ТЕМАТИЧЕСКИЕ НОМЕРА

Температура окружающей среды

Тепловое поведение полимерных материалов является их важнейшей характеристикой, определяющей выбор пластмасс и их эффективное использование. Большинство пластиков отчетливо реагирует на, как принято говорить, температуру. Причина этого заключается в цепном макромолекулярном строении полимеров. Чем подвижнее кинетические фрагменты макромолекул, тем рельефнее их реакция на интенсивность теплового поля. Подвижность же макроцепей и, следовательно, температурная деформируемость и прочность определяются химическим строением, физической организацией полимеров (кристаллические или аморфные), морфологией их надмолекулярной структуры (пачечная, фибриллярная, сферолитная, сетчатая), видом и интенсивностью межмолекулярных связей и, наконец, тем, к какому классу полимеров (термопластичным или термореактивным) они относятся.

1. Чем ниже физико-механические свойства термопласта, тем он чувствительнее к изменениям температуры. Так, среди полиолефинов полипропилен, прочность и жесткость которого позволяет отнести его к конструкционным материалам, при нагреве до 80 ⁰С теряет около 25% стандартной прочности при изгибе, в то время как полиэтилен высокой плотности уже при 60 ⁰С сохраняет лишь половину исходной прочности. Сходные соотношения наблюдаются при испытаниях полиолефинов на растяжение и изгиб.

2. Аморфные полимеры в целом демонстрируют меньшую зависимость деформационно-прочностных свойств от температуры. Вместе с тем и в этой группе большая теплостойкость материала определяет соответственно и повышенное сопротивление тепловому воздействию. Такие пластики как полиарбонат (ПК), полиэтилентерефталат (ПЭТФ), полисульфон (ПСФ) при Т больше 100 ⁰С сохраняют более 70% прочности.

3. Жесткость полимерных материалов при стандартной температуре не согласуется с их прочностью при нагреве. При близком значении стандартной твердости всех представленных пластиков материалы на основе полимеров стирола (ПС, УПС, АБС) демонстрирует наиболее отчетливую зависимость прочности при растяжении от температуры.

4. Введение рубленного стекловолокна в термопласты (содержание до 30%) способствует уменьшению теплозависимости свойств, причем не только при нагревании, но и при температурах до -60 ⁰С. И в этом случае свойства полимерного связующего определяют поведение наполненного композита.

5. Температура весьма существенно влияет на жесткость термопластов, характеризуемую их модулем упругости. Деформируемость кристаллизующихся термопластов (ПЭВП, ПА 12, ПА 66) резко изменяется даже при сравнительно небольшой вариативности температуры в нешироком (-40...+40 ⁰С) интервале. Эту особенность необходимо обязательно учитывать, выбирая пластик для изготовления деталей конструкционного назначения, особенно предназначенных для работы в условиях длительных циклических напряжений (ПА66, СФ, ПК).

6. Ударная вязкость термопластов в функции температуры принципиально антибатна поведению модуля упругости, то есть с возрастанием температуры она увеличивается, а с понижением – соответственно, падает. Необходимо учитывать, что на получаемые результаты существенно влияет методика оценки этого параметра. Даже при испытании по методу Шарпи наличие или отсутствие надреза на образце приводит к несовпадающим результатам. Образцы без надреза имеют существенно меньшую теплозависимость, чем образцы с концентратором напряжений (надрез).

Влияние температуры на термореактивные пластики определяется, прежде всего, поведением сетчатого связующего. Известно, что в области стеклообразного состояния с повышением температуры деформационно-прочностные свойства медленно понижаются до достижения температуры размягчения, превышение которой сопровождается ускоренным падением свойств. В отдельных случаях в температурном интервале 10-20 градусов значение модуля упругости и разрушающего напряжения уменьшается на два десятичных порядка. Наличие дисперсных наполнителей, оказывающих аддитивное действие на композит, несколько сглаживает эту ступень, а в случае высоконаполненных армированных пластиков переход связующего из твердого, стеклообразного в высокоэластичное состояние происходит еще медленнее.

Анализ данных по тепловой прочности стеклопластиков (табл. 1) показывает, что при изгибе резкое падение разрушающих напряжений происходит при температурах, выше температуры размягчения соответствующей эпоксидной смолы.

Таблица 1: Прочность эпоксидных стеклопластиков при различных температурах

Большинство реактопластов способны эксплуатироваться в криогенных условиях при температурах до -60 ⁰С, при этом их деформационно-прочностные характеристики, включая и ударную вязкость, даже несколько возрастают (табл. 2 и 3). Один из наиболее распространенных стеклопластиков, материал АГ-4В, получаемый на фенолоформальдегидном связующем, модифицированном поливинилбутиралем, сохраняет высокие значения свойств до температуры 100 ⁰С и не утрачивает их полностью до 300 ⁰С (см. табл. 2).

Таблица 2: Влияние температуры на свойства АГ-4В

Применение кремнийорганических связующих (материал РТП, табл. 3) позволяет расширить температурный диапазон использования этих материалов от -60 до +400 ⁰С. Введение в состав связующего нитрильного каучука (СНК-2-27, табл. 3) способствует сохранению высоких физико-механических свойств в области низких температур.

Таблица 3: Влияние температуры на свойства стекловолокнистых пресс-материалов

www.newchemistry.ru