Список тематических статей

Вязкотекучее состояние

Понятие и общие сведения

Одним из основных физических состояний органических полимеров линейного строения, обычно аморфных и различных стекол, а также некоторых других веществ является вязкотекучее состояние. При нем тела обладают текучестью, что приводит к почти стопроцентной реализации полной деформации такого вещества за счет необратимых деформаций, называемых также вязким течением.
Температура текучести (Тт) полимерного материала – основной параметр для определения точки перехода вещества в вязкотекучее состояние. При росте температуры выше точки текучести происходит переход материала в состояние вязкой текучести. Тт находится в зависимости от скорости и длительности нагружения. То есть она повышается с увеличением скорости или уменьшением времени воздействия.
Значение Тт – наглядный показатель, отличающий эластомеры от пластмасс. У первых она, как правило, ниже комнатной температуры, у вторых выше нее.

Полимер в состоянии вязкой текучести

Главной характеристикой высокомолекулярных соединений (ВМС) в таком состоянии является их вязкость. При нормальных условиях полимер оказывается вязкотекучим при температурах около его Тт. Ее определяют посредством термомеханического метода при стандартизованных внешних условиях.



Рис. Полимер в текучей форме

При этом вязкотекучее состояние кристаллических полимеров наступает практически сразу после повышения Т выше точки их плавления. Однако в определенных случаях необратимые деформации таких ВМС появляются ниже температуры плавления кристаллических образований, но выше температуры стеклования.
Вязкотекучее состояние полимера возможно получить не только при нагревании, но и введением в него низкомолекулярных растворителей. Это процесс приводит к снижению Тт материала. Такая технология незаменима для переработки жесткоцепных полимеров, которые критически деструктируют при повышенных температурах еще до перехода в состояние вязкой текучести.

Природа вязкотекучего состояния

Низкомолекулярные жидкости и высокомолекулярные соединения, к которым относятся все полимеры, имеют разное строение. Исходя из этого различают механизмы, которые приводят к процессу течения этих материалов.
Так, течение ньютоновских жидкостей возникает из-за моментального перескока атомов или молекул между их возможными положениями в молекулярной структуре. Такие перескоки возникают также и при нормальных условиях без какого-либо течения, но гораздо реже.
Процесс вязкого течения полимера аналогичен, однако он обусловлен отсутствием возможности макромолекул передвигаться целиком. Полимерные звенья одной молекулы и разных молекул соединены между собой химическими и физическими связями различной природы. В этих условиях любое движение любого сегмента молекулы может происходить лишь в случае одновременных перемещений соседних элементов, происходящих согласованно. Собственно те или иные движения макромолекул ВМС происходят постоянно, но, как правило, центр тяжести молекулы редко меняет свое положение, то есть можно сказать, что сама макромолекула «не движется» и находится в равновесии.

Процесс течения ВМС под воздействием приложенного усилия происходит путем перескока сегмента макромолекулы между свободными положениями. Ввиду того, что звенья цепи взаимосвязаны, то при перескоке происходит изменение конформации всей молекулы, она переходит в неравновесную конформацию. В случае, если количество степеней свободы прочих сегментов достаточно, то перескоки совершают и прочие сегменты, то есть вся макромолекула совершает движение.

Особенности и применение

Кроме необратимых деформаций вязкотекучее состояние полимеров обладает в той или иной степенью и обратимыми деформациями. Отношение между этими двумя видами деформаций находится в зависимости от природы вещества, то есть от температуры и времени. То есть определяющим является соотношение времени релаксации полимера и временем механического воздействия на него.
С точки зрения реологии особенные свойства материалов, которые находятся в вязкотекучем состоянии, появляются в случае достижения критически важного значения молекулярной массы, которое находится в зависимости от природы конкретных полимеров и, следовательно, от гибкости их молекул. При достижении этой массы перепутанные между собой макромолекулы получают способность образования флуктуациональной сетки. Это приводит к развитию в массе материала высокоэластических деформаций.

Вязкотекучее состояние является одним из важнейших для науки и технологии пластиков. Для переработки пластмасс в изделия методами экструзии, литья под давлением, прессования, вальцевания, раздувного формования, полива и др. способами необходимо, как правило, перевести полимерный материал в состояние вязкой текучести. После этого под нагрузкой той или иной природы и благодаря развивающимся при переработке необратимым деформациям пластмассе придается необходимая форма конечного изделия. При сварке пластмасс различными методами материал также приводится в вязкотекучее состояние, но не во всей массе, а местно – непосредственно в области свариваемых поверхностей.
Кроме того, процесс перевода пластика в расплавленное состояние и обратно – залог вторичной перерабатываемости пластмасс и их широчайшего места в нашей жизни благодаря пригодности к многократному использованию.