§ 102. ЭЛАСТИЧНОСТЬ ПОЛИМЕРОВ

Полимеры, находящиеся при комнатной температуре в высокоэластическом состоянии, называют эластомерами.

В ненагруженном эластомере в силу теплового движения звеньев и сегментов молекулы изгибаются, переплетаются между собой и образуют во многих местах глобулярные пачки — свитые в клубки группы молекул или их частей.

При растяжении эластичного образца звенья и сегменты его цепей поворачиваются так, что происходит частичное распрямление изогнутых исвернутых в клубки молекул. После снятия нагрузки вследствие теплового движения осуществляется примерно обратная последовательность перемещений частей молекул, в результате полимерные цепи в известной мере возвращаются в исходное неупорядоченное состояние.

Упругость эластомеров имеет чисто кинетическую природу: она обусловлена не межмолекулярными силами, а тепловым движением.

Рис. 10.4.

При растяжении каучука объем его не меняется, растяжение же обычных твердых тел сопровождается увеличением объема. Соответственно деформация последних связана с изменением расстояний между молекулами и, следовательно, с проявлением действия межмолекулярных сил. При растяжении же эластомеров средние расстояния между молекулами не меняются, при этом деформация будет деформацией формы, а не объема. Очевидно, что сокращение длины эластомера (после снятия нагрузки) является результатом скручивания молекул, вызываемого тепловым их движением. В этом отношении эластомеры несколько напоминают газы. Как и в газах, в таких образцах модуль упругости с повышением температуры несколько увеличивается, в то время как в обычных телах он уменьшается

Следует заметить, что при всестороннем сжатии или растяжении каучук ведет себя как обычное твердое тело с модулем изотермического сжатия порядка 1010 Па. В этом случае изменяются расстояния между частицами и, следовательно, проявляется действие межмолекулярных сил.

При растяжении типичного эластомера (рис. 10.4) в области не очень больших удлинений (область I, где где модуль высокой эластичности. При удлинении на 200—700% (область II) наклон кривой уменьшается. При дальнейшем удлинении (область III) наклон кривой резко возрастает.

Рассмотрим термодинамику высокоэластичности. Пусть внешние силы совершают над образцом эластомера работу В соответствии с первым и вторым началами термодинамики можно записать:

Если сила растяжения образца то

Согласно записанным выражениям при постоянной температуре

При изотермической деформации идеального эластомера внутренняя энергия не меняется (не изменяются средние расстояния между цепями): Соответственно

Таким образом, при растяжении эластомера упругие силы имеют энтропийную природу (растяжение каучукгв характеризуется упорядочением макромолекул и, следовательно, уменьшением внтропии: