А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

Абразивная износостойкость. За показатель истирания образца пластмассы принимается величина уменьшения его объема

вкубических миллиметрах на 1 м пути истирания шлифовальной шкуркой № 2 при скорости 30 м/с и нагрузке 10–50 МПа.

Водопоглощение. Водопоглощение характеризуется массой воды, поглощенной образцом при пребывании его в холодной (23 °С) или кипящей (для пластмасс с теплостойкостью выше 100 °С) воде

втечение 24 ч, если иное время не оговаривается особо. Определяется взвешиванием предварительно высушенного образца, выдержкой его в воде, вторичным взвешиванием и подсчетом чистого водопоглощения как разности полученных результатов или относительного водопоглощения – изменения массы образца до и после испытаний, отнесенной к массе образца до испытания.

Водопоглощение ячеистых жестких пластмасс. Испытание заключается в измерении количества воды, поглощенной испытываемым образцом, гидростатическим взвешиванием образца после пребывания его в течение заданного времени в дистиллированной воде при (20 ± 2) °С и нормальном давлении.

Вязкость – свойство полимерных материалов оказывать сопротивление необратимому изменению формы.

Деструкция полимерного материала – процесс разрушения макромолекул полимерного материала, приводящий к изменению его свойств.

Динамические модули упругости (в мегапаскалях) и коэффициенты механических потерь при колебаниях консольно закрепленного образца определяются на резонансной установке, обеспечивающей возбуждение колебаний при изгибе и кручении данного образца в интервале частот от 20 до 200 Гц.

Динамический модуль сдвига и тангенс угла механиче-

ских потерь определяются для установления температуры стеклования, оценки степени поперечного сшивания сетчатых полимеров и границы совместимости полимеров с пластификаторами, изучения влияния кристалличности и ориентации на вязкоупругое поведение полимеров.

Долговечность (статическая усталость, замедление разрушения) – фундаментальная характеристика свойств полимеров, определяемая продолжительностью времени от момента нагружения

181

до разрушения полимерного тела при постоянных нагрузке и температуре.

Изгиб статический определяется путем приложения нагрузки к середине стандартного образца (80 10 4 мм), лежащего на двух опорах. При этом проводятся измерения (в мегапаскалях): а) разрушающего напряжения при изгибе; б) изгибающего напряжения при заданной величине прогиба, равной 1,5 толщины образца для пластмасс, не разрушающихся при изгибе; в) максимального напряжения при изгибе. Изгиб статический жестких пластмасс определяют на образцах размером 15 10 1,5 мм. При таких испытаниях обычно определяют: а) временное сопротивление (в мегапаскалях) при изгибе; б) прогиб (в градусах) после приложения нагрузки; в) изгибающее напряжение (в мегапаскалях) при заданной величине прогиба. Результаты испытания используются для сравнительной характеристики пластмасс, однако они не могут являться исходными данными для расчета на прочность изделий из пластмасс.

Изгиб статический ячеистых жестких пластмасс. Испы-

тание проводится путем разрушения или прогиба стандартных образцов 120 25 20 мм, лежащих на двух опорах. Определяются (в мегапаскалях): а) разрушающее напряжение (и его прогиб в миллиметрах в момент разрушения); б) изгибающее напряжение при прогибе (20 ± 0,2) мм.

Кристалличность (степень или коэффициент кристалличности) – характеристика кристаллического состояния полимеров (в процентах), показывающая, какая часть полимера закристаллизована и входит в состав кристаллических областей (кристаллитов). Значение этого показателя (20–80 %) зависит от способов обработки. Соотношение кристаллических и аморфных областей определяет основные свойства полимеров.

Модуль упругости – отношение напряжения (в мегапаскалях) к соответствующей относительной деформации при растяжении или изгибе в пределах пропорциональности; особо выделяется модуль упругости при сжатии ячеистых жестких пластмасс. Метод распространяется на ячеистые жесткие пластмассы с модулем упругости не ниже 5000 МПа и сводится к сжатию образца в виде прямоугольной призмы (30 30 60 мм) на испытательной машине с замером нагрузок и деформаций.

182

Морозостойкость ячеистых эластичных пластмасс определяется коэффициентом морозостойкости: а) по деформации путем определения отношения деформации сжатия образца на 60 % при температуре 20 °С к деформации при заданной пониженной температуре; б) по сравнению величин нагрузки, вызывающей деформацию образца 60 %, при 20 °С и при заданной температуре. Метод характеризуется величиной изменения жесткости материала при пониженной температуре по сравнению с его жесткостью при 20 °С.

Относительная деформация при сжатии ячеистых эла-

стичных пластмасс. Метод определения заключается в измерении высоты образца перед испытанием, выдержке его под ручным прессом с 50 %-м сжатием при 20 °С в течение 72 ч или при 70 °С в течение 22 ч. По истечении заданного времени нагрузку на образец снимают и через 30 мин измеряют высоту. Разность высот относят к первоначальной высоте и выражают в процентах.

Плотность кажущаяся ячеистых пластмасс и губчатых резин. Метод определения заключается в точном измерении объема высушенного до постоянной массы образца точной геометрической формы, взвешивании его в воздухе и подсчете отношения массы образца к его объему.

Прочность полимера на срез. Метод испытания заклю-

чается в определении перерезывающей силы при срезе образца (100 15 10 мм) одновременно по двум плоскостям (образец разрезается на три части).

Растяжение полимерных пленок. Производится на образ-

цах толщиной не более 1,0 мм. При испытаниях используются образцы длиной 150 мм, шириной 10–25 мм при толщине, свойственной данной пленке при одноосном статическом растяжении. Определяют разрушающее напряжение (временное сопротивление), предел текучести и условный предел текучести (в мегапаскалях); относительное удлинение при разрыве и при достижении предела текучести (в процентах).

Растяжение ячеистых жестких пластмасс. При испытании определяют разрушающее напряжение (временное сопротивление) и максимальное напряжение (в мегапаскалях); относительное удлинение при максимальном напряжении и при разрыве (в процентах).

Растяжение ячеистых эластичных пластмасс. При испы-

тании определяют разрушающее напряжение при растяжении – от-

183

ношение нагрузки, при которой разрушился образец, к начальной площади его поперечного сечения; относительное удлинение (в процентах) при разрыве – отношение приращения длины образца, измеренной в момент разрыва, к его первоначальной длине.

Стабильность размеров ячеистых жестких пластмасс.

Метод заключается в определении изменения линейных размеров образцов после их выдержки при определенной температуре (в пределах от –55 до 300 °С) и влажности. Результат изменения размеров (в процентах) определяют после 20 и 48 ч, 7 и 28 сут испытаний.

Стеклование полимеров – переход полимера из высокоэластического состояния в стеклообразное при охлаждении. Характеризуется точкой стеклования – температурой, при которой скачкообразно изменяется коэффициент теплового расширения полимера; изменение же эластических свойств осуществляется значительно более плавно и может происходить в интервале температур в 50 С – температура стеклования.

Температура плавления – максимальная температура интервала плавления кристаллической фазы кристаллизующихся пластмасс. Используется три метода определения температуры плавления: поляризационно-оптический (ПОА), дифференциально-тер- мический (ДТА) и визуальный (ВА).

Температура потери прочности (ТПП) – температура, при которой стандартный образец разрывается в месте надреза под действием небольшой нагрузки (2,5 МПа).

Температура размягчения по Вика (теплостойкость по Вика) – температура, при которой стандартный индентор под действием нагрузки (10 или 50 МПа) внедряется в испытываемый образец, нагреваемый с постоянной скоростью, на глубину 1 мм.

Температура хрупкости при сдавливании сложенного петлей образца (толщиной не более 0,5 мм). Используется для пластмасс с температурой хрупкости ниже нормальной. Регламентируется два режима испытания: статический режим – со скоростью нагружения 0,75 см/с и динамический режим – со скоростью 2 м/с. Три варианта: А – полный (определяется температура хрупкости, при которой разрушились 50 % образцов); Б и В – неполные (при одной определенной температуре учитывается количество разрушившихся образцов).

184

Теплостойкость (в градусах Цельсия) по Мартенсу. Ме-

тод испытания предусматривает определение температуры, при которой образец 120 15 10 мм, нагреваемый со скоростью 5 °С за 6 мин, под действием постоянного изгибающего момента деформируется на заданную величину. Метод неприменим для материалов с теплостойкостью по Мартенсу ниже 40 °С, а также если кривые деформации от температуры имеют S-образную форму.

Толщина пленок и листов. Плоские изделия толщиной до 1,0 мм относят к пленкам; толщиной свыше 1,0 мм – к листам. Измерение толщины производят при (20 ± 2) °С и относительной влажности 65 % стандартными толщиномерами в нескольких местах испытываемого материала.

Ударная вязкость определяется на приборе типа диностата на образцах размерами (15 10 1,5…4,5 мм) с надрезом или без надреза. Ударная вязкость (ударное разрушение) по Изоду определяется испытанием на ударный изгиб консольно закрепленного образца размером 12,7 12,7 63,5 мм или плоского толщиной не менее 3,2 мм. Испытание проводится на маятниковом копре. Ударная вязкость при двухопорном изгибе определяется на образцах размером 120 15 10 и 50 6 4 мм без надреза и с надрезом с указанием положения надреза по отношению к слоям слоистого пластика.

Усталость при циклическом сжатии ячеистых эластичных пластмасс. Метод испытания заключается в определении остаточной деформации материала после его многократного сжатия с частотой 55 цикл/мин и амплитудой деформации 50 %. После 25 тыс. циклов по истечении 30 мин замеряют высоту h образца и вычисляют остаточную деформацию (в процентах):

ε = [(h0 – h1) / h0] 100 %,

где h0 – высота образца перед испытанием.

5.2.Термопластичные полимеры

ипластические массы на их основе

Пластические массы – это материалы на основе природных или синтетических высокомолекулярных соединений, способные перерабатываться в изделия в результате пластической деформации

185

под влиянием нагревания и давления, а затем сохранять закрепленную в результате охлаждения или отверждения форму. Наиболее полно отражают специфические особенности полимерных материалов принципы, основанные на химических свойствах связующего компонента пластмассы. Исходя из этого принципа все полимеры и пластические массы на их основе могут быть разбиты на две принципиально отличные группы – термопластические, или термообратимые (термопласты), и термореактивные, или термонеобратимые (реактопласты).

Термопласты – полимерные материалы, способные при нагревании переходить из стеклообразного (твердого) в вязкотекучее состояние, не изменяя при этом существенно своей химической структуры. При охлаждении термопласты (или детали из них) снова становятся твердыми и могут быть повторно переработаны с некоторым ухудшением свойств.

Указанные особенности термопластов определяют возможность получения из них деталей различными методами горячего формования, литьем под давлением, прессованием, экструзией, выдуванием, вальцеванием. Готовые детали из термопластов и заготовки (так называемые поделочные пластмассы – листы, трубки, стержни и т. п.) могут обрабатываться резанием на токарных, фрезерных и других станках, подвергаться свариванию и склеиванию.

Обычно к термопластам относят также некоторые полимерные материалы, не обладающие этими явно выраженными свойствами, например фторопласт и целлофан. Линейная структура таких полимеров и методы переработки приближают их к остальным термопластам, хотя межмолекулярное взаимодействие, характерное для этой группы, приводит к потере свойств термопластичности ввиду того, что температура их разложения опережает температуру перехода в вязкотекучее состояние. По физико-механическим свойствам, в основном по модулю упругости, пластические массы могут быть жесткими, полужесткими и мягкими.

5.2.1. Полимерные материалы на основе полиолефинов

К полиолефинам относятся продукты полимеризации этилена, пропилена, бутенов и их сополимеры. Широкое применение этих материалов обусловливается сочетанием высоких эксплуата-

186

ционных и технологических свойств и самой низкой стоимостью среди всех полимерных материалов.

Основными представителями данного класса полимеров являются такие материалы, как полиэтилен, полипропилен, полистирол и полиизобутилен.

Полиэтилен – полимер аморфно-кристаллического строения, состоящий из линейных (цепных) и линейно-разветвленных макромолекул.

Выпускается полиэтилен в виде гранул или тонкодисперсных порошков (неокрашенных или окрашенных в разные цвета), а также в виде пленок (тонкие пленки прозрачные), листов, блоков, труб, фасонных деталей и т. п.

Различают полиэтилен высокого (ПВД), среднего (ПСД) и низкого (ПНД) давления. Физико-механические свойства полиэтилена приведены в табл. 5.3–5.5 и на рис. 5.3 и 5.4.

Обладающий более высокой плотностью ПНД называют полиэтиленом высокой плотности (ПЭВП), а ПВД, имеющий меньшую плотность, – полиэтиленом низкой плотности (ПЭНП).

Молекулярная масса полиэтилена зависит от технологии его получения и колеблется в широких пределах: 18 000–25 000 (полиэтилен I), 25 000–35 000 (полиэтилен II) и выше 70 000 (полиэтилен III) углеродных единиц.

При комнатной температуре ПВД и ПСД состоят из 55–70 % кристаллической фазы, а у ПНД она достигает 80–90 %.

Одной из проблем применения полимерных материалов является их старение под действием внешних условий. В табл. 5.5 приведены данные об атмосферном старении светостабилизированного полиэтилена в условиях Санкт-Петербурга.

Основными видами обработки ПВД и ПНД для получения из них изделий, полуфабрикатов и заготовок являются литье под давлением и экструзия, а также вакуумное и пневматическое формование, экструзии с последующим раздувом (раздувное формование).

При литье под давлением ПВД высокого давления применяют марки и рецептуры с хорошей текучестью (высоким показателем текучести расплава). На соотношение между аморфной и кристаллической фазами полиэтилена высокого давления в отлитом изделии влияют степень кристалличности исходного полимера (гранулята), режим охлаждения расплава и температура литьевой формы.

187

188

Таблица 5.5

Изменение свойств светостабилизированного полиэтилена при атмосферном старении

Рис. 5.3. Зависимость разрушающего напряжения при растяжении от температуры:

1 – полиэтилен высокого давления; 2 – полиэтилен низкого давления с относительной молекулярной массой 30 000; 3 – полиэтилен низкого давления с относительной молекулярной массой 350 000

В зависимости от размера и формы детали, текучести расплава ПВД температура литья находится в пределах от 160 до 230 °С, а температура формы – от 20 до 70 °С. С повышением температуры литья и формы достигается более высокая степень кристалличности полиэтилена и улучшается глянец изделия. Усад-

189

ка при литье в зависимости от условий впрыска у низковязкого полиэтилена достигает 1,5–3,5 %, а при плохой текучести – 2–4 %. Давление впрыска для ПВД составляет примерно 50–100 МПа.

Рис. 5.4. Зависимость относительного удлинения при разрыве от температуры:

1 – полиэтилен высокого давления; 2 – полиэтилен низкого давления с относительной молекулярной массой 30 000; 3 – полиэтилен низкого давления с относительной молекулярной массой 350 000

Для литья под давлением полиэтилена низкого давления, так же как и в случае ПВД, используют марки и рецептуры с хорошей текучестью. В зависимости от размера и формы детали, показателя текучести расплава температура разливки ПНД составляет от 200 до 270 °С, температура формы – от 50 до 70 °С, продолжительность цикла литья – от 30 до 90 с. При повышении температуры литья и формы у полиэтилена низкого давления, так же как и у ПВД, достигается более высокая степень кристалличности полимера и улучшается глянец изделия. Усадка при переработке в зависимости от условий впрыскивания находится в интервале от 2 до 3 %, давление впрыска для ПНД составляет примерно 90–120 МПа. При повышении температуры и давления литья усадка изделий уменьшается.

В табл. 5.6 приведены значения теплоемкости и температурного коэффициента линейного расширения полиэтилена.

190