» » Эластичность резины

Эластичность резины

23.04.2016

Резина отличается большими упругими деформациями, характеризуемыми эластичностью по отскоку, которые значительно выше, чем у стали (рис. 5.1). Причина этого состоит в различных источниках внутренних сил, которые противодействуют деформирующим силам. Для технически высокоэластичных материалов речь идет о действующих между атомами силах, которые противодействуют изменению расстояния между атомами. В резиноэластичных материалах внутренние силы возникают преимущественно вследствие изменения энтропии колеблющихся молекул. Расстояния между атомами резиноэластичного материала едва ли изменяются под нагрузкой. Поэтому резиноэластичные материалы, как и жидкости, почти несжимаемы, т. е. резиноупругие деформации являются деформациями при постоянном объеме.
Эластичность резины

Закономерности для упругости резины можно вывести с учетом колебательного движения молекул из двух основных законов термодинамики.
Материал с резиноэластичными свойствами состоит из длинных цепей молекул, которые почти везде всесторонне шарнирны. Цепи химически или механически связаны отдельными поперечными звеньями. В других местах части молекул подвижны, так как межмолекулярные силы малы (силы Ван-дер-Ваальса). Эти силы и являются причиной упругости твердого материала.
Поперечные звенья между молекулярными цепями образуются в основном при вулканизации, для которой необходимы дополнительное тепло и добавки соответствующих веществ.
Молекулярные колебательные движения характерны как для твердого, так и для резиноэластичного материала, однако в последнем они более значительны, так как части молекул свободно подвижны относительно друг друга, межмолекулярные силы малы и поперечных звеньев мало. В результате наблюдается хаотическое взаимное колебание молекулярных цепей. При деформациях вследствие воздействия внешних сил происходит выпрямление цепей и их упорядочение. На языке физики это называют уменьшением энтропии. Однако в соответствии с законами термодинамики энтропия стремится к максимуму, поэтому резиноэластичный материал может вернуться к исходному состоянию, при котором энтропия его молекул больше. Это свойство упругости резины объясняет ее многие феномены, например эффект Джоуля, при котором нагревание усиливает молекулярные движения (энтропия уменьшается). Этим же объясняется увеличение реактивных сил при нагревании деформированных опорных частей. При понижении температуры они уменьшаются.
С учетом приведенных соображений можно вывести чисто математически простое уравнение для зависимости между напряжениями и деформациями резины, базирующееся на законах молекулярного колебательного движения:
Эластичность резины

где σ — напряжения, относящиеся к первоначальному недеформированному поперечному сечению; G — модуль сдвига; в — относительные деформации. Соответствующая кривая представлена на рис. 5.2.
Как видно из диаграммы, резиноэластичный материал характеризуется нелинейной зависимостью между напряжениями и деформациями, поэтому постоянный модуль упругости для него не может быть задан. При растяжении этот материал более податлив, чем при сжатии. Значительные отклонения от этой кривой наблюдаются только при больших деформациях, что можно объяснить законами термодинамики.
При ориентации молекул вследствие деформаций должны быть преодолены межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса. Для этого необходима определенная колебательная энергия молекул (достижение потенциального барьера). Колебательная энергия отдельных молекул постоянно изменяется, поэтому достижение этого потенциального барьера можно определить лишь вероятностно. Установившееся напряженно-деформационное состояние обеспечивается в случае, когда везде по крайней мере кратковременно достигается потенциальный барьер. Деформации резины зависят от времени. Эта временная зависимость выражена сильнее, чем, например, ползучесть бетона.
Эластичность резины

Большую роль играют скорость и продолжительность загружения. При быстром загружении, особенно при ударах и вибрационной нагрузке, жесткость увеличивается больше, так как потенциальный барьер для преодоления межмолекулярных сил достигается не везде. Измеренные величины сравнимы только в том случае, если известно время. Кроме того, необходимы данные о температуре, так как колебательная энергия молекул зависит от абсолютной температуры. Колебательная энергия молекул уменьшается с понижением температуры, одновременно уменьшается вероятность того, что будет достигнут потенциальный барьер для преодоления межмолекулярных сил.
При уменьшении температуры и ударных нагрузках повышается жесткость материала вследствие возрастающего влияния межмолекулярных сил.
При длительном понижении температуры уменьшается колебательная энергия и межмолекулярные силы способствуют постепенному формированию молекул в более или менее жесткие «кристаллы». Такое «замораживание» резины происходит несколько дней, причем скорость кристаллизации достигает максимума при определенной температуре (хлоропрен около -10°C).
При растяжении более 150% сказывается влияние сил связи Ван-дер-Ваальса из-за сближения выпрямленных молекулярных цепей (штриховая линия рис. 5.2). Вероятность достижения потенциального барьера для преодоления сил Бан-дер-Ваальса.
W = Ae-Е/kT,

где А — коэффициент пропорциональности; E — энергетическая постоянная материала; k — постоянная Больцмана; T — абсолютная температура, град Кельвина.
Вероятность W является мерой для логарифмической зависимости между временем и деформациями. Это уравнение также важно для зависимости между стационарным модулем сдвига и температурой. Повышение энергетической постоянной увеличивает потенциальный барьер для изменения положения частей молекул, что снижает вероятность изменения положения. С этой вероятностью связаны деформации ползучести и релаксация.
Более жесткая резина (с большей упругостью и большей твердостью по Шору) принципиально отличается ясно выраженным замедлением деформаций. Она ползет сильнее.
Энергетическая постоянная материала тем больше, чем выше полярность молекул. Под полярностью понимают асимметрию электрических зарядов молекулы. Материалы можно расположить в порядке возрастания полярности: натуральный каучук, бутил, бутадиенстирольный каучук, хлоропрен, нитриловый каучук, поливинилхлорид.
Таким образом, увеличение жесткости резиноэластичного материала вследствие «кристаллизации» при большом растяжении, при быстром загружении, понижении температуры и длительном охлаждении имеет в основном одинаковые причины «Кристаллизация» обратима. Ее устраняют повышением температуры (в соответствии с молекулярной теорией) или использованием энергии в другой форме.
Подверженность кристаллизации с ее эффектом увеличения жесткости в итоге проявляется в виде замедления деформаций. Так как эти деформации возвращаются очень медленно, можно говорить о пластических свойствах, которые накладываются на упругие. Четкой границы между упругими и пластичными материалами нет.
Для применения в строительстве целесообразно выбирать резиноупругие материалы, подверженные кристаллизации, чтобы длительные деформации могли восприниматься относительно свободно. При кратковременных нагрузках элемент из такого материала деформируется упруго.