4. Метод концевых групп

Если каждая макромолекула имеет по одной функциональной группе, количество этих групп равно числу молекул. Метод пригоден для полимеров, концевые группы которых могут быть оттитрованы (-ОН, -СООН, -NH₂).

Метод применим для определения среднечисленной молекулярной массы полимеров известной химической структуры. Верхний предел – 50 000, так как с увеличением молекулярной массы возрастает доля концевых групп и резко снижается точность определения.

Глава IV. Физические свойства полимеров

1. Прочность и долговечность

1. Механическая прочность

Под действием механических сил полимеры деформируются, а при сильном воздействии разрушаются.

Разрушение – разрыв связей между звеньями полимерной макромолекулы, приводящий к разрыву образца. Упрочнение – процесс, обратный разрушению.

Механическая прочность – сопротивление образца разрушению.

Прочность – свойство материала сопротивляться разрушению под действием механических напряжений. Прочность – важнейшая техническая характеристика полимера.

Характеристики прочности:

• напряжение в момент разрушения образца при деформировании с определенной скоростью;

• относительная деформация в момент разрушения.

Различают два вида прочности:

• кратковременная – значение предела прочности , определенное при одноосном растяжении на разрывных машинах при заданной скорости нагружения или скорости деформации (обычно скорость деформации составляет 1 – 10% в с );

• длительная – напряжение, вызывающее разрушение образца после заданной длительности воздействия нагрузки, обычно от 10² с до года; ее определяют при напряжениях, малых по сравнению с кратковременной прочностью.

Теоретическая прочность – напряжение, при котором происходит одновременный разрыв химических связей между всеми атомами, расположенными по обе стороны от поверхности разрушения, при 0К. Это максимально возможная прочность твердого тела; она может служить характеристикой структуры.

Реальные материалы разрушаются при значительно более низких напряжениях (так называемая техническая прочность), чем , так как имеют неоднородную структуру с локальными напряжениями, а также микротрещины и другие дефекты. В этих местах при относительно небольших внешних нагрузках могут возникать концентрации напряжения, достигающие прочности химических связей.

2. Долговечность

Долговечность материала – это продолжительность времени от момента нагружения постоянным деформирующим напряжением до разрушения полимерного тела. Долговечность полимера зависит от приложенной нагрузки и температуры.

Само явление разрушения тел под действием постоянной нагрузки за некоторое время иногда называют статической усталостью, или замедленным разрушением.

С практической точки зрения знание и учет долговечности необходимы в конструкторских расчетах.

3. Механизм разрушения полимеров

В 20-е годы ХХ в. появилась теория разрушения Гриффита, которая главным образом относилась к стеклам, но ее основные положения могут быть распространены и на полимеры. В основе теории лежат представления о дефектности структуры всех реальных материалов. Гриффит брал во внимание трещины на поверхности и считал, что разрушающее напряжение тем больше, чем меньше длина дефекта (трещины). Разрыв материала может наступить в результате того, что напряжение на конце трещины превосходит среднее напряжение в образце, т.е. на конце трещины происходит концентрация напряжений: чем острее вершина трещины, тем больше величина разрушающего напряжения. Согласно теории Гриффита прочность также зависит от величины поверхностной энергии:

,

где – предел прочности; E – модуль Юнга; C – длина трещины;  – энергия, необходимая для образования единицы площади поверхности разрушения.

Следующим этапом является статистическая теория, рассматривающая твердое тело как сплошную однородную среду с вкрапленными в нее дефектами. Такие дефекты неоднородны и распределены неравномерно в объеме материала, причем разрушение образца происходит по наиболее опасным дефектам. Дальнейшее развитие статистической теории привело к заключению, что разрушение материала может происходить и в образцах, не имеющих явных дефектов (микротрещин). Тогда разрушение происходит из-за микронеоднородности строения вследствие возникающих в этих местах перенапряжений.

Термофлуктуационная теория разрушения рассматривает разрушение как процесс, протекающий во времени, сопровождающийся постепенным накоплением нарушений связей, при этом структура остается сплошной до определенного момента, когда происходит разрыв образца.

Анализ механизма разрушения полимеров с позиций современной термофлуктуационной теории прочности выделяет три стадии хрупкого разрушения (Т < Т_хр) под действием статического напряжения:

1. концентрирование напряжения в отдельных областях микродефектов;

2. возникновение в образце под напряжением зародышевых субмикроскопических трещин (очагов разрушения);

3. рост субмикротрещин до микро- и макротрещин и до разрушения образца.

Третья стадия делится на два этапа: первый (медленный) – здесь возникают и растут первичные трещины; второй (быстрый) – напряжение в вершине одной из первичных трещин достигает определенного критического предела, после чего происходит быстрое разрастание этой трещины через все сечение образца.

Наиболее опасны трещины с узкими концами, на которых возникают напряжения, превышающие теоретическую прочность полимера. Скорость прорастания такой трещины – до 1000 м/c, т.е. практически мгновенно (выше скорости звука). В результате постепенного слияния трещин полимер разрушается.

Механизм разрушения полимеров

Существует две точки зрения на механизм разрушения полимеров.

1. Разрушение происходит за счет разрывов межмолекулярных связей, полимерные цепи проскальзывают друг относительно друга, и полимерный образец разрывается.

2. Разрушение происходит за счет разрыва ковалентных связей.

Изучение разрушения блочных полимеров прямыми физическими методами (ИКС) показало, что процесс разрушения полимеров сопровождается разрывом ковалентных связей.

Механизм разрушения полимеров цепной. В результате разрыва происходит перераспределение силы натяжения, вследствие чего последовательно разрываются все цепочки вдоль разрыва. Последовательность событий:

1. из разрывов проходных цепей в аморфной области возникает субмикроскопическая трещина;

2. количество субмикротрещин растет (накапливается);

3. субмикротрещины начинают перекрываться и сливаться, образуя микротрещины;

4. появляется магистральная трещина, которая возникает на поверхности полимерного образца; она растет до тех пор, пока полимер не разрывается.