Деформационные и электрические свойства полимеров

ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ

Важнейшими из деформационных свойств являются упругость и эластичность (высокоэластичность), т.е. способность тела восстанавливать форму и размеры после прекращения действия внешних сил. Эти понятия не равнозначны!

Упругость - это деформации, развивающиеся в полимере со скоростью звука, т.е. мгновенно.

Эластичность - это высокоэластические деформации, запаздывающие во времени.

Количественно упругость и эластичность оцениваются модулем упругости E (модуль Юнга), определяемым согласно закону Гука:

где s - механическое напряжение, МН/м² (МПа); e - относительная деформация, %.

Полимеры, находящиеся при н.у. в стеклообразном состоянии, способны развивать незначительные деформации под действием небольших напряжений (Е» 10³ МПа, а для каучуков Е = 1-10 МПа). Модуль упругости характеризует устойчивость полимера к изменению размера и формы под действием внешней силы, с этой точки зрения полимеры делятся на жесткие с Е>10³ МПа и мягкие с Е<10² МПа.

До температуры хрупкости гибкость цепи полимера низка, он как и низкомолекулярные твердые соединения развивает упругую деформацию. П ри действии же больших механических напряжений на стеклообразный полимер сегменты его макромолекул приобретают определенную подвижность и полимер становится способен к больших обратимых деформаций (явление вынужденной эластичности).

Таким образом, температуру хрупкости можно охарактеризовать как температуру, выше которой в полимере развивается вынужденная эластичность.

Полимеры, находящиеся в высокоэластическом состоянии (каучуки или эластомеры), развивают очень большие обратимые деформации под действием небольших приложенных напряжений. Это объясняется тем, что происходит распрямление свернутых гибких цепей под влиянием приложенных нагрузок и возвращении цепей к первоначальной форме после снятия нагрузок.

ПЛАСТИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ

Полимеры с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластическое состояние называются эластомерами, с высокой - пластиками.

Полимеры (как твердые материалы) можно использовать в интервале Т_хр. - Т_ст., т.е. в стеклообразном состоянии - при любой другой температуре они либо хрупко разрушаются, либо текут. Физико-механические характеристики полимеров во многом определяются значением межмолекулярного взаимодействия и характером надмолекулярных структур. Увеличения подвижности структурных элементов макромолекулы можно добиться с помощью пластификации.

Под пластификацией понимают один из способов модификации полимеров, связанной с введением в них низкомолекулярных веществ, в результате чего снижаются Т_с и Т_т, улучшаются его эластические и пластические свойства. Пластификаторы могут вводиться в мономерную смесь перед синтезом полимера или в готовый полимер, находящийся в дисперсном состоянии (латексы), растворе или расплаве.

Часто эффективными пластификаторами оказываются вещества, имеющие малое термодинамическое сродство к полимеру или практически несовместимые с ним. Характерной особенностью таких пластификаторов является их высокая эффективность при использовании в малых количествах. Например, добавка 0.05% касторового масла снижает Т_с нитрата целлюлозы на 80°. Это типичный случай структурной пластификации, когда пластификатор сорбируется в областях, разделяющих элементы надмолекулярной структуры, т.е. играет роль смазки, повышающей их подвижность.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ

По электрическим свойствам полимеры можно разделить на электропроводящие материалы (r = 10³...10^-3 Ом см), полупроводники (r = 10³-10⁸ Ом см) или диэлектрики (r > 10⁸ Ом см).

К диэлектрикам относят большинство как полярных, так и неполярных полимеров. Полярные диэлектрики содержат электрические диполи, способные к переориентации во внешнем электрическом поле.

К полупроводникам относят полимеры с системой сопряженных связей или системой конденсированных ароматических циклов. Характерная особенность таких полимеров - наличие парамагнитных центров, определяемых с помощью метода ЭПР. Для их электрических свойств характерны: электронная проводимость, фотоэлектрический эффект, уменьшение проводимости с повышением температуры. Практическое использование таких полимеров - это создание материалов с антистатическими свойствами, фотоэлектрических датчиков и т.д.

Электропроводящие полимерные материалы представляют собой диэлектрики с введенными в них тонкодисперсными электропроводящими наполнителями (тонкодисперсные медь, серебро, сажа, графит - до 50%). Такие материалы используют для нагревательных элементов, гибких проводников (например, в клавиатурах калькуляторов) и т.д.

МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПОЛИМЕРОВ

Модифицирование полимеров - это направленное изменение физико-химических, механических или химических свойств полимеров. Условно можно выделить:

- структурное - модифицирование физико-механических свойств без изменения химического состава полимера и его молекулярной массы. В основе этого метода лежит многообразие сосуществующих в полимере структурных (надмолекуляных) форм и взаимосвязь их морфологии с условиями формирования полимерной матрицы (тела), например, изменением надмолекулярной структуры полимера путем ориентации, при которой возникает структурная анизотропия. Другой пример, вспенивание полимеров с образованием пенопластов;

- композиционное - осуществляемое введением в полимер способных взаимодействовать с ним веществ, в том числе и высокомолекулярных (пластификация, стабилизация, наполнение);

- химическое - воздействие на полимер химических или физических агентов (излучения высоких энергий), сопровождающееся изменением химического состава полимера и его ММ (ММР), а также введение на стадии синтеза небольшого количества вещества, вступающего с основным мономером в сополимеризацию или сополиконденсацию. Подробнее в разделе, касающемся химических превращений полимеров.

Полимер	Механическое напряжение s, МН/м^2(МПа)	Относительная деформация e, %	Модуль упругости (Юнга) Е, МН/м^2(МПа)	Физическое состояние
Полистирол	30-70	1.5		стеклообразное
Полиметилметакрилат				стеклообразное
Полиэтилентерефталат пленка волокно(лавсан)				кристаллическое кристаллическое
Полиэтилен низкой плотности высокой плотности	12-16 22-30	100-600 200-900	150-250 550-800	кристаллическое кристаллическое
Натуральный каучук (резина)				высокоэластич.
Железо	-	-	20000-22000	кристаллическое
Медь	-	-		кристаллическое
Газ (н.у.)	-	-	0.01	-

Дата добавления: 2015-09-07