Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Материаловедение. Курдюкова..doc
Скачиваний:
44
Добавлен:
24.03.2015
Размер:
126.98 Кб
Скачать

Министерство образования РФ

Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова

Кафедра химии и физики полимеров и полимерных материалов

Реферат

Выполнил:

Студент Курдюкова А.С.

Группа ХТ-302

Преподаватель Соколова Л. В.

Москва 2012

  1. Введение

Высокомолекулярные соединения состоят из больших молекул, молекулярная масса которых превышает несколько тысяч. В большинстве случаев высокомолекулярные соединения являются полимерами — веществами, молекулы которых состоят из многократно повторяющихся структурных единиц. Некоторые природные полимеры проявляют биологическую активность и называются биополимерами.

Полимеры и высокомолекулярные соединения получают из природных источников и синтезируют искусственным образом. К природным веществам высокомолекулярной природы, которые используются для изготовления таких материалов, как кожа, меха, ткани, пленки, резина, относятся производные белковых веществ, целлюлозы, лигнина, натуральный каучук, гуттаперча. Основой полимеров растительного происхожения является целлюлоза.

Полимеры в настоящее время относятся к наиболее важным и перспективным конструкционным материалам, успешно применяемым в различных областях науки и техники. В последнее время темпы роста производства полимерных материалов непрерывно увеличниваются. Наибольшее значение для производства полимерных изделий как технического, так и бытового назначения имеют материалы на основе синтетических полимеров, промышленное производство которых достигло значительных объемов и постоянно расширяется. С ростом производства и потребления полимеров одновременно возникает проблема рационального использования и уничтожения отслуживших полимерных изделий.

  1. Почему полимеры способны к обратимым деформациям

Способность обратимо деформироваться на десятки и сотни процентов является уникальным свойством высокополимеров. Полимеры, находящиеся в высокоэластичном состоянии, способны к высокоэластической деформации — такие полимеры называют эластомерами (каучуками).

Деформирование — единственный способ оценить уровень механических свойств любого материала, в том числе и полимера. Иногда деформирование позволяет оценить структуру материала.

Виды деформации:

  • растяжение (вид продольной деформации, возникающий в том случае, если нагрузка прикладывается по продольной оси. При растяжении обычно определяют степень растяжения, относительное удлиннение, мгновенное удлиннение);

  • сдвиг (вид продольной деформации, возникающий в том случае, если сила прикладывается касательно поверхности);

  • объемное сжатие.

Цепное строение макромолекул и наличие флуктуационной сетки обуславливают наиболее фундаментальную особенность механического поведения полимеров — вязкоэластичность.

В макромолекулах вращение вокруг каждой простой связи является заторможенным и складывается из ряда колебаний. Вся совокупность перемещений приведет к тому, что макромолекула в результате теплового движения располагается в пространстве не прямолинейно, как жесткий стержень, а криволинейно, причем искривление может происходить в разных направлениях и меняться во времени. Важная особенность макромолекул - они обладают гибкостью. При большом числе атомов в молекуле в результате теплового движения она не просто искривляется, а сворачивается и образует молекулярный клубок ; этот клубок очень рыхлый. Если под влиянием внешних условий изменить форму клубка, вытянуть его, то после удаления приложенной силы он в процессе теплового движения снова вернется к прежней форме, Которая является статистически наиболее вероятной.

Макромолекулярный клубок в изолированном состоянии «почти пустой» — в нем только 1—3% объема занимает полимер. В массе полимера свободный объем внутри молекулярного клубка занимают элементы соседних молекул. Возникает довольно своеобразная надмолекулярная структура полимера: макромолекулы в нем хаотически перепутаны, но при этом в основном сохраняют форму клубков, в то же время части макромолекул— их сегменты — образуют структуру, подобную структуре низкомолекулярной жидкости с наличием довольно протяженных микрообъемов ближнего порядка. Высокая гибкость макромолекул обеспечивает не только определенную надмолекулярную структуру, но и достаточную среднюю плотность упаковки сегментов, малый свободный объем, так что полимер, подобно низкомолекулярной жидкости, имеет совершенно незначительную объемную сжимаемость.

Принципиально важным признаком, отличающим надмолекулярную структуру полимера от надмолекулярной структуры жидкости, является взаимосвязанность всех флуктуации плотности. Это обусловлено тем, что одна и та же макромолекула проходит через несколько уплотненных микрообъемов. Такие молекулы называют проходными. Ассоциация сегментов в микрообъеме обеспечивает повышенное межмолекулярное взаимодействие и сегменты оказываются как бы «склеенными» друг с другом. Возникает своеобразная пространственная сетка, узлы которой образованы межмолекулярными связями в ассоциатах. Наряду с ассоциатами существуют и другие узлы пространственной сетки, образованные переплетением макромолекул, которое неизбежно, если длина молекул значительна. Под действием теплового движения, и особенно при одновременном действии механического напряжения, узлы сетки могут распадаться в одном месте и возникать в другом. Поэтому описанный выше характерный тип надмолекулярной структуры полимера называют флуктуационной сеткой.

При приложении к полимеру внешней деформирующей силы деформация развивается в зависимости от времени действия этой силы. В начале действия силы перемещаются сегменты, не входящие в состав узлов сетки. Это подтверждается приведенными выше значениями времени оседлой жизни сегментов, не входящих в узлы сетки (малые доли секунды). В результате перемещения этих «свободных» сегментов клубкообразная форма макромолекул, характерная для исходного равновесного состояния, искажается, макромолекулярные клубки оказываются вытянутыми в направлении действия силы. Время оседлой жизни «связанных» сегментов, т. е. входящих в узлы сетки, более велико; это значит, что они вначале не распадаются и целостность структуры флуктуационной сетки сохраняется. Если снять деформирующую силу, то сегменты возвратятся в исходное состояние. Таким образом деформация, возникающая при малом времени действия силы, оказывается обратимой. Это эластическая деформация.

Продолжительность оседлой жизни сегментов характеризуется набором времен разной величины. Это принципиально важно и обусловлено тем, что узлы сетки построены по-разному. Интенсивность взаимодействия сегментов в них различна, поэтому как сегменты, входящие в состав узлов, так и «свободные» сегменты взаимодействуют друг с другом неодинаково. Широкий интервал интенсивностей межмолекулярного взаимодействия как «свободных», так и «связанных» сегментов приводит к тому, что по времени не существует четкой границы между моментом окончания эластической и моментом перехода к исключительно вязкой деформации. Одновременно с перемещением более прочно связанных «свободных» сегментов начинается распад слабых узлов флуктуационной сетки. Таким образом, сначала более заметной неодратимая деформация, хотя на самом деле оба вида деформации развиваются одновременно. Сначала сегменты, а затем и макромолекулы перемещаются в вязкой среде. Такая деформация получила название вязкоэластическои или вязкоупругой.

Скорость перемещения сегментов в числе прочих факторов зависит от их размеров, а величина упругой деформации — от числа сегментов в макромолекуле, то есть от гибкости цепи.

Два важных обстоятельства отличают вязкоупругость полимеров от вязкоупругости низкомолекулярных тел. Во-первых, масштаб времени. Для обнаружения упругости воды нужна очень большая скорость действия силы, для обнаружения вязкой деформации льда нужно очень большое время. Полимеры обнаруживают вязкоупругую деформацию при обычных временах действия силы. Во-вторых, масштаб упругой деформаций. Упругая деформация до разрушения в низкомолекулярных телах составляет доли процента или несколько процентов. В полимерах упругая (эластическая) деформация может составлять десятки, сотни, а то и тысячи процентов.

П

Термомеханическая кривая

еремещение сегментов под действием силы приводит к росту деформации полимера за счет деформации клубков — их удлинению в направлении действия силы. Деформированные клубки постоянно стремяться вернуться в прежнее недеформированное состояние, что выражается в возникновении напряжения, противодействующего деформирующему усилию. Когда обе эти силы уравновесят друг друга, деформация прекратится. На термомеханической кривой появляется плато, характеризуемое предельной для данного напряжения деформацией макромолекулярных клубков и флуктуационной сетки в целом.

При некоторой степени полимеризации, когда совершается переход от олигомера к полимеру, наблюдается возникновение нового качества — упругости. Лишь при дальнейшем повышении температуры, когда тепловое движение сегмента становится гораздо более интенсивным, помимо упругой деформации возникает необратимая деформация, вызванная перемещением клубков относительно друг друга под действием деформационного усилия. С ростом температуры необратимая деформация нарастает все быстрее и становится преобладающей по сравнению с упругой деформацией (второй перегиб на термомеханической кривой). Чем больше молекулярная масса макромолекул, тем большая температура требуется для возникновения значительных необратимых деформаций (при переходе к высокомолекулярным полимергомологам точка перегиба в правой части плато смещается в область все более высоких температур).

Физическое состояние, которое соответствует области плато, называют высокоэластическим состоянием, а само плато называют плато высокоэластичности.

Упругую деформацию, возникающую при деформации молекулярных клубков, называют высосоэластической деформацией, чтобы подчеркнуть ее специфику по сравнению с упругой деформацией других твердых тел.