Stany mechaniczne polimerów

W module Temperatury charakterystyczne polimerów zdefiniowano polimery krystaliczne, amorficzne i semikrystaliczne.

Właściwości mechaniczne polimerów

Właściwości mechaniczne polimerów obejmują odkształcenie polimeru lub jego powierzchni, odporność na takie odkształcenia oraz pękanie pod obciążeniem statycznym lub dynamicznym. Odkształcenia mogą być odwracalne lub nieodwracalne; mogą być spowodowane przez ciągnienie, ścinanie, ściskanie, zginanie i skręcanie, a także przez ich kombinacje.
Pod wpływem obciążenia w polimerach bardzo często występują jednocześnie trzy rodzaje odkształceń: sprężyste, elastyczne, plastyczne.

• Odkształcenie sprężyste jest wynikiem zmiany odległości międzycząsteczkowych oraz międzyatomowych oraz kątów walencyjnych i dlatego nie osiąga dużych wartości, odkształcenie to natychmiast zanika po zdjęciu obciążenia i jest wprost proporcjonalne do naprężenia;

• Odkształcenie elastyczne jest efektem zmian położenia merów lub segmentów łańcucha makrocząsteczki zachodzących w wyniku obrotów wokół wiązań chemicznych, bez naruszania długości wiązań i kątów między nimi, w trakcie zmian położenia nie dochodzi do zmiany położenia środka makrocząsteczek, po zdjęciu obciążenia odkształcenie to całkowicie zanika, odkształcenie to narasta i zanika w pewnym określonym czasie (czas relaksacji);

• Odkształcenie plastyczne to odkształcenie, które jest efektem przemieszczania się całych makrocząsteczek względem siebie i nie znika po usunięciu sił zewnętrznych które je wywołały.

Właściwości mechaniczne materiałów polimerowych opisuje się następującymi wielkościami:

• modułem sprężystości – moduł Young’a

• wytrzymałością na rozciąganie \( R_m \); jest to graniczne naprężenie, przy którym dochodzi do zerwania próbki podczas próby rozciągania

gdzie: \( \sigma \) – naprężenie, \( F \) – siła, \( A \) – pole powierzchni przekroju próbki;

• granicą plastyczności \( R_e \); jest to graniczne naprężenie, powyżej którego dochodzi do odkształceń trwałych (plastycznych, nieodwracalnych);
• wydłużeniem względnym \( \epsilon \)

gdzie: \( \Delta l \) – przyrost długości próbki, \( l_0 \) – długość początkowa próbki;

• twardością – oporem, jaki stawia materiał, gdy wciska się w jego powierzchnię pionowo odpowiedni wgłębnik, stosując taki nacisk, aby powstało odkształcenie trwałe, twardość podaje się w skali Brinella, Shore'a lub Rockwella;
• udarnością – odpornością na pękanie przy obciążeniu dynamicznym; udarność określa się jako stosunek pracy potrzebnej do złamania znormalizowanej próbki z karbem do pola powierzchni przekroju poprzecznego tej próbki w miejscu karbu.

gdzie: \( U \) – udarność, \( W \) – praca potrzebna do złamania znormalizowanej próbki z karbem, \( A \) – pole powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu.

Rys. 1 przedstawia zależność modułu Younga od temperatury przy stałej szybkości rozciągania dla termoplastów, duroplastów i elastomerów [1].

Najważniejsze czynniki, które decydują o właściwościach mechanicznych to:

1. masa cząsteczkowa, stopień polimeryzacji;
2. budowa chemiczna makrocząsteczki i oddziaływania międzycząsteczkowe;
3. stopień usieciowania;
4. morfologia i udział fazy krystalicznej;
5. orientacja makrocząsteczek;
6. defekty struktury wewnętrznej.