Деформация аморфных полимеров под воздействием температурных изменений и механического давления
В ходе исследований для определения первичной оценки в качестве объекта изучения выступают порошкообразные полимеры. При этом порошок подвергается сжатию, поскольку в искусственно созданной среде вещество в обычном состоянии не помещается в специальную ячейку. При этом учитывается тот факт, что полимерный порошок выступает лишь основой готового вещества. Поэтому первичной оценке поддается вещество, находящееся под пуансоном. В итоге исследований получается кривая термомеханических нагрузок на порошок полимера. С физической точки зрения порошок не всегда представляется возможным уложить в ячейку максимально плотно. К тому же, в нем могут присутствовать следы растворителя или продуктов распада после химических реакций. Эти факты свидетельствуют о том, что форма термомеханической кривой может быть неидеальной и иметь некоторый процент искаженности, что в значительной степени влияет на результат проводимых исследований. Следовательно, изучение деформации полимеров с использованием порошкообразной основы в виде опытного образца не дает объективной оценки и носит общий характер.
Нередки случаи, когда термодинамическая кривая в ходе исследований принимает классический вид. Однако наличие трех участков далеко не всегда является прямым доказательством, что полимер может иметь полноценные фазные переходы и преобразовываться во все три агрегатные состояния под воздействием увеличенной или пониженной температуры. У возрастания деформации полимера, находящегося в виде порошка, может быть другая причина, а именно – побочные обстоятельства. Поэтому при анализе термомеханической кривой эксперты обращают внимание, в первую очередь, на ее последнюю ветвь. Если она располагается в температурном диапазоне, в котором по ряду причин термоокислительная деструкция не может проходить достаточно глубоко, специалисты делают выводы о течении полимеров. В подтверждение выясненному факту о развитии большой деформации под действием течения (с исключением причины глубокой деструкции полимера) параллельно проводится термогравиметрический анализ. Результатом исследования будет новая кривая с термогравиметрическими показателями. Особенно важно проводить такой анализ, когда объектом изучения выступает теплостойкий полимер. Для таких материалов температурный диапазон, позволяющий создать максимальные условия для развития больших деформаций, составляет от 600 до 800 градусов. В случаях с термостойкими полимерам трудно определить, что стало реальной причиной большой деформации – термическая деструкция или течение полимера.
Не менее важно учитывать и тот факт, что при создании термомеханического напряжения полимерные соединения могут подвергаться не только деструкции, но и структурированию. В результате последнего в веществе образуются поперечные связи между цепями полимера. Если в полимере начинается структуризация, его течение приостанавливается, а на термомеханической кривой образуется область, по форме напоминающая высокоэластичное состояние линейных полимеров. Однако наличие этой области не может являться прямым доказательством того, что вещество пребывает в высокоэластичной фазе.
Если подтвержден факт наличия большой деформации, вызванной именно течением полимера, следующим этапом исследования должно стать преобразование вещества в монолитный опытный образец. Такой эффект может быть достигнут путем горячего прессования. После получения необходимой консистенции состава полимер проходит вторичный этап термомеханического воздействия. При совпадении форм термомеханических кривых порошкообразного и монолитного полимеров делается вывод о несущественности химических изменений. Остается только удостовериться, что последняя ветвь кривых отражает способность полимера переходить в высокоэластическое состояние без наличия побочных причин.
Высокоэластическая деформация обнаруживается в случаях, когда выявляется полное восстановление после сильной деформации. Эта способность должна проявляться даже при малых термомеханических нагрузках. Если термомеханическая кривая указывает на высокоэластическое состояние, необходимо удостовериться, что в данном диапазоне температур полимер будет демонстрировать полное восстановление после больших деформаций. Для этого вещество подвергают неоднократному воздействию с постоянным увеличением напряжения. Об обратимости можно говорить с полной уверенностью только тогда, когда полимер при увеличении нагрузки восстанавливается с большей скоростью. Зная все показатели нагрузки, можно рассчитать модуль эластичности по формуле деления добавочной нагрузки на приращение деформации. Формула выглядит так: Еэл = Да/Де.
Если по результатам расчета модуль эластичности находится в пределах 1 Мпа, делается вывод, что вещество находится в высокоэластической фазе. Следует помнить, что значение модуля эластичности жесткоцепных полимеров существенно превышает вышеуказанный показатель (до 10 Мпа). Для таких полимеров также крайне важно проверить результат в зоне плато. Итогом такого анализа может стать тот факт, что часть деформаций будут носить обратимый характер, а после некоторых изменений полимер больше не восстановится. Это говорит о ложности рассуждений о высокоэластичности испытуемого образца.
Все вышесказанное истинно, если речь идет об испытаниях, проводимых с использованием метода растягивающего напряжения. Дело в том, что при растяжении четко видно, что побочные причины не могут вызывать обратимую деформацию, чего не скажешь о сжатии. Поэтому при проведении исследований с применением данной методики необходимо только убедиться в том. Что последняя ветвь термомеханической кривой действительно свидетельствует о высокоэластическом состоянии. Проверка осуществляется по аналогии с вышеописанным вариантом, при котором вещество неоднократно подвергается нарастающим с каждым разом нагрузкам. Если после деформации полимер полностью восстанавливает исходную форму, значит речь идет о высокоэластичности.
Следует понимать, что при растяжении должен поддерживаться постоянный уровень напряжения. Эта необходимость создает ряд трудностей, возникающих в ходе выполнения эксперимента. При деформации резко сокращается размер поперечного сечения, что влечет за собой возрастание напряжения. Чтобы устранить данный эффект нагрузка на вещество передается с помощью рычажного приспособления с переменным плечом. Уменьшаясь, плечо сокращает нагрузку, вследствие чего его уровень постоянно остается на необходимом уровне. Если установлено, что деформация обратима при растяжении и должном уровне напряжения, есть смысл утверждать о высокоэластичности полимера. Температурная точка перехода в данное состояние также рассчитывается опытным путем, который был описан выше.