Эксплуатационные свойства полистирола

1.4. Эксплуатационные свойства полистирола

 

Механические свойства полистирола зависят в некоторых пределах от степени его полимеризации. Низкомолекулярные полимеры чрезвычайно хрупки и имеют малую прочность при растяжении. По мере увеличения молекулярной массы возрастает прочность, уменьшается хрупкость и повышается температура размягчения. Однако выше определенной степени полимеризации (соответствующей среднемасовой молекулярной массе – 100000) механические свойства уже мало изменяются (таблица 1).

 

Таблица 1 – Свойства полистирола [1].

Показатель

Значение

Плотность, г/см³

1,05 - 1,06

Предел прочности, МПа

 

                      при растяжении

35-60

                      при изгибе

56-133

                      при сжатии

80-112

Модуль упругости, ГПа

 

                      при растяжении

2,8-3,5

                      при изгибе

2,8-3,5

                      при сжатии

2,1-3,9

Удельная ударная вязкость, кДж/м²

12-20

Коэффициент теплопроводности, ккал/м ч град

0,08-0,12

Удельная теплоемкость, кал/кг град

0,32

Коэффициент линейного расширения, 1/К

(6-8)10^-5

Рабочая температура при длительной работе,⁰С

70-75

 

Деформационно-прочностные свойства в стеклообразном состоянии

 

Деформационно-прочностные свойства стеклообразных полистиролов на рисунке 13 представлены в виде схемы, отражающей два предельных случая их поведения при одноосном растяжении.

Рисунок 13 - Зависимость напряжений от деформации при хрупком (Ос) и вынужденном высокоэластическом (Оаb) поведении стеклообразного полимера [1].

 

Первый — линия Оаb отражает способность полимера к развитию больших деформаций и характеризуется термином «пластичность» материала; она проходит в области вынужденно-высокоэластического состояния полистирола. Второй — линия Ос — это модель хрупкого разрушения образца при малых деформациях. Точка а на кривой Оаb отвечает так называемому пределу текучести, когда при деформации ɛ* начинается образование шейки, происходящее при постоянном напряжении σ*. Если прекратить растяжение в какой-либо точке на участке аb, то упругое восстановление произойдет только на малую величину ɛ*. Это обстоятельство, а также сама форма кривой Оаb дают формальное основание трактовать поведение материала, представляемое этой схемой, как упруго-пластическое, что объясняет частое использование для описания его таких терминов, как «предел текучести» , «пластические деформации», и предполагает трактовку участка аb на деформационной кривой, отвечающего развитию больших деформаций, как «течение» полимера. В действительности, употребляя эти термины, следует учитывать их условность, так как образование шейки, по своему физическому механизму представляющее собой переход из неориентированного в ориентированное состояние полимера, обусловлено полностью обратимыми («вынужденно-эластическими») деформациями.

Деформации полимера делятся на обратимые и необратимые (остаточные). При обратимой деформации после устранения внешних сил полностью восстанавливается первоначальная форма тела; материалы, которые ведут себя подобным образом, называются упругими или эластичными, а их деформация — упругой или эластичной. При остаточной деформации вновь приобретенная форма сохраняется после прекращения действия внешних сил (пластические тела и пластическая деформация). Нередко наблюдаются одновременно оба вида деформации, т. е. после снятия внешнего воздействия первоначальная форма тела восстанавливается не полностью — процесс носит частично обратимый характер При наличии достаточно больших сил и температур упругая деформация может переходить в пластическую. Этим явлением широко пользуются для формования различных изделий [4].

Эффект, вызванный внешними силами (нагрузкой), зависит не только от их величины, но также и от их направления и поперечного сечения деформируемого образца. Поэтому обычно связывают внешнее воздействие на тело не с самими силами, а с напряжением σ, представляющим собой отношение силы F к поперечному' сечению А образца:

Силы и напряжения делятся на нормальные, направленные перпендикулярно к сечению образца, и тангенциальные, приложенные по касательной. Различные направления действия сил и напряжений на тело показаны на рисунке 16 [3].

Рисунок 16 - Различные направления действия сил и напряжений на тел [4].

 

Изучение строения и молекулярной массы полимеров показало, что макромолекула представляет собой длинную цепь, состоящую из сотен и тысяч мономерных звеньев. Казалось бы, что такие макромолекулы должны обладать исключительно большой асимметрией, а длина их должна превышать поперечные размеры в сотни и, тысячи раз. Вместе с тем экспериментальное исследование полимерной молекулы рядом таких независимых мето­дов, как измерение дипольных моментов, изучение диффузии и динамического двойного лучепреломления, рентгено-  и электронографические методы и т. д., показало, что отношение длины к поперечным размерам макромолекулы составляет величину порядка десяти, т. е. во много раз меньше, чем следовало ожидать на основании представления о растянутых цепях.

Такая степень асимметрии гораздо лучше согласовывается с формой несколько вытянутого эллипсоида, что возможно только в том случае, если макромолекула гибкая и способна сворачиваться в клубок. На самом деле, молекула полимера, обладая поперечными размерами в несколько ангстрем и длиной в несколько тысяч таких единиц, эквивалентна по гибкости проволоке диаметром в 0,1 мм и длиной в несколько сот миллиметров. В этом отношении переход от низкомолекулярного соединения к высокомолекулярному напоминает замену коротких жестких кусочков проволоки длинными и гибкими отрезками [4].

Полистирол растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах, сложных эфирах, кетонах, сероуглероде и пиридине. Нерастворим он в алифатических углеводородах, низших спиртах, эфире, феноле, уксусной кислоте и воде. Растворяющую способность можно оценить по вязкости растворов, набуханию, растворимости и др.

 При повышении температуры снижается предел прочности при растяжении. Относительное удлинение начинает резко возрастать после 80⁰С. Выше этой температуры полистирол становится мягким, каучукоподобным и липким, следовательно, его можно использовать лишь при температурах ниже 80⁰С. Модуль упругости, характеризующий жесткость материала, довольно высок и составляет при растяжении в среднем 3,3 × 10⁴ МПа. С возрастанием температуры он падает и выше 80⁰C снижается почти до 0.

Прочность полистирола на удар относительно низка, что свидетельствует о хрупкости материала. Повышение температуры до 80⁰С (температуры стеклования) почти не изменяет значения удельной ударной вязкости. Надрез образца резко снижает прочность на удар.

В нормальном состоянии, до приложения механической нагрузки, частицы полимера находятся в состоянии равновесия на расстоянии r₀ друг от друга (рисунок .9) При этом силы притяжения и отталкивания взаимно уравновешены, и потенциальная энергия W имеет минимальное значение. Приложение внешнего усилия приводит к возрастанию этой энергии. Зависимость между W и междучастичным расстоянием r для любого вида связи можно выразить полуэмпирическим уравнением Морзе:

где Eд — энергия диссоциации связи; b — постоянная для данной связи.

 

Сила, возникающая при приложении растягивающего напряже­ния и сопротивляющаяся ему, находится дифференцированием W по r:

В соответствии с этим уравнением σ растет с увеличением r и, достигнув максимума σ_Макс, отвечающего г_макс, быстро падает, как показано на рисунке 14.

Рисунок 14 - Зависимость потенциальной энергии (W) и прочности( σ) от

межчастичного расстояния (r) [4].

 

Дифференцируя (1) по r и приравнивая полученное выражение к нулю, находим г_мак0 ; после подстановки вычисленного значения r_макc в исходное уравне­ние получаем:

Так как энергия диссоциации Е_д может быть найдена по теплотам сгорания, а константа b — из оптических данных, расчет не вызывает особых затруднений. Если из рентгеноскопических данных еще известен и характер упаковки цепей полимера и, следовательно, их количество, приходящееся на единицу поперечного сечения образца, то можно определить σ_теор.

Физико-механические свойства ПС зависят от метода его получения, молекулярного веса, полидисперсности и некоторых других факторов. В большей мере эти свойства зависят от температуры, при которой проводятся испытания, причем, с повышением температуры все прочностные характеристики материала снижаются. Особенно заметны эти изменения после достижения температуры стеклования.

В таблице 2 приведены основные физико-механические свойства ПС при комнатной температуре [1].

 

Таблица 2 – Общие физико-механические свойства полистирола при комнатной температуре [1].