Механические свойства полимеров

Полимеры реагируют на напряжение способом, промежуточным между упругими твердыми телами и вязкими жидкостями, поэтому их жесткость, прочность и ударная вязкость зависят от температуры, времени и скорости, и описываются вязкоупругостью и эластичностью каучука.

Definition

Механические свойства полимеров — это их жесткость, прочность, деформируемость и поглощение энергии под нагрузкой, которые возникают из вязкоупругого поведения, сочетающего упругость, подобную твердому телу, и течение, подобное жидкости, и зависят от температуры, скорости и молекулярной структуры.

Scope

Эта тема охватывает механическое поведение полимеров: линейную вязкоупругость и модули накопления и потерь, ползучесть и релаксацию напряжений, время-температурную эквивалентность механического отклика, эластичность каучука сшитых сеток, текучесть, вытяжку и разрушение, а также то, как молярная масса, кристалличность, сшивание и температура совместно определяют конечные свойства.

Core questions

• Почему механический отклик полимеров зависит от времени и температуры?
• Как модули накопления и потерь описывают вязкоупругое поведение?
• Каково молекулярное происхождение энтропийной эластичности каучука?
• Как молярная масса, кристалличность и сшивание контролируют прочность и ударную вязкость?

Key theories

Линейная вязкоупругость

Отклик полимера на напряжение сочетает упругие и вязкие составляющие, описываемые зависящими от частоты модулями накопления и потерь, а также функциями ползучести и релаксации напряжений, и объединенными для разных температур с помощью принципа температурно-временной суперпозиции.

Энтропийная теория эластичности каучука

Восстанавливающая сила растянутого сшитого каучука является энтропийной, возникающей из уменьшенной конформационной энтропии вытянутых сетевых цепей, поэтому модуль упругости пропорционален плотности сшивок и увеличивается с абсолютной температурой.

Mechanisms

Ниже температуры стеклования полимер представляет собой жесткое стекло, которое может разрушаться хрупким образом; выше нее аморфные цепи подвижны, и материал является каучукоподобным или, если он не сшит и находится выше любой температуры плавления, течет. Запутывания придают расплавам и твердым телам временную упругую сетку, в то время как постоянные сшивки обеспечивают истинную эластичность каучука, регулируемую энтропией. Под нагрузкой полимеры могут деформироваться путем сдвигового полосообразования или образования трещин, вытягиваться для выравнивания цепей и упрочняться в направлении вытяжки, и в конечном итоге разрушаться; баланс между этими процессами, определяемый молярной массой, кристалличностью, сшиванием и скоростью, определяет, является ли материал хрупким или вязким.

Clinical relevance

Контроль механических свойств является основой полимерной инженерии: эластичность каучука позволяет создавать шины, уплотнения и эластомеры; высокий модуль упругости и прочность за счет ориентации и кристалличности позволяют создавать волокна и пленки; а упрочнение за счет каучуковых фаз или контролируемого образования трещин позволяет создавать ударопрочные пластмассы. Вязкоупругий анализ направляет проектирование против ползучести, усталости и отказов, зависящих от температуры и скорости.

History

Кинетическая теория эластичности каучука, связывающая модуль упругости с сетевыми цепями и энтропией, была разработана в 1940-х годах и систематизирована Трелоаром и Флори; систематическое рассмотрение вязкоупругости полимеров, включая суперпозицию время-температура, было установлено Ферри и другими в 1950-х и 1960-х годах.

Key figures

• Paul Flory
• John Ferry
• Leslie Treloar

Seminal works

• sperling2006
• flory1953

Frequently asked questions

Почему один и тот же полимер кажется жестким при быстром ударе, но медленно течет под длительной нагрузкой?

Полимеры являются вязкоупругими: при коротких временах или высоких скоростях цепи не могут перестраиваться и реагируют упруго, в то время как при длительных временах они релаксируют и текут. Эта зависимость от времени лежит в основе ползучести, релаксации напряжений и чувствительной к скорости ударной вязкости.

Почему резиновая лента становится жестче при нагревании?

Эластичность каучука является энтропийной. Растяжение снижает конформационную энтропию сетевых цепей, и восстанавливающая сила пропорциональна абсолютной температуре, поэтому нагревание увеличивает силу упругого восстановления, а не размягчает каучук.