WŁAŚCIWOŚCI LEPKOSPRĘŻYSTE POLIMERÓW

Polimery mają właściwości ciała lepkosprężystego, tzn. że pod wpływem sił zewnętrznych odkształcają się sprężyście (odwracalnie) i niesprężyście (nieodwracalnie), zależnie

od czasu –płynięcia.

Polimery (materiały) są ciałami stałymi o właściwościach lepko sprężystych (tj. ciałami stałymi, które podczas odkształcenia mają właściwości lepkie w wyniku rozproszenia energii) lub cieczami lepkosprężystymi (tj. lepkimi płynami-cieczami, które mają właściwości sprężyste.

Odkształcenia polimerów pod wpływem naprężeń mogą być: sprężyste, plastyczne lub lepkie (przepływ).

Materialne układy reologiczne można podzielić pod względem odkształcenia przy uwzględnieniu czasu na proste liniowe, proste nieliniowe, złożone liniowe i złożone nieliniowe.

Do układów prostych liniowych zalicza się ciała idealnie sprężyste spełniające prawo Hooke'a - odkształcenie jest liniową funkcją naprężenia i nie zależy od szybkości odkształcania, tj. od czasu oraz ciała idealnie lepkie spełniające prawo Newtona – prędkość odkształcenia jest liniową funkcją naprężenia i nie zależy od samego odkształcenia. Do układów prostych nieliniowych zalicza się ciała, dla których zależność odkształcenia (lub szybkości odkształcenia) od naprężenia jest funkcją nieliniową(najczęściej wykładniczą).

Do układów złożonych liniowych zalicza się ciała, dla których odkształcenie zależy liniowo od naprężenia i jednocześnie od prędkości odkształcania oraz od wyższych pochodnych odkształceń lub naprężeń względem czasu. Układy te podlegają prawu superpozycji Boltzmanna. Do układów złożonych nieliniowych zalicza się ciała wykazujące zarówno anomalia czasowe jak też naprężeniowe odkształceń. Układy złożone liniowe i nieliniowe są układami lepkosprężystymi.

Modele mechaniczne ciał lepko sprężystych działają na zasadzie prostych modeli opisujących ciała idealnie sprężyste (ciało Hooke'a), idealnego płynu (ciało Newtona) oraz ciała idealnie plastycznego (St.Venanta)

Prawo Hooke'a- odkształcenie γ lub ε ciała idealnie sprężystego jest proporcjonalne do przyłożonego obciążenia F wywołującego naprężenia τ(lub σ), zgodnie z równaniem stanu ciała liniowo-sprężystego. Gamma= tał/G, ypsylon = sigma/ E

Prawo Newtona -odkształcenie ciała idealnie lepkiego zmienia się liniowo w czasie pod wpływem działania naprężenia τi jest opisane równaniem stanu płynów liniowo-lepkich (zwanych również cieczami newtonowskimi)

Tał = niu*gamma/dt

Niu- lepkość postaciowa

Odkształcenie ciała plastycznego następuje po przekroczeniu pewnej wartości naprężenia (równej sile tarcia statycznego), jest stałe i po odjęciu naprężenia nie wraca do pierwotnego stanu, a energia zostaje rozproszona i przemienia się w ciepło. Modelem ciała idealnie plastycznego St. Venanta jest suwak

Model Voigta-Kelvina jest złożony z równolegle połączonych elementów modelu ciała sprężystego i lepkiego opisuje go równanie stanu:

tał= G*gamma+niu*gamma/dt

Model Maxwella jest złożony z szeregowo połączonych elementów ciała idealnie sprężystego i lepkiego.

Odkształcenie układu opisuje równanie stanu: gamma/dt=(1/niu)*tał + (1/G)*(dtał/dt)

Model Burgersa lub ogólny model mechaniczny opisujący pełzanie polimerów amorficznych składa się z kombinacji ciała Voigta-Kelvina i Maxwella. Elementy w tym modelu różnią się wielkością modułów oraz lepkością

Model Binghama jest złożony z równolegle połączonych elementów ciała Newtona i St.Venanta i szeregowo do nich ciała Hooke'a W zależności od wartości przyłożonego naprężenia stycznego, ciało Binghama zachowuje się albo jak ciało stałe, albo jak ciecz. Reologiczne równanie stanu ciała Bringhama: tał-tał­₀ = niu_p*gamma

Widmo czasów relaksacji jest wynikiem złożonej morfologii polimerów. Długie sztywne segmenty lub łańcuchy wykonują powoli ruchy cieplne, czas relaksacji jest długi (trel→∞).Giętkie łańcuchy wykonują szybkie ruchy oscylacyjne i wówczas czas relaksacji jest krótki.

Ze wzrostem temperatury intensywność ruchów cieplnych oraz przegrupowania elementów struktury zachodzi szybciej, a zatem czas relaksacji maleje

Zasada superpozycji Boltzmanna powstała na podstawie hipotezy, że wynik jakiegoś działania jest sumą wszystkich jednostkowych działań. Zachowanie się układów liniowych (sprężystych lub lepkosprężystych) w danej chwili jest związane z historią obciążenia. Całkowite skutki działania naprężenia (lub odkształcenia) w danej chwili są złożone z sumy przyrostów (naprężeń lub odkształceń), które miały miejsce uprzednio. W przypadku układów lepko sprężystych trzeba uwzględnić zmienność modułów w czasie (G(t), E(t)\czyli moduł relaksacji oraz relaksacyjne zmniejszenie się kolejnych modułów.

Liniowe własności lepkosprężyste wykazują tylko te materiały, które nie wykazują zmian struktury podczas doświadczenia, np. nie ulegają krystalizacji.

Lepkosprężystość liniowa polega na tym, że materiał wykazuje prostą proporcjonalność naprężenia od odkształcenia, a stosunek naprężenia do odkształcenia zależy od czasu

Zasada równoważności temperaturowo-czasowej Jeżeli polimer poddamy (powyżej jego Tg) działaniu naprężenia lub będzie odkształcany, łańcuchy jego dążą do przyjęcia nowych konformacji. Szybkość zmian konformacji zależy od oporów napotykanych przez łańcuchy. Opór ten reprezentowany jest przez współczynnik tarcia lepkiego, który równa się sile potrzebnej na przesuwanie łańcucha w jego otoczeniu z jednostkową prędkością. Tak więc im szybsze wymagane jest przesunięcie łańcucha, tym większą siłę trzeba zastosować. Podobnie większej siły na przesunięcie łańcucha wymaga układ, gdy obniżymy temperaturę. Wynika stąd, że powinien istnieć pewien związek pomiędzy czasową i temperaturową zależnością własności lepkosprężystych.

Polimery amorficzne wykazują duże, a polimery krystaliczne i usieciowane małe relaksacje naprężeń i małe pełzanie

W temperaturze pokojowej dla większości metali i stopów pełzanie jest pomijalnie małe -obserwuje się je dopiero w wysokich temperaturach i pod dużym naprężeniem.