В.Н. Кулезнев, В.А. Шершнев - Химия и физика полимеров (1113697), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Распад флуктуационной сетки облегчает перемещение сегментов, которые ориентируются в направлении растяжения. Ориентация макромолекул при деформации приводит к интенсивному росту напряжений (участок Ш кривой 1). Если полимер построен из стереорегулярных макромолекул (как, например, натуральный каучук), то на участке И1кривой напряжение — деформация происходит кристаллизация эластомера и в этом случае напряжение возрастет очень резко. Кривая заканчивается точкой, в которой происходит разрыв образца (отмечена звездочкой). Механические модели, рассмотренные выше, не описывают экспериментальную кривую напряжение — деформация типа кривой 1 на рис.
7.11. Это естественно, поскольку при растяжении эластомера происходят, как мы видели, изменения надмолекулярной структуры, а в механических моделях структурные превраще- ния не учитываются. Механические модели описывают только самый начальный, близкий к линейному участок кривой. Посмотрим, как можно оценить роль релаксационных явлений в эластомере в нелинейной области деформации. Прекратим растяжение на определенной стадии и начнем обратный процесс — сокращение образца с той же скоростью, с которой проводили растяжение (кривая 3). Перегруппировавшиеся в процессе растяжения узлы флуктуационной сетки не успевают восстановиться полностью в каждый данный момент времени. Поэтому напряжение в образце при сокращении меньше, чем при растяжении.
Очевидно, если процесс растяжения и последующего сокращения проводить очень медленно (равновесно), так чтобы обеспечить полное восстановление узлов флуктуациойной сетки, то кривая растяжения совпадает с кривой сокращения (см. рис. 7.11, кривая 4). Площадь под кривой напряжение — деформация является мерой работы деформации. Так, при растяжении затраченная работа равна ег Ара„= 1 аде. а (7.14) Чтобы убедиться в том, что произведение аг(е есть действительно мера работы, запишем это выражение в виде (7.15) гдеУ вЂ” приложенная сила; Я вЂ” плошадь поперечного сечения образца; /е — его ис- ходная длина; Ш-прирашение длины при деформации; К-объем образца.
Таким образом А есть работа растяжения, приходящаяся на единицу объема эластомера. Соответственно при сокращении образца мы получаем работу сокращения: кг Аокр = /обе. (7.16) 151 Работа сокращения графически может быть выражена плошадью под кривой 3 на рис. 7.11. Как видно, при растяжении затрачивается ббльшая работа, чем ее получают при сокращении. Это значит, что в цикле растяжение — сокращение мы теряем работу, измеряемую площадью петли, образованной кривыми растяжения и сокращения. Петля эта называется легилей гистерезиса, а само явление несовпадения кривых растяжения и сокращения называется гислгерезисолг.
Потери механической энергии происходят при превращении ее в теплоту, которая выделяется за счет внутреннего трения сегментов в эластомере. Из рис. 7.11 видно, что совпадение кривых нагрузка — удлинение и разгрузка — удлйнение (кривая 2) наблюдается при очень большой скорости деформации, когда не успевают распадаться узлы флуктуационной сетки, а деформация мала (хрупкое разрушение), либо при очень медленной равновесной деформации (кривая 4). В обоих этих случаях в процессе сокращения образца успевает восстановиться надмолекуларная структура, которая существовала в момент растяжения. В первом случае распада узлов сетки не было. Во втором случае узлы сетки распадались, наблюдалась значительная ориентация сегментов макромолекул, но все эти изменения надмолекулярной структуры успевали восстановиться полностью в процессе сокрашения образца благодаря большой продолжительности процесса.
Таким образом, в тех случаях, когда релаксационные процессы при сокращении образца успевают пройти полностью, петля гистерезиса отсутствует. Отсутствие петли гистерезиса означает отсутствие потерь механической энергии в полном цикле деформации, т. е. гистерезисных потерь. При большой скорости деформации, когда вреж, затрачиваемое на полный цикл деформации, мало, критерий Ю = т/г велик, а при очень большом времени цикла критерий Ю мал. При промежуточных значениях скорости деформации (времени цикла) гистерезисные потери достигают максимума. Мы увидим позже, что максимум потерь наблюдается при таком времени цикла б прй котором г = т, т.
е. когда критерий Ю = 1. В структуре флуктуационной сетки существуют узлы, которые возникают и распадаются особенно медленно. Эти узлы распадаются в первом и в нескольких последующих циклах деформации, так что далее образец от цикла к циклу сохраняет некоторую новую структуру, возникшую в результате частичного разрушения флуктуационной сетки. Эта структура за время цикла восстанавливается значительно полнее, чем структура исходного, недеформированного образца, и гистерезисные потери в результате снижаются.
На рис. 7.12 показан ряд последовательных циклов деформации одного и того же образца. Видно, что площадь петли гистерезиса (механические потери) уменьшается от цикла к циклу, в конечном счете достигает предельной величины и далее практически не изменяется. Распад узлов сетки, которые после первых циклов не успевают восстановиться, обеспечивает наличие остаточной деформации ез (см.
рис. 7.11). Если деформации в цикле невелики, то прирост остаточной деформации в последующих циклах непрерывно уменьшается, пока не окажется, что, начиная с какого-то цикла, остаточная деформация больше не меняется. После сокращения 152 Рис. 7.12. Увещевание площади иепщ гвстерезиса ирв повторении пнклоа растщкевве— сокращение (Д 2, 3). После некоторого числа ииклое площадь петли стабнлгивруетса 0 0 0 (т.
е. завершения цикла) образец Деформация возврашается к той же длине, что была в предыдущем цикле. Начинается период стационарного режима деформирования, когда площадь петли гистерезиса имеет вполне определенную величину, но от цикла к циклу не меняется, а остаточная деформация больше не нарастет (см. рис. 7.12). Установлению стационарного режима способствует наличие сетки химических связей. Пространственный полимер, не имеюший дефектов структуры, в стационарном режиме сохраняет незначительную остаточную деформацию. При определении гистерезисных потерь в резинах значение ег (см. рис. 7.11) составляет обычно 100, 200 или 300 % в зависимости от качества резины или цели испытания.
Тогда значение остаточной деформации ез в зависимости от свойств пространственной сетки химических связей колеблется от нескольких процентов до десятков процентов. Многократные циклические деформации. Снятие кривых о — е на динамометре ограничено узким интервалом возможных скоростей деформации и узким интервалом скоростей действия силы. Вместо растяжения на динамометре применяют метод циклических деформаций, когда скорость действия силы можно менять в широких пределах, а величину деформации сохранять незначительной, чтобы все исследование было проведено в области линейной вязкоупругости. Для создания циклического режима деформирования используют кривошипные механизмы или электромагнитные приводы для перемешения зажимов с закрепленными образцами.
Пример рабочего узла прибора, осуществляющего циклическое деформирование образцов, приведен на рис. 7.13. Образец 2 в виде двух брусочков приклеивается к двум пластинам — прямоугольной и вилкообразной. Если на катушку 1, в которой сердечником является часть вилкообразной пластины, подавать переменный ток, то пластина будет колебаться в горизонтальной плоскости. Можно организовать работу прибора так, что вилкообразная пластина будет подавать на образец заданное напряжение, меняющееся во времени по синусоиде. В катушке 3 Рнс. 7.13. Рабочий узел прибора длв частот- ваго вагрулгеивв образна (повсаевие а тексте) 153 возникнет ток, которым можно охарактеризовать величину деформации образца.
Синусоидальному изменению напряжения соответствует синусоидальное изменение деформации. Можно, наоборот, задать синусоиду деформации и измерять синусоиду напряжения. Это не повлияет на результат исследования. Синусоиды напряжения и деформации для идеально упругого, идеально вязкого и вязкоупругого полимеров приведены на рис. 7.14. Рассмотрим случай деформирования упругого тела. Зададим синусоиду деформации: (7.17) тогда, учитывая, что по закону Гука а = (7е, получим выражение для напряжения (7.18) о= ггеоз(позу= ооз1поза Напряжение, как и деформация, меняется по синусоиде, причем нет отставания синусоид по фазе 1и в (7.17), и в (7.18) входит в1п озг). Это значит, что упругое тело мгновенно реагирует на внешнее воздействие. Максимальной амплитуде деформации ео соответствует максимальная амплитуда напряжения оо. При синусоидальной деформации упругого тела угол сдвига фаз между напряжением и деформацией составляет О'. -о Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
