2.2 Способы изучения релаксационных явления

Релаксационные процессы могут быть выявлены методами как динамических (или частотных) испытаний, так и квазистатически­ми методами исследования релаксации напряжений и ползучести в изотермических услови-

ях.

2.2.1 Релаксация напряжения

Образец эластомера быстро деформируют на заданную величину ε и сохраняют в деформированном состоянии, замеряя зависимость напряжения от времени. Это значит, что ε=const, σ=f(t). Из рис. 2.1 видно, как меняется напряжение в образце эластомера, растянутого, например, на 100%. В первый момент после растяжения в образце фиксиру­ется начальное напряжение σ₀, что соответствует состоянню, когда молекулярные клубки развернулись в процес­се деформации, а узлы флуктуационной сетки еще не успели распасться и перегруппироваться. Постепенно в напряженном образце происходит распад узлов флуктуационной сетки, а макрмолекулярные клубки все более свертываются. Чем больше узлов сетки распалось и чем больше свертывание макромолекулярных клубков, тем меньше остающееся в образце напряжение. Это видно из кривой 1 на рис. 2.1.

Напряжение

Рисунок 2.1 – Релаксация напряжения в линейном (1) и пространственно сшитом (2) эластомере

Через определен­ный промежуток времени происходит перегруппировка всех напря­женных узлов флуктуационной сетки, что дает возможность

клуб­кам макромолекул перейти в прежнее свернутое статистически наиболее вероятное состояние. В этот момент напряжение в образце падает до нуля, а структура образца становится такой же, как и до растяжения. Но сама деформация растяжения не измени­лась – она по-прежнему равна 100% . Это может произойти только в том случае, если в процессе сворачивания клубков и перегруппировки узлов флуктуационной сетки клубки одновременно смеща­лись относительно друг друга. Такой процесс есть процесс течения макромолекул. Теперь после освобождения-образца из зажимов динамометра он более не сократится Эластическая деформация в 100%, которой был подвергнут образец вначале вся перешла в де­формацию течения.

Чем более полярен полимер, тем более пологой оказывается кривая релаксации — медленнее падает напряжение.

Если эластомер пространственно сшит (вулканизован), т. е. на ряду

с флуктуационной сеткой в нем образовалась сетка химических связей то эта последняя практически не релаксирует. Правильнее сказать, что она релаксирует много медленнее, чем флуктационная сетка. В пространственно-сшитом образце напряжения релаксируют до тех пор, пока все они не сосредоточатся на узлах химической сетки. При этом все узлы флуктационной сетки оказы­ваются разгруженными. Напряжение в образце достигает предела (кривая 2 рис. 2.1). Химические связи препятствуют необратимому перемещению клубков молекул, но не препятствуют перемещению сегментов. Если образец освободить из зажимов ди­намометра, то он с течением времени полностью вос­становит свои первоначальные размеры и только тогда напряжение в нем упадет до нуля.

В опыте по релаксации напряжения в растяну­том образце, как мы видели, эластическая обрати­мая деформация со временем переходит в вязкоте- кучую необратимую. Полностью обратимая дефор­мация развивается в идеально упругой стальной пружине, а полностью необратимая деформация развивается при нагружении поршня, помещенного в идеальную жидкость. По

следовательное соедине­ние пружины и поршня является простейшей мо­делью вязкоупругого тела (рис. 2.2). Эта модель носит название модели Максвелла (по имени ее соз­дателя) .

Рисунок 2.2 - Модель Максвелла

Процесс релаксации напряжения описывается уравнением Максвелла:

где σ_t и σ₀ – напряжение растяжения в образце в момент времени t и начальный момент соответственно;

Ai – коэффициент, учитывающий долю i-го процесса релаксации;

ki – константа скорости i-го процесса релаксации.