Анализ термомеханических свойств полимеров

Под термомеханическими свойствами полимеров понимают обычно характеристику их механического поведения в различных термических условиях. Чаще всего при этом имеют в виду способность полимера противостоять действию направленного внешнего усилия, которое создает в нем напряжение у, способное вызвать деформацию, т. е. изменение геометрии образца. Измеряя деформацию е при последовательно изменяющихся температурах Т, можно построить термомеханическую кривую полимера е (Т). При этом важно охватить по возможности всю температурную область существования полимера; в этом случае кривая отразит все изменения физического состояния исследуемого объекта и все химические превращения, которым он подвержен. В принципе может быть использован любой метод деформирования полимера — растяжение, сжатие, кручение и т. д.

Основной задачей термомеханического анализа чаще всего является наблюдение переходов полимера из стеклообразного состояния в высокоэластическое и из высокоэластического — в вязкотекучее состояние (для некоторых объектов — непосредственно из стеклообразного в вязкотекучее).

Метод позволяет оценивать температурные области работоспособности полимерного материала в качестве пластика либо эластомера, выявляет возможности перевода в текучее состояние, что необходимо для его переработки. Метод с успехом используется для решения таких проблем, как выявление процессов кристаллизации и плавления кристаллической фазы, обнаружении различных химических реакций, получение данных о межмолекулярных взаимодействиях, об эффекте пластификации и разделении фаз в полимерных системах.

К достоинствам ТМА следует отнести:

• 1) информация может быть получена зачастую с помощью одного образца;
• 2) Небольшая масса и количество образца;
• 3) Время проведения испытания около 4 часов.

Аморфные линейные полимеры могут существовать в стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем состояниях. Это по существу разные релаксационные состояния, ограниченные определёнными пределами времён релаксации и связанные с определёнными механизмами молекулярной подвижности — движением кинетических единиц различных размеров.

На рис. 1 приведена типичная термомеханическая кривая аморфного полимера. Кривая состоит из трёх участков, отвечающих трём релаксационным состояниям. Участок (I) соответствует стеклообразному состоянию — деформируемость принята равной нулю. При повышении температуры она более или менее резко поднимается до уровня, свойственного высокоэластичному состоянию (II). Вязкотекучее состояние (III) характеризуется дальнейшим увеличением деформируемости с ростом температуры.

Рис. 1. Термомеханическая кривая аморфного линейного полимера

термомеханический полимер кристаллический стеклообразный Подъем, свидетельствующий о возрастании деформируемости, может быть вызван весьма разнообразными причинами. К ним относятся: размягчение полимера, находящегося в стеклообразном состоянии; плавление кристаллической фазы; переход полимера (высокоэластического либо стеклообразного) в текучее состояние.

Первый из перечисленных процессов — переход полимера из стеклообразного состояния в высокоэластическое — характеризуется подъемом, который всегда ограничен по высоте и заканчивается переходом к горизонтальной (или наклонной) площадке. Если на ТМАкривой имеется несколько подъемов, то рассматриваемому переходу соответствует наиболее низкотемпературный из них. С увеличением нагрузки величина подъема возрастает, но по оси температур он при этом почти не смещается.

Введение

пластификатора смещает подъем в сторону низких температур.

Плавление кристаллической фазы проявляет себя в ТМА обычно довольно резким подъемом. В случае высококристаллического полимера этот подъем может оказаться единственным на ТМА-кривой, если температура плавления превосходит температуру текучести данного полимера в аморфном состоянии. В противном случае образуется ступенчатая кривая. Переход линейных аморфных полимеров в текучее состояние наблюдается из состояния высокоэластического либо непосредственно из стеклообразного.