Растяжение. 
Деформационные свойства полимерных материалов

При испытании пластмасс на растяжение используются образцы в виде двухсторонних лопаток или гантелей. При испытании пленок допускается применение образцов в виде отрезков лент.

При испытании на разрывной машине получают диаграмму растяжения, записанную в координатах деформация-усилие. В зависимости от свойств полимерного материала диаграмма может иметь вид, представленный на рис. 1, или более простой, завершающийся в любой из точек записываемой линии, 0-а-Ь-с-i-е-f-g.

деформируемость реактопласт полимерный.

Рис. 1 Схематическое изображение кривой деформация-усилие, приложенное к полимеру

Анализ зависимости N=ц (?l). 0-а — прямолинейный участок, на котором приращение деформации сопровождается прямо пропорциональным приращением приложенного усилия (прямая линия), что соответствует закону Гука. Следовательно, эта деформация упругая.

Упругие свойства проявляются пластмассами при очень малых численных значениях относительных деформаций (единицы процентов). Именно при таких значениях деформаций корректны измерения модуля упругости. Форма образца и размер сечения рабочей части лопатки не изменяются (рис. 2, а).

Рис. 2 Последовательность деформирования при растяжении рабочей части образца

Участок а—b криволинеен (см. рис. 1). Отклонение от прямолинейности свидетельствует о проявлении пластической составляющей, вклад которой по мере приближения к точке b возрастает. В точке b происходит резкое изменение хода зависимости N=ц (?l), когда приращение деформации происходит без увеличения силы N. Это вызвано изменением поперечного сечения образца, которое сужается (рис. 2, b). Конфигурация отрезка 0-b зависит от соотношения в макромолекулярной системе полимера физических сил межмолекулярного взаимодействия и сил ковалентных, действующих в основной карбоили гетероцепи. Если, то при нагружении такого образца в момент происходит лавинное разрушение межмолекулярных связей, при этом остаются химические, ковалентные связи карбои гетероцепей, суммарная энергетика которых, меньше энергетики связей физических. Они не в состоянии противостоять внешнему силовому воздействию, в результате чего образец разрушается.

Такой характер разрушения наблюдается для полимеров, хрупких в стандартных условиях испытаний. Сама по себе хрупкость может быть следствием либо молекулярной структуры полимера (густосетчатые), либо определена физическим состоянием полимерного материала при температуре испытания.

В случае, участок 0-b имеет вид, близкий к прямолинейному, а полимерный материал проявляет преимущественно упругие свойства практически до момента разрушения.

Участок снижения приложенного усилия (b-с) сопровождается развитием деформации. К моменту с в образце появляется так называемая шейка. Ее сечение существенно, по крайней мере, в 10 раз меньше начального. Физическая организация полимера в шейке иная, чем в других частях образца. В области шейки надмолекулярная структура (НМС) как частично кристаллизующихся, так и аморфных полимеров становится более ориентированной.

В частично кристаллизующихся полимерах происходит процесс рекристаллизации. Если исходная НМС сферолитная, то в шейке она фибриллярно-ламеллярная. При дальнейшем развитии деформации ламели могут разрушиться до фибрилл, фибриллы — до пачек. Каждая из ступеней деформации сопровождается образованием новой, уменьшенной по сечению шейки. После образования шейки шириной k вся рабочая часть образца вытягивается до перехода по всей длине в ленту шириной k (рис. 2, с). К моменту d сферолитная НМС превратилась в ламелярно-фибриллярную. При этом произошло сближение соседних макроцепей полимера, усилилось межмолекулярное взаимодействие и развитие деформации на участке d-е, что потребовало увеличения приложенного усилия. В точке e состоялся переход процесса рекристаллизации к следующей ступени — пачечно-фибриллярной с образованием новой, еще меньшей по сечению шейки шириной k' (рис. 2,е). Отмеченная выше последовательность событий повторяется, на участке fg происходит развитие шейки шириной k', сопровождающейся возрастанием приложенного усилия N. Как только размеры сечения перекристаллизованных НМС становятся соизмеримыми с размерами дефектов, происходит разрушение образца (рис. 2, f). [1,2].

В практике переработки пластмасс рассмотренный эффект ориентационного упрочнения широко используется при производстве волокон, пленок и погонажных изделий.

Ориентационные эффекты, рассмотренные в примере, не являются полностью необратимыми. После снятия нагрузки восстанавливаются упругие деформации, определяемые, действием физических сил межмолекулярного взаимодействия. Затем, в соответствии с релаксационными процессами, медленно будут восстанавливаться деформации, связанные с внутрицепными перемещениями (например, возврат вытянутой молекулы к морфологии пачки). При нагревании этот процесс ускоряется. Полного восстановления исходного размера не происходит вследствие развития при растяжении необратимых пластических деформаций. Это явление используется в полимерной практике, например, при производстве так называемых термоусаживающихся пленок или изделий (трубки, герметизирующие рукава, упаковка, кольца, втулки).

В аморфных полимерах также могут наблюдаться ориентационные эффекты, но, в меньшем объеме. Поэтому на диаграмме растяжения аморфных полимеров участок активной деформации заканчивается точками с или d, в которых и происходит разрушение.

Способность аморфных полимеров к большим деформациям принято называть вынужденной эластичностью, а сами деформации — вынужденно-эластическими [1]. Слово «вынужденно» подчеркивает способность аморфного полимера после снятия деформирующей нагрузки в большей или меньшей степени восстанавливать исходную конфигурацию образца. Скорость этого релаксационного процесса возрастает при нагреве.

Из анализа видно, что и частично кристаллизующиеся и аморфные полимеры деформируются по сходным физическим механизмам, степень проявления которых определяется физико-химическими особенностями полимерных материалов. В прикладном плане это определяет практическую невозможность установления только по испытаниям на растяжение того, с каким полимером аморфным или частично кристаллизующимся имеем дело. Исключение составляют лишь жесткие, малодеформативные в стеклообразном состоянии, непластифицированные и немодифицированные полимерные материалы, а именно ПС, ПК, ЭС, ФФП, АФП.

В рис. 1, прочность полимерных материалов, то есть разрушающее напряжение при растяжении, определяют по соотношению:

где — наибольшее усилие, приложенное к образцу в момент его разрушения, Н; Sплопнядь сечения рабочей части образца, замеренная до проведения испытания, м2.

Иногда можно встретить величину, называемую по аналогии с металлами, пределом текучести полимерных материалов,. Она определяется соотношением:

где Nт — усилие образования «горба», Н.

Значение показывает величину напряжения, превышение которого будет сопровождаться активными пластическими деформациями.