Перейти к:
УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Аннотация
Взаимосвязь основных термодинамических параметров состояния полимеров определяется уравнением состояния. В работе рассматривается модифицированное уравнение Ван-дер-Ваальса. Приводятся значения параметров, входящих в это уравнение, для некоторых полимеров. Определена зависимость удельного объема полимера от температуры для аморфных (некристаллизующихся), кристаллических и аморфно-кристаллических полимеров.
Для цитирования:
Кунижев Б.И., Торшхоева З.С., Полонкоева М.М., Иналова З.И. УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ. Известия Кабардино-Балкарского государственного университета. 2022;12(4):26-30.
For citation:
Kunizhev B.I., Torshchoeva Z.S., Polonkoeva M.M., Inalova Z.I. EQUATIONS OF STATE OF POLYMERS. Proceedings of the Kabardino-Balkarian State University. 2022;12(4):26-30. (In Russ.)
Изучение поведения полимерных материалов в условиях динамической загрузки имеет большое значение для многих областей применения полимеров. Понимание реакции полимеров на ударно-волновые нагрузки важно в ситуациях, связанных со смягчением удара и взрыва, а также оптимизацией конструкций сооружений, имеющих дело с потенциальной опасностью динамического нагружения. В литературе имеет-ся большой объем экспериментальных данных о распространении ударных волн в полимерных материалах [1–3]. Применение полимерных материалов в ситуациях, связанных со смягчением ударно-волновых нагрузок, требует углубленного и детального изучения поведения полимеров в широком диапазоне напряженных состояний. Многие особенности ударно-волнового нагружения полимерных материалов могут быть исследованы только с помощью математического моделирования [1–3] Для быстропротекающих процессов математическое моделирование часто является единственным надежным источником получения достоверной информации. Для замыкания математических моделей актуальной остается проблема получения точных уравнений состояния.
Уравнение состояния
VM = f (P, T). (1)
Для полимера количественная зависимость между строением, характером межмолекулярного взаимодействия и основными параметрами состояния (Р, V, Т) определяется модифицированным уравнением Ван-дер-Ваальса [3, 4, 5]:
(P + p )(V - Vm
) = nRT , M
(2)
где Vm – собственный объем молекул; р – внутреннее давление; n – число внешних степеней свободы, приходящихся на один атом главный цепи полимера (эта величина близка к единице).
Значения параметров, входящих в это уравнение, для некоторых полимеров приведены в табл. 1.
Таблица 1
Значения параметров уравнения Ван-дер-Ваальса
Полимер | Температурный интервал, К | р, МПа | VМ, 103 м3/кг | п |
Полиэтилен низкого давления | 26–373 413–463 413–463 413–523 | 677 348 302 677 248 | 0,917 0,976 0,957 1,110 0,922 | 0,99 1,37 1,37 0,99 1,15 |
Полипропилен (изотактический) Полистирол | 463–513 393–453 426–518 | 248 342 – | 0,922 0,807 0,850 | 1,15 0,96 2,08 |
Поливинилхлорид | 393–438 393–453 | 475 414 | 0,549 0,608 | 1,14 1,18 |
Политетрафторэтилен | 613–653 | 188 | 0,202 | 0,66 |
Политрифторхлорэтилен | 473–533 | 342 | 0,309 | 0,89 |
Полиоксиметилен | 448–488 | 270 | 0,630 | 0,54 |
Удельный объем полимера Vуд зависит от строения полимера и от внешних условий: температуры и давления [6, 7].
Зависимость удельного объема полимера от температуры приведена на рис. 1.
|
Рис. 1. Зависимость удельного объема полимера от температуры 1) аморфные полимер; 2) кристаллический полимер; 3) аморфно-кристаллической полимер. |
Для аморфных (некристаллизующихся) полимеров она состоит из двух участков, имеющих различный наклон и ограниченных температурой стеклования. Значения молярного и удельного объемов связаны соотношением
Vуд
= V уд
M
= 1 , (3)
ρ
где М – молекулярная масса элементарного звена; ρ – плотность полимерного материала.
Значения температурных коэффициентов полимера, находящегося в стеклообразном (ниже Тс) и высокоэластическом (выше Тс) состояниях, можно оценить по следующим эмпирическим зависимостям [5]:
æ ¶V ö
ç ¶T ÷
= KcV0 , (4)
M
è øc
|
æ ¶V ö
|
|
ç ÷
= КэVо
, (5)
ç ¶Т ÷ М
э
где Vо – собственный (ван-дер-ваальсовый) объем элементарного звена; Кс, Кэ – эмпирические константы, равные Кс ≈ 4,15 ∙ 10–4 К–1; Кэ ≈ 9,2 ∙ 10–4 К–1.
Для аморфно-кристаллических полимеров при температуре ниже температуры плавления температурный коэффициент близок к значениям . В области плавления удельный объем резко повышается и в состоянии расплава температурный коэффициент близок к значению . Приращение удельного объема при плавлении тем больше, чем выше упорядоченность исходного полимера (выше степень кристалличности). Значения удельных объемов полимеров могут быть оценены по следующим зависимостям [5, 8]:
(6)
(7)
где – удельные объемы аморфного (некристаллизующегося) и аморфно – кристаллического полимеров.
Экспериментальное определение удельных объемов или плотности полимеров производится методами объемной дилатометрии, пикнометрии, гидростатического взвешивания, флотационным и другими с точностью до 10-3–10-4 см3/г. Методом дилатометрии изучают удельный объем или обратную ему величину – плотность полимера чаще всего при различных температурах и давлениях. По ним рассчитывают ос-новные характеристики теплового расширения:
- коэффициент термического расширения α: α = –(1/V) (dV/dT)p;
- коэффициент сжимаемости β: β = –(1/V) (dV/dР)Т;
- коэффициент давления γ: γ = (dV/dP)Т = α/β.
Удельные объемы и плотности волокнообразующих полимеров и их зависимости от температура приведены в ряде монографий и справочников [9, 10].
Таблица 2
Плотности различных полимеров и однокомпонентных материалов на их основе
Полимер | Плотность, г/см3 |
Полиэтилен | 0,95–0,97 |
Полипропилен | 0,91–0,92 |
Поливинилхлорид | 1,38–1,4 |
Полистирол | 1,05 |
Полиметилметакрилат | 1,19–1,2 |
Поливиниловый спирт | 1,27–1,3 |
Полиакрилонитрил | 1,17–1,18 |
Политетрафторэтилен | 2,29–2,295 |
Полиоксиметилен | 1,42–1,44 |
Поликапроамид | 1,13–1,15 |
Полигексаметиленадипамид | 1,14–1,15 |
Полиэтилентерефталат | 1,38–1,39 |
Гидратцеллюлоза | 1,51–1,56 |
Триацетат целлюлоза | 1,28–1,3 |
Вторичный ацетат целлюлозы | 1,31–1,32 |
Полипарафенилетерефталамид | 1,43–1,145 |
Полиметаафенилеленизофталамид | 1,37–1,38 |
Полиимид (аримид ПМ) | 1,41–1,42 |
Полиоксадиазол (оксалон, арселен) | 1.43–1,44 |
Плотность полимеров связана со степенью кристалличности и плотностью аморфных и кристаллических областей структуры зависимостью
, (8)
где хкр – степень кристалличности; ρкр, ρа, ρ – соответственно плотности кристаллических, аморфных областей структуры и образца. Эта зависимость является приближенной, поскольку при изменении степени кристалличности и ориентации изменяется плотность аморфных областей, поэтому зависимость (8) является приближенной.
Кроме приведенного уравнения состояния существуют и другие эмпирические зависимости. Например, вместо уравнения (2) можно использовать уравнение
ΔV = é ρ ù
CIn ê1 + ú , (9)
V (O,T) B(T)
ë û
где ΔV = [ V( О, Т)– V( P , Т)] – изменение объема при изотермическом нагружении образца от нормального давления до давления Р;
С – эмпирический параметр (для многих полимеров равный ~ 0,089);
В (Т) – коэффициент, связанный с внутренним давлением в полимере [5]. Температурная зависимость коэффициента В(Т) описывается уравнением:
B(T) = B1exp (B2T). (10)
Значения коэффициентов В1 и В2 для уравнений (9) и (10) приведены в табл. 3.
Таблица 3 Значения коэффициентов В1 и В2 для температурной зависимости коэффициента В (Т)
Полимер | Температурный интервал, К | B1, МПа | B2, 103/К |
Полиэтилен низкого давления | 293–393 293–388 415–473 423–476 | 448 476 177 174 | – – 4,66 4,56 |
Полипропилен (изотактический) | 453–573 | 152 | 4,18 |
Поливинилхлорид | 293–343 355–370 | 375 352 | 2,41 5,65 |
Величины, характеризующие объемные свойства полимера, можно вычислить дифференцированием уравнения состояния:
|
1 æ ¶V ö
|
α ç ÷
V ¶T
= R =
VM (P + ρ)
RT + V
R ,
(P + ρ)
(11)
è øp m
χ = - 1 æ ¶V ö = RT = RT ;
(12)
ç ÷
V ¶P
VM (P + ρ)2
(P + ρ) [RT + V
(P + ρ)]
è øT m
δ = - 1 æ ¶ P ö = R =
RT .
(13)
ç ÷
P è ¶ T øV PM (V - Vm ) RT - ρM (V - Vm )
Значение коэффициента изотермической сжимаемости может быть оценено по формуле:
χ = V (O,T) A [P + B(T)].
V (P,T)
(14)
Коэффициенты изотермической сжимаемости полимера в стеклообразном или кристаллическом состоянии имеют значения порядка 8–10 Па-1, а в расплаве 3–5 Па-1 [10, 11]. Чем выше степень кристалличности и плотность энергии межмолекулярного взаимодействия, тем меньше сжимаемость полимера. Изменение объема и сжимаемости линейных полимеров определяется в основном изменением межмолекулярных расстояний. Это видно из данных по анизотропии термического расширения, приведенных ниже, а также данных по корреляции значений сжимаемости (расчетных и экспериментальных) и плотности энергии межмолекулярного взаимодействия (табл. 4) [12].
Таблица 4
Связь плотности энергии межмолекулярного взаимодействия с коэффициентами сжимаемости полимеров
Полимер | Плотность энергии межмолекулярного взаимодействия, кДж/см3 | Коэффициент сжимаемости, 10-7см2/Н |
Полиэтилен | 0,3–0,39 | 18,5 |
Политетрафторэтилен | 0,21–0,32 | 28,8 |
Поливинилиденхлорид | 0,31–0,35 | 18,1 |
Политрифторхлорэтилен | 0,21–0,32 | 27,0 |
Полиоксиметилен | 0,36–0,54 | 15,9 |
Еще одним видом уравнения состояния является уравнение Грюнайзена:
|
K Г Г СV ,
(15)
λV VM
где KV = 1/χ – модуль всестороннего сжатия; ГГ – коэффициент Грюнайзена.
Для полимеров различного строения ГГ может изменяться от 0,0024 до 11 и существенно зависит от температуры. Уравнение Грюнайзена плохо работает для аморфных полимеров и ограниченно применяется для аморфно-кристаллических. Одна из причин – непостоянство морфологических и энергетических характеристик структуры аморфных областей и их зависимость от температуры. Однако для качествен-ной оценки взаимосвязи входящих в уравнение Грюнайзена величин его можно использовать.
Для кристаллов и кристаллических областей структуры полимеров уравнение Грюнайзена вполне применимо. Так его можно применить для кристаллов полиэтилена: ГГимеет значение 2–5, а в интервале температур 200–300 К он равен ~ 2,5.
Для линейных и слоистых полимеров значения параметров, входящих в уравнение Грюнайзена, зависят от соответствующих значений сжимаемости и коэффициента термического расширения в осевом и нормальном к оси или плоскости молекулы направлениях.
Заключение
Результаты настоящей работы показали, что для описания теплового расширения полимеров, обусловленное изменением температуры, используются различные формы уравнения состояния: модифицированное уравнение Ван-дер-Ваальса, эмпирическая зависимость изменения объёма от нормального давления при изотермическом нагружении, уравнение Грюнайзена.
Список литературы
1. Костин В.В., Кунижев Б.И., Красюк И.К., Темроков А.И. Исследование ударноволновых и деструкционных процессов при высокоскоростном ударе и лазерном воздействии на мишень из органического стекла // ТВТ. 1997. Т. 33, № 6. С. 962–967.
2. Кунижев Б.И., Куготова А.М., Торшоева З.С., Шетов Р.А. Особенности процесса разрушения полиметилметакрилата при различных видах динамического нагружения // Основные технические материалы. 2021. Т. 899. С. 473-478.
3. Мак-Келви Д.М. Переработка полимеров. М.: Химия, 1965. 442 с.
4. Торнер Р.В. Основы процессов переработки материалов. М., 2022. 89 с.
5. Зуев В.В., Успенская М.В., Олехнович А.О. Физика и химия полимеров. СПб., 2018. 47 с.
6. Ван Кревелен Д.В. Свойства и химическое строение полимеров. М., 1976. 324 с.
7. Аскадский А.А., Матвеев Ю.И. Химическое строение и физические свойства полимеров. М., 1985. 248 с.
8. Вундерлих Б. Физика макромолекул. М.: Мир, 1984. 484 с.
9. Химическая энциклопедия. М.: Большая российская энциклопедия, 1998. 623 с.
10. Справочник по физической химии полимеров. Киев: Наукова думка, 1984. 330 с.
11. Перепелкин К.Е. Теплофизические свойства волокнообразующих полимеров и волокон. М., 1987. 379 с.
12. Перепелкин К.Е. Структура и свойства волокон. М.: Химия, 1985. 208 с.
Об авторах
Борис Иналович КунижевРоссия
Зейнап Султановна Торшхоева
Россия
Малика Муссаевна Полонкоева
Россия
Зарема Исмелхановна Иналова
Россия
Рецензия
Для цитирования:
Кунижев Б.И., Торшхоева З.С., Полонкоева М.М., Иналова З.И. УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ. Известия Кабардино-Балкарского государственного университета. 2022;12(4):26-30.
For citation:
Kunizhev B.I., Torshchoeva Z.S., Polonkoeva M.M., Inalova Z.I. EQUATIONS OF STATE OF POLYMERS. Proceedings of the Kabardino-Balkarian State University. 2022;12(4):26-30. (In Russ.)
JATS XML


