Ударная прочность полимеров

Разнообразные способы механического воздействия, приводящие к разрушению полимерного материала, можно отнести к трем типичным случаям:

- ударные воздействия,

- длительные воздействия при постоянной нагрузке,

- периодические воздействия.

Ударное воздействие означает деформирование тела с большой скоростью. Если эта скорость превышает скорость распространения упругой деформации (скорость звука), то образец разрушается в месте приложения нагрузки, если не превышает, то образец разрушается по всему объему по механизму хрупкого разрушения. Пластическая деформация до разрушения Образца не успевает развиться в сколько-нибудь значительной степени.

Сопротивление полимеров ударным нагрузкам характеризуется так называемой ударной вязкостью, величина которой, выражаемая в Дж/м², численно равна работе разрушения ΔА, отнесенной к единице площади поперечного сечения образца S:

(33)

где а - ударная вязкость; S = b • h (b - ширина, h - толщина образца). Поскольку работа разрушения выражается интегралом напряжений по деформациям, то

(34)

где σ_р, ε_р - предельные напряжение и деформация образца при его разрушении, 0,5 < с < 1 - постоянная. Ударная вязкость определяется как прочностными (σ_р), так и деформационными (ε_р) характеристиками материала.

Ударную вязкость полимеров наиболее часто определяют, используя для разрушения образца кинетическую энергию маятника (рис. 32). Из схемы, приведенной на рис. 32, видно, что в исходном положении маятник массой M, плечом l₀ обладает запасом потенциальной энергии, равной:

(35)

После разрушения образца и подъема маятника на угол Θ, энергия равна

(36)

следовательно, энергия, затраченная на разрушение, составляет:

(37)

Если сравнить ударную прочность различных полимеров с их структурой и свойствами, то можно сделать два вывода.

1. Полимеры с высокой ударной вязкостью имеют большие механические потери при низких температурах. К таким полимерам относятся полиэтилен, полиметиленоксид, поликарбонат, политетрафторэтилен, полибутадиен. Как было показано ранее, механические потери обусловлены релаксационными явлениями в полимерах, следовательно, отмеченная выше тенденция связана с частичной затратой энергии удара на перемещение сегментов макромолекул и ее рассеиванием в виде энергии в форме теплоты, выделяющейся при трении сегментов.

Рис.32 Схема разработки маятникового копра при изменении ударной прочности; l0, M – длина и масса маятника, m – образец.

2. Смеси полимеров во многих случаях имеют существенно большую ударную вязкость по сравнению с гомополимерами.

Смесевые композиции широко используются на практике, наиболее известным из них является ударопрочный полистирол и ударопрочный АБС - пластик. В первом случае в жесткой матрице полистирола распределены частицы каучука размером несколько микрон, во втором - жесткой матрицей является сополимер стирола с акрилонитрилом, эластичной фазой - диеновый каучук, к которому привиты цепи сополимера акрилонитрил - стирол.

Основными причинами повышенной ударной вязкости смесевых композиций являются деформация частиц эластомера и образование вокруг них трещин серебра во время удара. На то и другое расходуется значительная часть энергии удара, что предотвращает разрушение образца.