5555241058

Wraz ze wzrostem temperatury polimery stopniowo miękną, co objawia się spadkiem modułu sprężystości E (Young'a). Własności polimerów są tak silnie uzależnione od temperatury, że w temperaturach od - 20 C do +200°C, moduł sprężystości może się zmienić nawet 10³ razy. W przypadku metali i ceramik pozostaje praktycznie niezmienny. Zatem przy projektowaniu z użyciem polimerów konstrukcyjnych konieczne jest uwzględnianie potencjalnych zmian wytrzymałości i sztywności w trakcie eksploatacji nawet w temperaturze otoczenia.

Zjawisko zmiennego zachowania polimerów pod obciążeniem przy wzroście temperatury związane jest ze zmianą ruchliwości makrocząsteczek. Na rysunku 4 pokazano schematycznie zależność modułu Young'a od temperatury polimeru dla polimerów bezpostaciowych: 1 - termoplastycznych, 2 - elastomerów, 3 - duroplastów. Poniżej temperatury T_g, nazywanej temperaturą zeszklenia, polimer jest w stanie sztywnym (nazywanym też szklistym) (obszar A). Makrocząsteczki mogą się sprężyście przemieszczać względem siebie na małe odległości, tak jak atomy w metalach w stanie sprężystym. W miarę wzrostu temperatury rośnie zdolność makrocząsteczek do lokalnych przegrupowań, ale nadal zachowana jest nieruchomość całych makrocząsteczek, polimer jest w stanie szklistym wymuszonej elastyczności (obszar B), a następnie lepkosprężystym (skóropodobnym) (zakres C). Dalszy wzrost temperatury prowadzi do znacznego zwiększenia ruchliwości makrocząsteczek umożliwiającej rozprostowanie skłębionych łańcuchów i powrót do poprzedniego stanu, ale nie trwałe przemieszczenie makrocząsteczek. Zachowanie takie podobne jest do odkształcalności gumy, a stan polimeru określany jest jako wysokoelastyczny, wymuszonej elastyczności lub gumopodobny (zakres D). Materiał wysokoelastyczny w rozumieniu technicznym oznacza materiał charakteryzujący się znaczną sprężystością powrotną (ang. elastic - sprężysty), w którym po cofnięciu obciążenia materiał wraca do poprzedniego kształtu. Przekroczenie temperatury płynięcia T_m (m - melting) powoduje prawie całkowite zmniejszenie sił międzycząsteczkowych i nawet najmniejsze obciążenie powoduje wzajemne trwałe przemieszczanie się łańcuchów polimeru. Takie zachowanie określa się mianem stanu lepko płynnego (zakres E).

Eio

Rys. 4. Zależność modułu sprężystości wzdłużnej E od temperatury przy stałej prędkości rozciągania dla polimerów bezpostaciowych. 1 - polimery termoplastyczne, 2 - elastomery, 3 - duroplasty.

Na podstawie rysunku 4 i danych odnośnie temperatury zeszklenia (T_g) dla różnych gatunków polimerów można wyjaśnić dlaczego niektóre polimery w tej samej temperaturze są sztywne, a inne wykazują znaczne odkształcenia. Dla przykładu PMMA o T_g=105°C jest sztywne w temperaturze otoczenia, ponieważ temperatura pokojowa stanowi tylko 0,25T_g. Z kolei polietylen o małej gęstości (LDPE), popularny w postaci folii do opakowań ma T_g=5°C, zatem temperatura pokojowa jest powyżej T_g, więc materiał znajduje się w stanie lepkosprężystym, tzn. że stopniowo zwiększa się jego odkształcenie przy stałym obciążeniu (odkształcenie jest funkcją czasu). Elastomer, poliizopren (PI) charakteryzuje się ujemną temperaturą zeszklenia, (T_g=-53°C), dla niego temperatura pokojowa jest więc dużo wyższa od T_g, stąd jego wysokoelastyczne (gumopodobne) zachowanie w temperaturze