Ползучесть полимеров под нагрузкой
Даже в отсутствие сильноагрессивных сред при длительном воздействии небольших нагрузок в полимерных материалах развиваются значительные деформации. Это явление получило название ползучести полимеров.
При кратковременном действии такие нагрузки не вызывают заметного изменения материала, ползучесть развивается только при длительном их воздействии. Значит, ползучесть твердых полимеров проявляется в медленном накоплении высокоэластической деформации при малых нагрузках. Этим ползучесть полимерных материалов отличается от ползучести металлов, где происходит накопление истинной остаточной (необратимой) деформации. Высокоэластическая деформация, возникающая в полимерном материале и накапливающаяся во времени, обратима. Она сохраняется в материале неограниченно долго при снятии нагрузки и исчезает лишь при нагревании материала выше температуры стеклования.
Графически явление ползучести может представлено в координатах σ-ε. На кривой (рисунок 6) видны три характерные области.
Рисунок 6 ─ Кривая ползучести полимера
Первая область отражает стадию неустановившейся ползучести. Она включает в себя упругую и высокоэластическую деформации. Именно в этой стадии ползучесть носит обратимый характер. Вторая область отражает стадию установившейся ползучести, когда деформация нарастает при практически постоянном напряжении. Развивающаяся деформация есть деформация вязкого течения. Третья область – область необратимой пластической деформации, предшествующая разрушению материала. Таким образом, полная деформация ползучести является комбинацией упругой, высокоэластической и деформации вязкого течения.
|
|
|
Если обозначить полную деформацию ползучести через εп, упругую деформацию через εу, высокоэластическую через εвэ, а деформацию вязкого течения через εвт, то для изотермических условий получим уравнение (3.8).
εп = εу + εвэ + εвт (3.8)
Упругая составляющая определяется из закона Гука (σ = Е∙ε):
εу = σ / Е (3.9)
Вязкая составляющая деформации ползучести определяется по закону Ньютона, открытого им для описания движения вязких жидкостей (3.10).
εвт = στ∙dτ / η, (3.10)
где στ – напряжение в материале в текущий момент времени,
τ – текущее время,
|
|
|
η – вязкость жидкости.
Вязкость материала Ньютон рассматривал как свойство, заключающееся в способности материала оказывать сопротивление течению, поэтому вязкость обратна текучести материала. При этом вязкая составляющая ползучести пропорциональна στ.
Высокоэластическая составляющая полной деформации ползучести описывается уравнением Кельвина-Фойхта-Мейера (3.11).
, (3.11)
где t – начальный момент времени.
τ – t – отрезок времени, за который накапливается высокоэластическая деформация,
ϴ - время релаксации напряжений в материале, учитывающее эластические свойства материала. Вязкость связана с временем релаксации через модуль Юнга (η = Е∙ϴ). Отсюда деформация ползучести от момента нагружения до момента разрушения будет равна (3.12).
(3.12)
Величина деформации ползучести зависит от температуры. Эта зависимость описывается экспоненциальным уравнением (3.13).
, (3.13)
где К – параметр, зависящий от времени и напряжения в материале (К = f(σ,τ)).
|
|
|
Uэф – эффективная энергия активации процесса ползучести.
Ползучесть зависит от химической структуры материала. Наиболее устойчивы к ползучести аморфные сетчатые полимеры (реактопласты) и аморфные термопласты с высокой температурой стеклования. Значительно меньшей стойкостью к ползучести обладают линейные аморфные полимеры.
Ползучесть зависит также и от свойств агрессивной среды. Чем больше снижение межмолекулярного взаимодействия при сорбции компонентов среды и снижение поверхностной энергии при их адсорбции, тем выше склонность материала к ползучести в данной агрессивной среде. От природы агрессивной среды зависит не только абсолютная величина ползучести, но и характер изменения ползучести во времени. Например, исследование ползучести полиакрилата ( - СН2 – СН (СООR) - )n в воде и в спирте показало, что абсолютная величина деформации ползучести в спирте была примерно в два раза выше, чем в воде. Кроме того, кривая ползучести в спирте имела еще одну специфическую особенность – наличие индукционного периода на кривой εп – τ, где наблюдался очень медленный рост деформации ползучести. В водном растворе такой участок отсутствовал,
|
|
|
Увеличение абсолютного значения деформации ползучести в спирте объясняется значительно большей сорбцией спирта полимерами по сравнению с водой, приводящей к большему снижению межмолекулярного взаимодействия в полимере. Кроме того, спирт является поверхностно-активным веществом, снижающим также и величину поверхностной энергии на границе «полимер – среда» в результате адсорбции.
Наличие же индукционного периода в спирте объясняется различной скоростью диффузии спирта и воды в полимере. Так как коэффициент диффузии спирта меньше, чем коэффициент диффузии воды, то его накопление в материале идет медленнее, что и приводит к появлению индукционного периода, необходимого для содержания в полимере достаточного количества спирта, способного вызвать изменение материала. При воздействии многокомпонентных систем, к которым относят и растворы электролитов, следует учитывать их влияние на величину поверхностной энергии границы раздела, т. к. электролит может быть поверхностно-активным веществом.
Повышение устойчивости материала к ползучести может быть достигнуто как созданием пространственной сетчатой структуры с помощью вулканизации, так и велением наполнителей, повышающих температуру стеклования полимера.
Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 1847; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!