Вязкоупругость — это комплексное свойство полимерных материалов, проявляющееся в сочетании вязких (диссипативных) и упругих (энергетически обратимых) реакций на деформацию. Под воздействием внешних сил полимер демонстрирует как немедленное упругое восстановление формы, так и временное течение, связанное с внутренним перемещением макромолекул.
Вязкоупругие эффекты являются результатом молекулярной подвижности цепей полимера, наличия свободных объемов, степени кристалличности и взаимодействий между макромолекулами.
Основной механизм вязкоупругого поведения связан с релаксационными процессами в полимере. Ключевые типы процессов:
α-Релаксация (главная релаксация) Происходит около температуры стеклования (Tg) и связана с крупномасштабными сегментными движениями полимерных цепей. Определяет основные механические свойства при эксплуатационных температурах.
β- и γ-релаксации (второстепенные релаксации) Обусловлены локальными вращениями боковых групп или отдельными сегментами основной цепи. Проявляются при температурах ниже Tg и влияют на хрупкость и ударную вязкость.
Релаксация при течении (долговременная деформация) Связана с цепным скольжением и перестройкой макромолекул, проявляется в виде ползучести и релаксации напряжений при постоянной нагрузке.
Для количественного описания вязкоупругости используются механические модели, основанные на комбинации упругих (пружины) и вязких (демпферы) элементов:
Модель Максвелла Последовательное соединение пружины и вязкого демпфера. Подходит для описания процессов релаксации напряжений, когда материал постепенно теряет способность сопротивляться деформации при постоянной нагрузке.
Модель Кельвина–Фойгта Параллельное соединение пружины и демпфера. Используется для описания ползучести, когда материал демонстрирует ограниченное, но постепенное увеличение деформации при постоянном напряжении.
Обобщённые модели (многократные комбинации) Позволяют описывать сложные спектры релаксации, характерные для реальных полимеров с широкой молекулярной массой и различной структурной неоднородностью.
Ключевые параметры:
Динамическая механическая спектроскопия (DMA) Измеряет модуль упругости и потери энергии как функцию температуры и частоты, позволяя выявить α-, β-, γ-релаксации.
Релаксация напряжений Измерение уменьшения напряжения при фиксированной деформации, выявляющее характерные времена релаксации.
Ползучесть Измерение возрастания деформации при постоянной нагрузке, даёт информацию о долговременной стабильности материала.
Вискозиметрические методы Применяются для расплавов и растворов полимеров, характеризующих молекулярное взаимодействие и скольжение цепей.
Вязкоупругие полимеры находят широкое применение в амортизаторах, уплотнителях, покрытиях, биоматериалах, где требуется комбинация поглощения энергии и восстановления формы. Управление вязкоупругими свойствами позволяет создавать материалы с заданной долговечностью, ударной вязкостью и упругой памятью формы.