Для эластомеров характерна главным образом высокопластическая деформация, которая развивается с относительно небольшой скоростью. Процесс ее развития при комнатной температуре может продлиться минуты, часы, а иногда десятки суток. Упругая деформация в полимерах развивается за доли секунды, поэтому основной тин физических релаксационных процессов, наблюдаемых в полимерах, связан с переходом от «мгновенной упругой» к «медленной» высокоэластичной деформации. Эти релаксационные процессы называют главными физическими релаксационными процессами или альфа-процессами релаксации. При понижении температуры такие процессы замедляются и высокопластическая деформация не развивается за реальное время наблюдения. Тогда, при температуре стеклования Тс материал переходит в стеклообразное состояние.
Кроме физических, для резин характерны химические релаксационные процессы, которые связаны с изменением химической структуры каучука или пространственной сетки – разрывом и образованием новых химических связей, что определяет процесс старения резин. Чем выше температуры, тем быстрее идет старение. Медленные процессы химической релаксации могут наблюдаться и при комнатной температуре.
В чистом виде релаксационные процессы можно наблюдать в случае, если тело после приложения нагрузки находится при постоянной деформации, а напряжение уменьшается (релаксация напряжения) или если нагрузка остается постоянной, а деформация увеличивается (ползучесть). Еще один простой вид проявления релаксационных процессов – это восстановление.
Релаксация напряжения – это постепенное снижение снижение во времени начального напряжения до его равновесного состояния в условиях постоянной деформации (рис.1)
Время релаксации зависит от напряжения в образце и температуры. При понижении температуры физическая релаксация замедляется; с повышением температуры происходит ускорение релаксации и приближение напряжения к равновесному. Релаксация напряжения в резиновых изделиях на практике проявляется в сжатых до постоянного размера уплотнительных деталях (например, фланцевых прокладках, уплотнительных кольцах и т.п.) и пожжет в определенных условиях привести к потере герметичности – так называемому разуплотнению.
Однако, как правило, при комнатной и повышенных температурах потеря герметичности наступает в результате не физических, а химических релаксационных процессов. Для этого описания используют уравнение:
G = G0 e-kt ,
Где G и G0 — текущее к моменту t и начальное (при t = 0) напряжения соответственно; k –константа скорости процесса, зависящая от химической природы релаксационного процесса, температуры и типа полимера.
Для описания процессов физической релаксации такое простое уравнение неприменимо и обычно используют набор экспонент с различными константами (либо обратными величинами, называемыми временем релаксации t) или даже непрерывный спектр времен релаксации.
Ползучесть – это процесс увеличения начальной деформации во времени после приложении постоянной нагрузки до равновесного значения деформации (рис.2).
E = E0 ebt
Где E и E0 — текущая и начальная деформации соответственно; b – константа скорости процесса , зависящая от природы химической релаксации, температуры и природы полимера.
Это уравнение используют для не слишком больших значений t.
Восстановление – процесс измерения деформации во времени после снятия нагрузки с образца. Его теоретические основы позволяют предполагать, что потенциальная энергия, накопленная в напряженном образце, переходит в процессе самопроизвольного восстановления в кинетическую. На скорость восстановления влияют не только релаксационные процессы, но и упругие свойства материала. Способность резины восстанавливать свои размеры и форму после снятия нагрузки определяется теми же свойствами, что и способность деформироваться Кинетическая кривая восстановления после разгрузки (рис.3) обычно является зеркальным отображением кривой ползучести.
Восстановление в заданных температурно-временных условиях характеризуется относительной восстанавливаемостью K
Для растяжения
K = (l1 — l)/(l1 – l0)
Для сжатия
K = (h – h1)/(h0 – h1),
Где — размеры образца до деформирования, в деформированном состоянии и после освобождения от нагрузки соответственно.