Лабораторна робота № 5

ВИВЧЕННЯ ДЕФОРМАЦІЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

ПОЛІМЕРНИХ ПЛІВОК ПРИ РОЗТЯГУ

Мета роботи. Визначення основних деформаційно-міцностних показників полімерних плівок при їх розтягу.

Прилади і матеріали: розривна машина; лінійка металева з ціною ділення 1 мм; товщиномір або мікрометр; ножиці або ніж; полімерні плівки.

1. Теоретичні відомості

Найбільш важливою деформаційною властивістю полімерів є за-лежність деформації розтягу ε від величини прикладеного напруження σ – це так звана діаграма „напруження–деформація”. Вид діаграми ви-значається, головним чином, фазовим (аморфним чи кристалічним) і фізичним станом полімеру.

Аморфні полімери в залежності від температури можуть знаходи-тися в трьох фізичних станах: склоподібному, високоеластичному і в’язкотекучому. Типові діаграми ε = ƒ (σ) для аморфних 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 темпера-тури 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.

Пружна деформація невелика за величиною і повністю зворотна. Вона обумовлена зміною віддалей між атомами речовини. При цьому робота зовнішніх сил витрачається на долання внутрішніх сил взаємо-дії, тобто пружна деформація полімерів носить енергетичний харак-тер. Модуль пружності характеризує стійкість матеріалу до деформа-ції під дією зовнішнього навантаження.

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

Полімери, що знаходяться у склоподібному стані, під дією вели-ких 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 поліме-ру Т_с.

Типова залежність ε = ƒ (σ) для склоподібного полімеру при тем-пературі вище Т_кр наведена на рис. 4 (крива 2). У початковий момент розвитку вимушено-еластичної деформації у зразку утворюється ді-лянка зі значним зменшенням поперечного перерізу – „шийка”, яка у міру розвитку деформації збільшується в розмірах. Утворенню „ший-ки” на кривій ε =ƒ (σ) відповідає ділянка а–b–c. Напруження, віднесе-не до одиниці площі поперечного перерізу зразка, при якому починає розвиватися вимушено-еластична деформація, називають межею те-чіння σ _т. Вимушена еластичність обумовлена зміною конформації ма-кромолекул. Під дією зовнішнього навантаження макромолекули роз-гортаються і величина деформації зростає. У даному випадку про-являється кінетична гнучкість ланцюга і тому вимушено-еластична де-формація має кінетичний характер. Для випрямлення макромоле-кулярного 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 пе-реходить у високоеластичний стан, зразок повністю відновлює свої розміри і тому така деформація носить зворотній характер. Вимушено-еластичній деформації на кривій ε = ƒ (σ) відповідає горизонтальна ділянка с–d, що характеризується великою деформацією при постійно прикладеному навантаженні.

У високоеластичному стані полімер розвиває дуже великі зво-ротні деформації під дією невеликого навантаження. Полімери, які при кімнатній температурі знаходяться у високоеластичному стані, називаються еластомерами. Суть високоеластичності полягає в роз-прямленні згорнутих гнучких ланцюгів під впливом прикладеного на-вантаження 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 значно вища, ніж у склоподібному. Таким чином, у високоеластичному стані великі деформації розвиваються при малих навантаженнях, а у склоподібному – при значно більших навантаженнях. Після зняття навантаження зусилля, яке виникає внас-лідок прагнення макромолекул прийняти рівноважний згорнутий стан, повертає еластомер у вихідний стан, а склоподібний полімер залиша-ється в деформованому стані. Типова крива ε = ƒ (σ) для еластомерів наведена на рис. 4 (крива 3).

Загальна деформація полімеру складається з пружної деформації ε _пр, високоеластичної деформації ε _вел і деформації течіння ε _теч:

ε = ε _пр + ε _вел + ε _теч

Течіння – це незворотнє переміщення макромолекул відносно одна одної під дією зовнішнього прикладеного навантаження. Воно визначається міжмолекулярним тертям і тому у полімерах ускладнено через велику довжину макромолекул і великі значення енергії міжмо-лекулярної взаємодії. Внаслідок наявності течіння при деформуванні полімерів повного відновлення розмірів зразка після зняття на-вантаження не відбувається. Тому течіння є небажаним процесом для полімерів, що експлуатуються у високоеластичному або склоподібно-му станах.

З підвищенням температури енергія взаємодії між макромолеку-лами зменшується і зростає ε _теч, тому деформація течіння досить ве-лика при температурах, що відповідають в’язкотекучому стану полі-мерів.

Кристалічні полімери під дією прикладених напружень також здатні розвивати значні деформації (до декількох сотен процентів). Характерні криві ε = ƒ (σ) для кристалічних полімерів наведені на рис. 5. Крім пружної деформації ці полімери при великих навантаженнях проявляють вимушено-еластичну деформацію.

Рис. 5. Деформаційні криві розтягу кристалічного полімеру при різних температурах (Т₁ < Т₂ < Т₃ < Т₄ < Т₅)

Деформація кристалічних полімерів супроводжується не тільки розпрямленням згорнутих ланцюгів макромолекул в аморфних облас-тях, але й орієнтацією кристалітів і частковою їх рекристалізацією. В результаті орієнтації макромолекул їх властивості в різних напрямках суттєво відрізняються, тобто спостерігається анізотропія властивос-тей.

Значний вплив на деформаційні властивості полімерів мають та-кож хімічна будова і характеристики макромолекул (молекулярна ма-са, гнучкість ланцюгів, регулярність будови тощо), величина напру-ження, температура випробувань, швидкість деформування, трива-лість дії навантаження та ін.

2. Порядок і методика виконання роботи

2.1. Визначення межі течіння і межі міцності полімерних плівок при їх розтягу та відносного видовження при розриві

2.1.1. Підготовка зразків до випробувань

З полімерної плівки у взаємоперпендикулярних напрямах вирі-зають по п’ять зразків у формі прямокутника шириною 10±0, 2 мм і довжиною 150 мм. Краї зразків повинні бути рівні, гладкі, без види-мих дефектів.

Позначають зразки, вирізані в різних напрямках, цифрами І і ІІ та нумерують (від 1 до 5). Нанесення позначок не повинно привести до руйнування зразків.