Упругость и высокоэластичность (эластичность) полимеров

Упругость и высокоэластичность (эластичность) полимеров  —  это свойства полимерного тела восстанавливать свою форму и размеры после прекращения действия внешних сил. В узком смысле под «упругими» часто имеют в виду только мгновенно-упругие (точнее, происходящие со скоростью звука) деформации, которым отвечают модули упругости порядка 10³—10⁵ Мн/м² (10⁴—10⁶ кгс/см²). Для запаздывающих механически обратимых деформаций, которым соответствуют существенно меньшие модули упругости:

• 1—10 Мн/м² — для наполненных резин,
• 0,1 —10 Мн/м²  — для типичных «мягких» резин,
• 10^-4— 0,1 Мн/м²  — для пластифицированных резин и гелей,

— обычно употребляют термин «высокоэластические», относя его и к малым деформациям этих тел.

При равновесном деформировании упругих тел вся работа внешних сил обратимо запасается в материале, и в соотношения между напряжениями и деформациями не входит временной фактор. В линейной области механического поведения упругого тела компоненты тензора деформаций ε_rs выражаются как линейные комбинации компонент тензора напряжений σ_ik: ε_rs = ∑b_rsik σ_ik и наоборот: σ_ik = ∑a_ikrs ε_rs.  В этих соотношениях коэффициенты пропорциональности а_ikrs называются модулями упругости, коэффициенты b_rsik— податливостями. Для анизотропного тела независимыми могут быть только 21 коэффициент, для изотропного сжимаемого тела число характеризующих его параметров понижается до двух, для изотропного несжимаемого тела — до одного. При одноосном растяжении линейного упругого тела связь между относительным удлинением ε и растягивающим напряжением σ задается законом Гука:

 σ = Еε, где Е — модуль Юнга.

Аналогично определяется модуль упругости при сдвиге и модуль всестороннего сжатия. Для нелинейного упругого тела связь между компонентами тензоров напряжений и деформаций задается нелинейными соотношениями произвольного строения, причем в общем случае может утрачиваться даже однозначность этих соотношений.

Мгновенно-упругие деформации полимеров обусловлены небольшими взаимными смещениями атомов, приводящими к изменению расстояний между валентно не связанными атомами и валентных углов. Высокоэластические  деформации, будучи формально аналогичными  упругим, отличаются от них специфически «полимерным» механизмом: они связаны с перемещением отдельных участков макромолекул, приводящим к изменениям их конформаций. Поэтому высокоэластические  деформации приводят к изменениям энтропии системы, обычно составляющим определяющую часть изменений свободной энергии тела при деформировании, тогда как мгновенно-упругие деформации сопровождаются изменением только внутренней энергии.

Развитие больших высокоэластических деформаций происходит в нелинейной области механического поведения тела.

Однако и в этом случае для характеристики сопротивления тела деформированию используют термин модуль упругости (или высокоэластичности), понимая под этим отношение напряжения к деформации. В области высокоэластических  деформаций модуль упругости на 3—4 десятичных порядка меньше модуля всестороннего сжатия. Поэтому изменением объема тела при высокоэластической  деформации обычно пренебрегают.

Понятия о мгновенно-упругих и высокоэластичих  деформациях представляют собой идеализацию, поскольку деформирование реальных полимерных тел всегда сопровождается диссипативными эффектами — часть работы внешних сил необратимо рассеивается в виде тепла. Поэтому реальные полимеры являются вязкоупругими или упруговязкими.

Эффекты, связанные с вязкоупругими релаксационными явлениями, наиболее резко выражены в переходных областях между стеклообразным и высокоэластическим и высокоэластическим и вязкотекучим состояниями.

---

 Другие механические свойства полимеров

Список литературы:
Кобеко П. П., Аморфные вещества, М.— Л., 1952; К а р г и н В. А., Слонимский Г. Л., Краткие очерки по физико-химии полимеров, 2 изд., М., 1967;
Алфрей Т., Механические свойства высокополимеров, пер. с англ., М., 1952;
Ферри Д ж., Вязкоупругие свойства полимеров, пер. с англ., М., 1963;
Тобольский А., Свойства и структура полимеров, пер. с англ., М., 1964;
Уорд Й., Механические свойства твердых полимеров, пер. с англ., М., 1974;
Бартенев Г. М., Зуев Ю. С, Прочность и разрушение высокоэластических материалов, М.—Л., 1964;
Гуль В. Е., Кулезнев В. Н., Структура и механические свойства полимеров, М., 1972;
Гуль В. Е., Структура и прочность полимеров, 2 изд., М., 1971;
Бартенев Г. М., Лаврентьев В. В., Трение и износ полимеров, Л., 1972;
Лодж А., Эластические жидкости, пер. с англ., М., 1969;
Рабинович А. Л., Введение в механику армированных полимеров, М.— Л., 1970;
Малмейстер А. К., ТамужВ.П., Тетере Г. А., Сопротивление жестких полимерных материалов, Рига, 1972;
АйнбиндерС.Б. [и др.], Свойства полимеров при высоких давлениях, М., 1973;
Конструкционные полимеры, под ред. П. М. Огибалова, М., 1972;
Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е., УФН, 106, № 2, 193 A972);
Kargin V. A., Slonimski G. L., Mechanical properties, кн.: Encyclopedia of polymer science and technology, v. 3, N. Y.—[a. o.], 1968, p. 445;
Feггу J. D., Viscoelastic properties of polymers, ed., N. Y.—L., 1970; Bueche F., Physical properties of polymers, N. Y., 1962. A.M.Елъяшевич.
Автор: Каргин В.А., академик АН СССР
Источник: Энциклопедия полимеров, под редакцией Каргина В.А
Дата в источнике: 1972 год