Термины, связанные с цементом. Эластической деформации

Главная --> Справочник терминов

Эластической деформации В настоящее время большое значение приобрели микроячеистые эластомеры. Уступая в прочности монолитным литьевым эластомерам (не выше 4,0—6,0 МПа), они обладают хорошим эластическим восстановлением и низкой остаточной деформацией сжатия, что и определило применение их в качестве амортизаторов. Особенно широко эти полиуретаны используются для изготовления низа обуви. Из литьевых материалов готовят одно- и двухкомпонентные композиции с целью получения из них масло-износостойких покрытий.

Фильеры обычно представляют собой короткие капилляры, у которых 1 < L/D0 < 5. Канал фильеры имеет плавный контур, что позволяет придать потоку на входе форму «рюмки» и свести до минимума искажения экструдата, обусловленные эластическим восстановлением. Используя фильеры определенной формы, можно получать волокна фигурного сечения. Из-за ВЭВ форма экструдата отличается от формы отверстия (см. разд. 13.7). Даже в прямых фильерных головках течение нельзя считать чисто вискозиметри-ческим, поскольку величина L/D0 мала; эффект входа вносит преобладающий или по крайней мере существенный вклад в величину давления, необходимого для формования. Это иллюстрируется приведенным ниже примером.

Высокоэластичность расплавов обусловливает ряд специфических явлений, имеющих большое значение п технологии переработки расплавов полимеров. К таким явлениям относится, в частности, эффект Вайссенберга (эффект нормальных напряжений), заключающийся в особенностях кругового движения расплавов, необъяснимых с позиций кчассической гидродинамики. Например, при вращении вала, опущенного п расплав, расплав поднимается по валу вверх. Такое же явление происходит (рис. 5.25), если в центр вращающегося сосуда с расплавом опустить неподвижный вал, трубу или диск, способный перемещаться го вертикали без вращения При вращении сосуда расплав поднимется по валу, втянется внутрь трубы, соберется под диском и поднимет его вверх (рис. 525,6). Подобные явления в обычных ньютоновских жидкостях не происходит (рис. 5.25, а). Вторая особенность расплавов — высокоэластическос восстановление. При течении расплавов полимеров в каналах, капиллярах, фильтрах макромолекулы ориентируются При выходе струн за пределы канала тангенциальные напряжения, вызывающие эту ориентацию, исчезают и немедленно начинается процесс релаксации. Внешне это проявляется в увеличении диаметра струи (экструдата) по сравнению с диаметром канала, из которого вытекает экструд.ат Это явление и называют высоко-эластическим восстановлением, Баррус-эффектом, «разбуханием». Процесс протекает во времени, иногда продолжается несколько часов сопровождается сжатием экструдата по длине — усадкой. Количественно эффект оценивают коэффициентом вы-

смеси, скорости и температурных режимов процесса. Подбор каучуков с небольшим эластическим восстановлением, уменьшение содержания каучука в смеси, снижение ее вязкости, повышение пластичности, снижение скорости процесса и увеличение температуры уменьшают усадку резиновых смесей.

Процессы пластикации каучуков, приготовления резиновых смесей, их каландрования, экструзии и формования основаны на пластических и вязкотекучих свойствах каучуков, обеспечивающих определенную легкость их обработки. От эластических свойств каучуков и резиновых смесей зависит устойчивость формы невулканизованных полуфабрикатов при хранении. На-людавшаяся при проведении ряда технологических процессов усадка заготовок и изделий по форме и размерам объясняется эластическим восстановлением каучуков после прекращения их деформации. Кроме того, пластоэластические свойства каучуков (резиновых смесей) влияют на физико-механические показатели готовых изделий.

По ГОСТ 415—75 пластоэластические свойства характеризуются мягкостью, пластичностью, восстанавливаемостью, эластическим восстановлением и относительным эластическим восстановлением.

При снятии нагрузки модель Кельвина постепенно возвращается к первоначальному состоянию, т. е. она обладает упругим последействием, или эластическим восстановлением. Эта модель качественно описывает механическое поведение многих реальных материалов и в том числе мягкой вулканизованной ненаполнен-лой резины. Существенно, что с помощью модели Кельвина нельзя описать релаксацию напряжения.

Уравнения (6.10) — (6.12) устанавливают связь между распорными усилиями, а также эластическим восстановлением резиновой смеси сразу после выхода из зазора валков каландра, вязкоупру-гими характеристиками, скоростью каландрования, начальной тол-

В соответствии с максвелловским механизмом накопления упругих деформаций, их релаксацией и эластическим восстановлением при снятии нагрузки, чем больше время релаксации, тем больше усадка. Каучуки и смеси на их основе в соответствии со склонностью к усадке при шприцевании могут быть расположены в следующий ряд: СКД^НК>БСК>СКИ>БК-

струи по сравнению с сечением насадки, называемое эластическим восстановлением или Бар-рус-эффектом [85, 173].

-Шприцевание и каландрование, особенности которых будут рассмотрены ниже, относятся к процессам профилирования резиновых смесей. Общим для них является направленное механическое воздействие на резиновую смесь, приводящее к ее деформированию и течению. При этом сформировавшиеся при смешении тиксотропные техуглерод-каучуковые структуры еще сохраняются при малых деформациях смеси и требуют для разрушения приложения аномально высоких напряжений сдвига, обусловливая возникновение пиковых нагрузок и дополнительные затраты мощности (рис. З.1.). Дальнейшее деформирование сопровождается спадом напряжения сдвига т и переходом системы к стационарному режиму течения. Все процессы формования проводят в условиях стационарного течения для получения заготовок заданного профиля. Однако при хранении заготовок тиксотропная структура восстанавливается, что в сочетании с чисто эластическим восстановлением формы обусловливает специфические свойства сформованных резиновых смесей и их вулканизатов. В соответствии с формулами (2.8) и (2.9) полная деформация смеси при механической обработке складывается из упругой, высокоэластической и пластической составляющих. Упругая (гуковская) часть деформации мгновенно восстанавливается после снятия нагрузок и не оказывает влияния на свойства заготовок. Пластическая составляющая обеспечивает течение'и формование смеси. Высокоэластическая деформация косит релаксационный характер, присуща всем методам формования резиновых смесей, но, как следует из рис. 3.S, имеет особую важность в процессах каландрования, протекающих в области нестационарного режима деформирования смесей (уу~10). После снятия внешних сил ориентированные макромолекулы стремятся вернуться в равновесное состояние под влиянием хаотического теплового движения молекулярных звеньев и молекулы каучука частично переходят к своей обычной клубкообразной форме. При этом наблюдается усадка, проявляющаяся в уменьшении ширины, длины и увеличении толщины заготовки без изменения ее объема. В соответствии с общими закономерностями релаксации наибольшая усадка происходит в первые минуты после формования и в основном заканчивается в момент выравнивания температуры смеси и окружающего воздуха. Величина усадки определяется каучуковой составляющей смеси; она тем выше, чем большее количество каучука указано в рецепте. Каучуки и, смеси на их основе по склонности к усадке при шприцевании могут быть расположены в следующий ряд: НК + БСК> СКД>НК> БСК> СКИ--3> БК- Усадка снижается при применении в рецепте высокоструктурных и малоактивных видов технического углерода, при ведении процесса на повышенных температурах и увеличении времени формующего воздействия на резиновую смесь.

Температурный коэффициент вязкости (кажущаяся энергия активации вязкого течения) расплавов волокнообразующих полимеров существенно зависит от степени аномалии вязкостных свойств: с уменьшением доли эластической деформации в процессе сдвигового течения снижаются значения АЕр- Так, для расплавов ПКА в области температур 543-553 К величина А.ЕР = 63-^64 кДж/моль, а в диапазоне 553-573 К она возрастает до 120-125 кДж/моль, т.е. почти вдвое. С увеличением молекулярной массы полимера значения \Ер существенно изменяются (рис. 4.16, а).

При определении теплостойкости можно пользоваться различными методами. Например, очень распространены методы Мартен-са, Вика. Теплостойкость определяют также по прогибу образца, лежащего на двух опорах. Однако все эти методы основаны на измерении условных величин и не обеспечивают возможности наблюдения за развитием упруго-эластической деформации и вязкого течения.

В основу таких методов положено измерение величины деформации при одноосном сжатии испытуемого материала. Изменение деформации в зависимости от температуры позволяет проследить развитие упругой, высокоэластической деформации и пластического течения материала. Однако этот вид деформирования позволяет получить только качественную оценку изменения свойств полимера под действием температуры, так как всегда присутствующие остаточные напряжения искажают измерения и затрудняют получение воспроизводимых результатов. Поэтому во многих случаях теплостойкость исследуют по изменению модуля упругости под действием температуры.

эластической деформации (развивающейся в вязком потоке полимера).

Большие деформации, развивающиеся в стеклообразных полимерах под влиянием больших напряжений, были названы вынужденно-эластическими, а само явление — вынужденной эластичностью. При вынужденно-эластической деформации не происходит смещения центров тяжести макромолекул друг относительно друга. Как и при высокоэластической деформации, изменение формы образца происходит за счет изменения конформаций макромолекул. Однако в отличие от высокоэластической деформации этот процесс при данной температуре практически необратим.

Уменьшение наклона кривой о = f(e) по мере увеличения степени растяжения связано с началом развития в образце вынужденно-эластической деформации. С возрастанием напряжения скорость вынужденно-эластической деформации быстро увеличивается. В точке максимума на кривой а = /(е) скорость вынужденно-эластической деформации становится равной скорости растяжения, задаваемой прибором. Напряжение, при котором это наблюдается, называют пределом вынужденной эластичности (ав). По достижении ав происходит резкое сужение образца — образование так называемой «шейки». При переходе в шейку полимер ориентируется и его свойства по сравнению со свойствами исходного материала существенно изменяются. Ориентированный материал обладает в стеклообразном состоянии более высокими значениями модуля упругости и предела вынужденной эластичности в направлении ориентации, чем изотропный материал. Когда при образовании «шейки» достигается степень вытяжки, обеспечивающая заметное возрастание ав, развитие вынужденно-эластической деформации в шейке резко замедляется. Процесс деформации продолжается у границ шейки, где сечение образца уменьшено, т. е. там, где напряжение повышено, а упрочнение еще мало. На пологом участке кривой растяжения (участок //) напряжение при удлинении остается практически постоянным. Поперечное сечение шейки изменяется мало, и удлинение образца происходит, главным образом, за счет вынужденной эластической деформации материала у границ шейки. Длина шейки при этом увеличивается. Растяжение с образованием шейки и дальнейшим ее распространением является особенностью твердых полимеров.

Мы видели, что перемещение сегментов в процессе вынужденно-эластической деформации происходит под действием напряжения, а не в процессе теплового перемещения, поскольку таковое в стеклообразном состоянии отсутствует. Однако определенный запас тепловой энергии в полимере имеется и при Т<.ТС. С ростом температуры в области ниже Тс запас тепловой энергии сегментов увеличивается и требуется все меньше внешней механической энергии для перемещения сегментов и развития вынужденно-эластической деформации. Поэтому предел вынужденной эластичности уменьшается с ростом Т. Формы кривой о—е при разных температурах приведены на рис. 10.5. При понижении температуры не только увеличивается предел вынужденной эластичности, но и сама кривая вырождается, становится неполной. Разрушение образца может произойти даже раньше, чем достигнут предел вынужденной эластичности от. При 0<от разрушение, естественно, происходит при очень малых деформациях (доли процента), а это означает, что полимер при низких температурах ведет себя как хрупкий, не

Если рассматривать деформацию стеклообразного полимера с точки зрения зависимости (10.1), то можно сделать вывод,, что в точке стеклования энергетический барьер U на пути перемещения сегмента столь велик, что процесс этот становится невозможным. Если под действием внешнего напряжения все-таки перемещения реализуются, что приводит к вынужденно-эластической деформации, это означает, что под действием деформирующей силы энергетический барьер стал меньше. Можно сказать, что энергия активации U является функцией напряжения U=Uo(e)-Ее можно выразить следующим образом: U=U0—ао. Теперь можно изменить выражение (10.1) и получить формулу Александрова—Гуревича:

Для стеклообразных полимеров особенно важна способность выдерживать длительное действие внешней силы (нагрузки) при сохранении размеров в заданных пределах. Это определяется величиной и закономерностями ползучести. На рис. 10.6 показаны кривые ползучести полистирола при разных нагрузках. Видно, что при нагружении мгновенно увеличивается длина образца за счет развития упругой деформации (деформация пружины). Далее развивается замедленная упругость, качественно аналогичная развитию высокоэластической деформации (элемент Кельвина — Фойх-та). Эта замедленная упругость характеризует развитие вынужденно-эластической деформации. Далее возможны два случая: либо деформация перестает увеличиваться после достижения определенной величины, либо она развивается непрерывно. В первом случае мы говорим, что имеет место затухающая ползучесть, во втором случае—незатухающая ползучесть. Последняя развивается как за счет истинно необратимой, так и за счет замедленной вынужденно-эластической деформации без образования шейки. Полимер может применяться как конструкционный материал только в том случае, если под действием заданной нагрузки в нем развивается затуха-

этом значительная вынужденно-эластическая деформация не исчезает в стеклообразном полимере после снятия нагрузки, хотя и обусловлена развертыванием молекулярных клубков под действием внешнего деформирующего усилия. Охлаждение полимера да температуры ниже Тс может привести и к потере способности к вынужденно-эластической деформации — полимер перейдет в хрупкое состояние. Существенно важной чертой полимерных стекол является то, что и при Т<.ТС в них самопроизвольно происходят релаксационные переходы, связанные с перемещением молекулярных группировок, меньших, чем размер сегмента. Это приводит к ди^сипа-ции энергии, в том числе и энергии удара, и делает полимерны^ стекла существенно более стойкими к удару по сравнению с низкомолекулярными силикатными стеклами.

Надо постоянно помнить, что и в вязкотекучем состоянии некоторая доля деформации полимера является обратимой. В общей величине деформации в вязкотекучем состоянии доля обратимой высокоэластической деформации может быть значительной.

Электронов принадлежащих Электронов значительно Электроно акцепторного Элементарных процессов Элементов периодической Элементов симметрии Элиминирования протекают Эмпирическая зависимость Эффективного разделения