ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.10.2024
Просмотров: 119
Скачиваний: 0
лия значительно улучшаются и оно при этом не стано вится липким при высокой температуре.
Как считал сам Гудьир, открытие вулканизации про изошло случайно. Относя его к разряду случайных, нельзя, однако, забывать о долгих годах подготовки и предшествующих опытах. Если бы Гудьир не имел та кого большого опыта и не видел ясно перспектив про мышленного использования своего открытия, вряд ли он придал бы значение этим случайным наблюдениям. Сам Гудьир выразил эту мысль следующим образом: «...иногда спрашивают, как делается открытие? Ответ
известен. В |
ходе многолетних исканий исследователь |
не позволил |
ни одному событию, связанному с объек |
том исследования, ускользнуть от его внимания. Подоб но падению яблока, этот результат мог показаться важ ным лишь тому, чей ум готов сделать вывод из любого события, которое приближает его к заветной цели. Изо бретатель обычно согласен с тем, что сделанные им от крытия не являются результатом научных химических исследований, однако он не относит это явление и к случайным событиям, а объявляет их результатом тща тельных наблюдений» *.
Гудьир установил также, что вулканизация устраняет не только текучесть и поверхностную липкость, но и пред отвращает самопроизвольное отвердевание каучука за счет кристаллизации (см. гл. 6) при понижении темпе ратуры. Гудьир ясно представлял огромную практиче скую ценность своего открытия и нетерпеливо ждал того времени, когда оно получит признание, хотя сам он жил в бедности и даже был посажен в тюрьму за долги. Раз работанный Гудьиром процесс производства различных вулканизованных изделий дошел до наших дней практи чески в неизмененном виде. Без этого процесса промыш ленность каучука едва ли приобрела бы такие масштабы.
4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАУЧУКА
Исходя из строения вулканизованного каучука, рас смотренного выше, мы можем сформулировать идею
* Goodyear Ch., Gum-Elastic, vol. 1, p. 120, New Heaven, 1855,
так называемого «идеального» каучука, аналогично тому, как из кинетической теории газов возникло поня тие идеального газа. Идеальный каучук можно пред ставить как рыхлую трехмерную сетку из цепей, имею щих произвольную форму и соединенных устойчивыми химическими связями или химическими сшивками. В точ ках соединения цепей поперечными связями силы взаимо действия очень незначительны, так что каждая цепь рас сматривается как свободная, т. е. способная принимать любую конформацию.
Мы подошли к вопросу о свойствах идеального каучука, следующих из предложенной модели. Для того чтобы понять сущность этого вопроса, необходимо более детально рассмотреть некоторые механические свойства реального каучука. Предположим, что полоска вулка низованного каучука, например обычная резиновая лен та, зафиксирована с одного конца, а к другому концу приложена сила *. Изменяя нагрузку и измеряя длину образца, соответствующую каждой нагрузке, можно по строить график зависимости растяжения от приложен ной силы. Типичная кривая, характерная для натураль
ного каучука, |
приведена |
на |
рис. 4.2. |
Сила, |
отнесенная |
|
к |
поперечному сечению |
нерастянутого |
каучука, отложе |
|||
на |
по одной |
оси, а степень |
растяжения (в |
процентах) |
||
по другой. Наиболее очевидный результат состоит в том, что зависимость между приложенной силой и деформа цией, или удлинением, не линейна, т. е. растяжение не прямо пропорционально приложенной силе. Такое пове дение отличается от поведения обычных твердых тел,
для которых выполняется закон |
упругости, |
открытый |
||
Гуком, — при любой упругой |
деформации |
|
удлинение |
|
пропорционально напряжению. |
Очевидно, что |
для кау |
||
чуков, подвергнутых растяжению, |
закон Гука |
не выпол |
||
няется. |
|
|
|
|
Однако исследование механических свойств каучука нельзя сводить, к простому растяжению. Один из наибо лее интересных аспектов этого вопроса состоит в раз-
* Мы говорим об одной силе, которую измеряем. Но следует помнить, что при растяжении образца в нем возникают две силы, равные по величине и противоположные по направлению.
личном характере поведения наблюдаемого каучука при действии деформации разных типов. Например, образец каучука в виде цилиндрического стержня можно не только растягивать, но и раскачивать или скручивать, или (если он не очень длинный) сжимать вдоль оси, или пытаться разорвать параллельно плоскости основания.
см
Растяжение,°/о
Рис. 4.2. Типичная кривая сила — растяжение для вулканизован ного каучука.
Для любого вида деформации существует своя характер ная кривая напряжение — деформация, и при оценке ме ханических свойств каучука необходимо учитывать эти различные типы деформации.
Отклонения от закона Гука, показанные на рис. 4.2, связаны с тем, что в случае каучука мы имеем дело с очень большими деформациями. Обычным твердым телам присущи незначительные упругие деформации, скажем около 1 % • Классическая теория упругой деформа ции, которая обычно используется в физике или инже нерном деле, является теорией малых упругих деформа ций, подчиняющихся (в общем случае) закону Гука.
(Закон Гука применим и к каучукам при условии, что деформация их не превышает 1%). Когда же мы пере ходим к большим эластическим деформациям, свой ственным каучукоподобным веществам, то вопрос об эластических свойствах требует другого подхода, что и находит отражение в молекулярной теории эластичности каучуков.
5. ГЕОМЕТРИЯ РАСТЯЖЕНИЯ
Прежде чем идти дальше, необходимо обратить вни мание на одно важное свойство каучуков, которое.сильно упрощает математическое описание их эластических свойств. Оно состоит в том, что все возможные типы
10
а |
5 |
Рис. 4.3. Деформация при постоянном объеме. .
а. — исходный образец; б — растянутый образец.
деформаций протекают практически без изменений объ ема. Это легко иллюстрировать следующим примером.
Предположим, к исходному образцу каучука в форме куба, имеющего длину грани /о, приложено растягиваю щее усилие в направлении одной из его плоскостей. При этом длина одной из его граней становится 1Х (рис. 4.3).
В классической теории упругости удлинение обычно оп ределяется отношением увеличения длины образца к ис ходному значению, т. е.
Удлинение = - Ц - ^ . |
(4.1) |
'о
В теории больших деформаций удобнее определять удлинение в терминах относительного растяжения, обо значаемого буквой X:
Относительное растяжение = IJIQ — Х- |
(4.2) |
Согласно этому определению, конечные размеры про дольной и поперечной граней lv и lz, полученные из ус ловия постоянства объема, записываются в виде про стого уравнения. В нерастянутом состоянии объем равен 1о, а в растянутом состояниия — произведению Wy /Z . Тогда
|
|
|
lxlylz |
|
= ll |
(4.3) |
Поскольку при одноосном растяжении размеры ос |
||||||
тальных граней будут |
изменяться |
в одинаковой степени |
||||
и, следовательно, |
ly = |
lz, |
в |
то время как из уравнения |
||
(4.2) следует, |
что |
1Х — ЯЛ:, получим lx = Х10. Подставим |
||||
эту величину |
в уравнение |
(4.3): |
|
|||
|
|
|
(Xl0) |
fy |
—1\, |
|
откуда |
|
|
|
|
|
(4.4) |
|
|
1у — 1г~ |
~77=- |
h- |
||
Из уравнения (4.4) следует, что длина двух боковых граней 1У и 12 уменьшается пропорционально IJYk. Следовательно, после деформации размеры образца оп ределяются одним параметром X.
Эта простая так называемая геометрия растяжения не характерна для обычных твердых тел, таких, как сталь или стекло. Если растянуть стальной стержень, попереч ные его размеры уменьшатся, но степень их уменьшения нельзя вычислить на основании приведенных соотноше ний, а необходимо определить экспериментально. Отно шение поперечного сжатия к продольному удлинению, так называемое соотношение Пуассона, для каждого мате риала имеет свое значение. Суть этого явления заклю чается в том, что обычные твердые тела при растяжении увеличивают свой объем. Это увеличение (которое не посредственно связано с соотношением Пуассона) раз лично для разных веществ. Поэтому для них невозмож но определить удлинение на основе только одного пара метра; кроме степени растяжения необходимо знать еще соотношение Пуассона.
6. ЗНАЧЕНИЕ ПОСТОЯНСТВА ОБЪЕМА
Сохранение постоянства объема каучука при дефор мации является прямым результатом особого механизма его эластической деформации. Мы уже видели, что де формация обусловлена изменением конформаций моле кул, образующих открытую сетку, подобно представлен ной на рис. 4.1. Чтобы осуществить деформацию такой сетки, требуются относительно небольшие усилия. Имен но поэтому модуль эластичности каучука (как указы валось в предыдущей главе) гораздо меньше модуля таких материалов, как сталь. Однако объем каучука определяется истинным объемом самих молекул и никак не связан ни с конформацией молекул, ни с наличием поперечных связей в сетке. Это можно подтвердить тем, что вулканизация не оказывает заметного влияния на плотность каучука. Объем последнего определяется межмолекулярными силами, подобно тому как это имеет ме сто и в случае любых других веществ. Поэтому дефор мация сетки — процесс совершенно иного рода, он протекает без изменения сил межмолекулярного взаимо действия и, следовательно, без изменения объема.
В противоположность этому, возвращаясь к струк турной модели твердого тела (гл. 3, разд. 1), можно видеть, что силы, определяющие расстояния между со седними атомами, обусловливают также эластические свойства тела. Поэтому изменение объема твердого тела есть величина того же порядка, что и одноосное растяжение.
Совершенно другое положение возникает, если мы рассмотрим реакцию каучука на приложенное гидроста тическое давление. Гидростатическое давление стремится уменьшить объем. Это проявляется в одинаковом умень шении всех трех размеров. Такое уменьшение объема обусловлено сближением молекул друг с другом и опре деляется как сжимаемость. Последняя зависит от меж молекулярных сил, которые в каучуке подобны межмо лекулярным силам в жидкости, и никак не связана со свойствами сетки, проявляющимися при деформациях. И действительно, сжимаемость каучука очень близка к сжимаемости воды. Важно отметить, что изменения раз меров материала в результате приложения гидростати-
ческого давления чрезвычайно малы по сравнению с из менениями размеров под действием растягивающего усилия, равного по величине гидростатическому давле нию. Так, давление порядка 106 Нм~2 (10 ат) изменит объем каучука только на 0,05%. в то время как при дей ствии растягивающей силы такой же величины длина образца увеличится по крайней мере на 100 %. Следова тельно, каучук практически можно отнести к категории несжимаемых веществ, и изменениями его объема при растяжении и других типах деформации можно пре небречь.
7. СВОЙСТВА МОЛЕКУЛЯРНОЙ |
СЕТКИ |
Вернемся к вопросу о свойствах |
идеальной молеку |
лярной сетки, изображенной на рис. |
4.1, а. Для такой |
сетки понятие цепи несколько отличается от общепри нятого. За цепь принимается отрезок молекулы между двумя соседними поперечными связями. В нерастянутом состоянии можно представить себе сетку в форме куба. При приложении растягивающей силы F сетка будет деформироваться (рис. 4.1,6). При этом продольные и поперечные ее размеры будут изменяться в соответствии с соотношениями, рассмотренными выше. Задача состоит в том, чтобы определить соотношение между силой F и соответствующим относительным растяжением X.
Эту задачу можно решить несколькими способами, и все они приводят к одинаковому выводу. Мы не будем рассматривать детально каждый способ, а воспользуемся простейшим из них. В гл. 3 мы установили, что единич ная молекула ведет себя подобно маленькой пружине, подчиняющейся закону Гука (удлинение пропорцио нально напряжению). Следовательно, сетку, состоящую из молекул, можно рассматривать как состоящую из пружин, соединенных концами. Элемент такой сетки можно представить в виде узла с центром О (рис. 4.4, а), который радиально соединен четырьмя пружинами с соседними узлами А, Б, В, Г. Если предположить, что в определенный момент положение внешних узлов фикси ровано, тогда центральный узел О будет занимать поло жение, соответствующее равновесию действующих на него сил.