Кинетическая теория высокоэластичности

При деформации эластомеры проявляют упругость, природа которой схожа с упругостью газов. И сжатие газа, и растяжение эластомера приводят к возникновению сопротивления растяжению образца. Модуль упругости газа и равновесный модуль эластичности возрастают пропорционально температуре (с повышением температуры увеличивается интенсивность теплового движения и возрастает сопротивление деформации).

Одинаковая природа упругости газов и эластомеров и близкие значения их модулей упругости нашли практическое применение (например, резиновая шина, заполненная воздухом).

Однако есть и значительные отличия. Так, у газов межмолекулярные взаимодействия незначительны, а у эластомеров – значительны. При деформации газов меняется объем (уменьшается расстояние между молекулами), а при деформации эластомеров объем не изменяется.

Таким образом, при деформации высокоэластического полимера меняется степень свернутости макромолекул, что приводит их из более вероятного в менее вероятное состояние. После прекращения действия нагрузки полимерные цепи с течением времени самопроизвольно под влиянием теплового движения возвращаются к исходному состоянию.

Развитие кинетической теории высокоэластичности позволило количественно связать равновесные упругие свойства идеальных сеток с их структурными параметрами. В теории идеальная полимерная сетка рассматривается в виде пространственной структуры, образованной полимерными цепями, соединенными между собой в узлах.

Напряжение σ, рассчитанное на исходное сечение образца:

где ρ – плотность образца; М_с – молекулярная масса; R – газовая постоянная; Т – температура; D – относительное удлинение.Относительное удлинение равно отношению текущей длины образца l к начальной длине Lo:

М.В. Волькенштейном, О.Б. Птицыным, П. Флори теоретически было доказано, что высокоэластическая деформация имеет не только кинетический, но и энергетический характер, т.е. связана с преодолением потенциальных барьеров внутреннего вращения. Эта зависимость описывается эмпирическим уравнением Муни-Ривлина:

где А – постоянная для данного полимера.

Таким образом, кинетическая теория базируется на четырех условиях: тенденция макромолекул к искривлению, высокая гибкость макромолекул, степень сшивки и преодоление потенциальных барьеров вращения.