических связей в макромолекуле (например, для полиметилметакрилата tc=100°C, txp=+10"C; для полистирола tс=100сС и txp= 9O°C;для поливинилхлорида tc= <st1:metricconverter ProductID=«81ᄚC» w:st=«on»>81°C</st1:metricconverter>, txp= -90°С; для резинына основенатурального каучука tс= — 62°С, txp= — 80°С). Сповышением температуры увеличивается энергия теплового движения молекул, и температура становитсядостаточной для проявления гибкости молекул. Небольшие напряжения вызывают перемещениеотдельных сегментов макромолекул и их ориентацию в направлении действующей силы.После снятия нагрузки молекулы в результате действия межмолекулярных сил принимаютпервоначальную равновеснуюформу. Высокоэластическое состояние характеризуется значительными обратимыми деформациями (сотни процентов).В области, соответствующей этомусостоянию, развиваются упругая и высокоэластическая деформации. Околоточки tTкромеупругой и высокоэластической деформациивозникает и пластическая.
Кристаллические полимеры ниже температурыплавления — кристаллизации tк — являются твердыми, но имеют различную жесткость вследствие наличияаморфной части, которая может находиться в различных состояниях. При tKкристаллическая часть плавится, и термомеханическая кривая почти скачкообразно, и соответствуетвысокоэластической деформации, как у некристаллического полимера.
Узлы сетки редкосетчатого полимерапрепятствуют относительному перемещению полимерных цепей..В связи с этим приповышении температуры вязкого течения не наступает, расширяетсявысокоэластическая область и ее верхней границей становится tx(химическое разложение полимера).
Рассмотренные температурные переходы (tcи tт) являются одними из основныххарактеристик полимеров и имеют большое значение. Например, при использованииволокон, пленок, лаков в промышленности, где необходима высокая прочность, лежащие в их основеполимеры должны находиться встеклообразном состоянии. Резиновой промышленности необходимы высокоэластические полимеры, сохраняющие своисвойства в широком диапазонетемператур. Процесс технологической переработки полимеров происходит в области вязкотекучего состояния.
Зависимостьнапряжения от деформации для линейных и сетчатых полимеров различна.Линейные полимеры в стеклообразном состоянии обладают некоторой подвижностьюсегментов, поэтому полимеры не так хрупки, как неорганические вещества.
При действии большихнапряжений в стеклообразных полимерах развиваются значительные деформации, которые посвоей природе близки к высокоэластическим. Эти деформации были названы А. П.Александровымвынужденно-эластическими, а само явление — вынужденной эластичностью.Вынужденно-эластические деформации проявляются в интервале температур txp—tc, а принагревании выше tc они обратимы, т. е.образец полностью восстанавливается допервоначального размера. Диаграмма растяжения стеклообразного полимера показана парис.2.1. Область/ является областью образования упругой деформации, а в области IIпроисходит процесс высокоэластической деформации.Максимум на кривой соответствует условию dQ/dE= 0 и называетсяпределом вынужденной эластичности Qвын. Эл.- Ниже tхрполимер приобретаетплотную структуру с прочными межмолекулярными связями, теряет все преимущества, обусловленныегибкостью цепей, и разрушается хрупко.
В интервалетемператур tc— tT, когда полимер находится в высокоэластическом состоянии,диаграмма напряжение — деформация имеет вид плавной S-образной кривой.Зависимость напряжения от деформации для аморфного термопласта (полиметилметакрилат,полистирол, поливинилхлорид и др.) при разных температурах и постояннойскорости растяжения дана на рис. 2.2.
2.1 2.2
<img src="/cache/referats/19416/image006.jpg" v:shapes="_x0000_i1027">
<img src="/cache/referats/19416/image008.jpg" v:shapes="_x0000_i1028">
<img src="/cache/referats/19416/image008.jpg" v:shapes="_x0000_i1029">
Рис. 2.1. Диаграмма растяжения стеклообразного полимера
(Qвын.эл — предел вынужденной
эластичности):
/ — область упругих деформаций;
Деформация
Деформация
//—область высокоэластическойдеформации
Рис. 2.2. Влияние температуры на характеркривых напряжение — деформация аморфного термопласта t1< t2< t3
Ориентационноеупрочнение. Полимеры как в кристаллическом, так и в стеклообразном состоянии могут бытьориентированы. Процесс осуществляется при медленном растяжении полимеров,находящихся в высокоэластическом или вязкотекучем состоянии. Макромолекулы иэлементы надмолекулярныхструктур ориентируются в силовом поле, приобретают упорядоченнуюструктуру по сравнению с неориентированными. После того как достигнутажелаемая степень ориентации, температура снижается ниже tс, и полученная структура фиксируется.
В процессе ориентациивозрастает межмолекулярное взаимодействие, что приводит к повышению tc, снижению tхри особенно кповышению механической прочности. Свойства материала получаются анизотропными.Различают одноосную ориентацию, применяемую для получения волокон, пленок, труб, имногоосную, производимую одновременно в нескольких направлениях(например, в процессе получения пленок).
Прочность при разрывев направлении ориентации увеличивается в 2-5 раз, в перпендикулярном направлении прочностьуменьшается и составляет 30-50% прочности исходного материала. Модуль упругости в направленииодноосной ориентации увеличивается примерно в 2 раза. Высокая прочностьсочетается с достаточной упругостью, что характерно только длявысокополимеров (звенья макромолекул могут обратимо перемещаться безразрушения материала).
Некоторые свойстваориентированных аморфных и кристаллических полимеров одинаковы, однако они различаютсяфазовым состоянием, поэтомус течением времени у кристаллических полимеров улучшается их структура, а аморфные ориентированные полимеры чащевсего в дальнейшем дезориентируются(особенно при нагреваний).
Релаксационныесвойства полимеров. Механические свойства полимеров зависят от временидействия и скорости приложения нагрузок. Это обусловлено особенностямистроения макромолекул. Под действием приложенных напряжений происходит как распрямление и раскручиваниецепей (меняется их конформация), так и перемещение макромолекул, пачек и других надмолекулярных структур. Все это требуетопределенного времени,иустановление равновесия (релаксация) достигается не сразу. Например, для полимера ввысокоэластическом состоянии время релаксации при конформационныхизменениях равно 10-4 — 10-6 с, а время релаксации при перемещении самих макромолекули надмолекулярных структур очень велико и составляет сутки и месяцы. Примеромможет служить волокно, являющееся ориентированным полимером. В обычных условияхего молекулыочень долго не переходят в равновесное неориентированное состояние; поэтому такиепроцессы релаксации обычно не учитываются. Однако это волокнодостаточно упруго, так как при растяжении и сокращении проявляются быстрыерелаксационные процессы изменения конформаций. Кинетика релаксационного процессавыражается формулой :
∆X=(∆X)0e-(τ/ τp)
где ∆х и (∆х)0 — отклонения измеряемой величины от равновесного значения в данный момент времени т и в начальныймомент т = 0; т„ — время релаксации (дляпростых релаксирующих систем величина постоянная). При τ= τрвеличина ∆х = (∆х)0/е (т.е. за время релаксации ∆х уменьшается в 2,72 раза). Повеличинеτр обычно судят о скоростирелаксационных процессов.
<img src="/cache/referats/19416/image010.jpg" v:shapes="_x0000_i1030">
Для эластичныхполимеров характерно явление гистерезиса. У этих материалов кривые зависимости деформации отнапряжения при нагружении и разгрузкеобразца не совпадают (происходят релаксационные процессы). Релаксация деформации — это изменениеотносительного удлинения (или сжатия)образца при постоянном напряжении во времени. При приложении силы образецнаходится в неравновесном состоянии, и со временем начинается релаксация; черезкакое-то время деформация достигает равновесного значения (равновесие между а= constи тепловымдвижением). После снятия нагрузки образец начинает восстанавливать свою первоначальную форму (упругое последействие).Удлинение происходит в результате распрямления,раскручивания цепей (высокоэластической деформации) и перемещения макромолекул друг относительно друга(вязкого течения). Чем больше времяиспытания, тем больше вязкое течение..Деформация в этом случае состоит из обратимой и необратимой.Эти медленно