книги из ГПНТБ / Герметизация полимерными материалами в радиоэлектронике

4-0. Плотность

Плотность р — отношение массы сплошного тела к его объему. Объемная масса пористых тел (для сыпу­ чих материалов — «насыпная масса»)— отношение мас­ сы тела к его полному (включая объем пор) объему; измеряется в тех же единицах, что и плотность, п чис­ ленно меньше плотности соответствующего сплошного твердого тела.

При технических измерениях определяют плотность материала делением массы образца на его объем, при­ чем масса определяется взвешиванием навесах, а объем для твердых материалов — обмером геометрических раз­ меров, для жидкостей же п сыпучих веществ посредст­ вом мерного сосуда (мензурки). Упористых материалов, сыпучих веществ и пр. деление массы на полный объем

Если обозначить через т — массу образца, V — объем образца (включая объем пор), Vn — объем пор в образце, р — истинную плотность сплошного вещества, pi — объемную массу, то

т

т

Пористость материала, т. е. отношение объема пор к полному объему:

может быть определена точным измерением объема (например, пик­ нометром, см. ниже) целого образца и затем того же образца, измельченного в тонкий порошок; разность обоих объемов, отнесен­ ная к объему целого образца, дает величину Л.

Для точных измерений плотности или удельной мас­ сы применяют для определения плотности твердых тел — метод гидростатического взвешивания и метод пикнометра; для определения плотности жидкостей — методы ареометра, гидростатического взвешивания и пикнометра.

ланного в прибор ртутного термометра), а в верхней части — шкала. Когда ареометр плавает в испытываемой жидкости, имеющей темпе­ ратуру 20 °С, отсчет по его шкале в месте пересечения ее с уровнем

120

жидкости (верхний край мениска) дает непосредственно величину d204. Ареометр не должен касаться стенок сосуда, в который залита испытываемая жидкость; погружать ареометр следует осторожно, чтобы часть его, выступающая из жидкости, не была смочена.

Иногда удельная масса жидкости определяется ареометрами, градуированными в условных градусах, из которых ранее были наи­ более употребительны «градусы Боме» (°Ве). Связь истинной удель­

Пикнометр. Пикнометром называется небольшой стеклянный со­ суд, в который можно заливать строго определенный объем жидко­ сти (жидкость заливается до метки или же применяется особая проб­ ка, через которую вытекает избыток залитой жидкости). При заливке

При определении пикнометром плотности жидкости производят три взвешивания па точных аналитических весах, причем находят массу пустого пикнометра Мр, массу пикнометра, залитого дистилли­ рованной водой, Мг; массу пикнометра, залитого испытываемой

Здесь р' — плотность воды и р" — плотность воздуха при темпе­ ратуре наблюдения. При менее точных измерениях достаточно огра­ ничиться для расчета выражением

го тела, определяют массы образца твердого тела М\ пикнометра, залитого дистиллированной водой, М'\ пикнометра с водой, в кото­ рую введено испытываемое твердое тело и из которого вытесненная им вода удалена (уровень воды остается прежним), М".

Искомая плотность

М + М ' — М " ’

Метод гидростатического взвешивания. Метод основан на умень­ шении веса твердого тела, погруженного в жидкость, по закону Архимеда.

Если метод применяется к жидким телам, то к крючку чашки аналитических весов подвешивают на тонкой проволочке «поплавок»

стермометром и определяют кажущиеся массы:

1)поплавка в воздухе М ь

2)поплавка, погруженного в дистиллированную воду, М2;

3)поплавка, погруженного в испытываемую жидкость, М3.

}21

измерения плотности твердых тел подвешивают к крючку чашки аналитических весов на топкой проволочке испытываемый образец и определяют кажущиеся массы образца в воздухе М и образца, по­ груженного в дистиллированную воду, М'

Затем снимают образец с проволочки и определяют массу М0 одной проволочки, которая должна быть погружена в воду прибли­ зительно на ту же глубину, что и при предыдущем взвешивании.

4-10. Механические характеристики

По отношению к воздействиям механических на­ грузок материалы условно подразделяются на эластич­

раньше, чем образец будет разрушен, образец стремит­ ся восстановить свои первоначальные размеры и фор­ му. Пластичные материалы также дают относительно большие деформации, но по снятии нагрузки образец сохраняет размеры и форму, которые он приобрел под воздействием нагрузки.

Хрупкие материалы при приложении достаточной механической нагрузки разрушаются, не обнаруживая значительной деформации. Механические свойства поли­ мерных материалов существенно зависят от температу­ ры, иногда и от влажности, поэтому при механических испытаниях испытуемые образцы должны находить­ ся в определенных условиях температуры и влажности. Большое значение при механических испытаниях имеет характер приложения нагрузки. Различают статическую (плавно возрастающую) и динамическую (прилагаемую внезапно) нагрузки.

Хрупкие диэлектрики сравнительно легко разруша­ ются под воздействием динамических нагрузок и обла­ дают большой прочностью по отношению к статическим

} 22

Нагрузкам. Пластичные материалы в ряде случаев по­ степенно увеличивают деформацию при длительном при­ ложении сравнительно небольшой статической нагрузки (текучесть под нагрузкой).

Механические испытания имеют своей основной за­ дачей определение механических разрушающих напря­ жений и возникающих при этом деформаций материала. Для проведения испытаний на разрыв и сжатие при­ меняются специальные устройства: разрывные машины различных размеров, испытательные прессы, динамо­ метры.

Образец с поперечным сечением 5 подвергается действию плавно возврастаюьцего растягивающего усилия. При определенном значении этого усилия Рр происходит разрыв образца. Предел прочности при растяжении находится из выражения

должна быть большой по сравнению с его поперечными размерами во избежание продольного изгиба), разрушаемого плавно возрас­ тающим сжимающим усилием, определяется следующим образом:

перечное сечение образца, измеренное перед испытаниями. Прочность полимерных материалов при воздействии изгибающих

усилий зависит от скорости нарастания нагрузки. Определяют пре­ дел прочности при статическом и динамическом изгибе.

Предел прочности при статическом изгибе сги определяется для бруска прямоугольного сечения, свободно лежащего на двух опорах, причем плавно возрастающая нагрузка прилагается в середине образца:

3 P J

(4-29)

123

где Л,, — разрушающая нагрузка при статическом изгибе; / — длина образца между зажимами; Ь — ширина образца; 1\ — высота образца.

Испытания на статический изгиб производятся на тех же раз­ рывных машинах и прессах, которые применяют при определении прочности при растяжении и сжатии.

Образцы материалов для испытаний на изгиб могут быть раз­ личной формы и размеров.

Для испытания на ударный изгиб служит маятниковый копер.

Твердость полимерного диэлектрика—это способ­ ность его поверхностного слоя противостоять деформа­ ции от действия динамического или статического сжи­ мающего усилия. Истираемость—это способность мате­ риала противостоять механическому износу от действия сил трения. Существует целый ряд методов определения твердости: способ вдавливаемого шарика (способ Бринелля), способ маятника (способ Кузнецова), способ падающего шарика (способ Шора).

Приборы для определения гибкости тонких листовых материалов основаны на определении числа перегибов тонкого материала, вызывающих при определенных условиях его разрушение. Определение гибкости произ­ водится на фальцовочной машине. Мерой гибкости яв­ ляется число двойных перегибов до момента обрыва образца материала.

Пластичность — появление остаточных деформаций при действии механических нагрузок на сравнительно мягкие диэлектрики (битумы, термопластичные ком­ паунды) .

Эластичность определяется величиной деформация материала, достигаемой без его разрушения. Испыта­ ния в условиях вибрации проводятся для того, чтобы определить возможность длительного функционирова­ ния материала или изделия из него в условиях вибра­

124

I ' л а в а п я т а я

ВЛИЯНИЕ ВЛАГИ НА СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Трудность разработки защиты от влаги на основе полимерных материалов объясняется двумя причинами. Одна из них заключается в способности всех полимер­ ных органических материалов поглощать (сорбировать) вл-агу. Наблюдаемые при этом различия в сорбции влаги между отдельными материалами объясняются различиями в скорости процесса сорбции, количестве сорбированной влаги и форме ее распределения по объему материала. Вторая причина лежит в изменении, как правило, в сторону ухудшения всех практически важных свойств материалов в результате поглощения ими влаги. Вследствие этого вероятны случаи отказов герметизированных полимерами изделий в результате проникновения влаги к поверхности или в объем изде­ лия, значительного ухудшения свойств самой защитной оболочки пли развития в пей вторичных явлений, свя­ занных с наличием влаги.

/

5-1. Сорбция полимерами влаги

Активированная сорбция. Находящиеся в воздухе молекулы воды обладают сильно выраженной способ­ ностью проникать не только в открытые поры, трещины, капилляры, но и в межмолекулярное пространство поли­ мера. Поэтому при длительном контакте с влажным воздухом или жидкой водой полимеры насыщаются влагой до некоторого равновесного состояния, завися­ щего от влажности воздуха, его температуры и струк­ туры полимера. Способность полимеров поглощать во­ дяные пары из воздуха называют его влагопоглощаемостью. При погружении полимеров в воду соответст­ венно пользуются понятием водопоглощаемости.

Проникновение влаги в полимеры может происходить по различным механизмам в зависимости от типа поли­ мера. Однако для всех без исключения органических полимеров является обязательным один вид влагопоглощения или сорбции — внедрение молекул воды в меж­ молекулярное пространство полимера (растворение влаги).

125

Небольшие по размерам (около 2,5-НИ10 м) моле­ кулы воды, находясь в непрерывном тепловом движе­ нии и двигаясь с большими скоростями, непрерывно бомбардируют поверхность материала. В результате часть молекул воды в каждый данный момент имеет возможность закрепиться на поверхности материала в неплотностях или «дырках», образуемых как па по­ верхности, так и в объеме материала также в резуль­ тате теплового движения молекул полимера и их отдельных звеньев и участков. В последующем эти молекулы воды наряду с отрывом п уходом обратно в воздух имеют вероятность попасть в такие же сосед­ ние дырки, расположенные более глубоко от поверхно­ сти материала, и закрепиться там. Эти закрепившиеся молекулы в свою очередь имеют вероятность перейти дальше в глубь полимера па образовавшиеся соседние дырки, особенно если ближние в направлении поверх­ ности дырки оказались занятыми такими же молекула­ ми воды.

В действительности так и происходит, с той особен­ ностью, что перемещается из объема к поверхности материала и уходит в окружающую среду меньшее ко­ личество молекул воды, чем закрепляется на поверхно­ сти и двигается в объем материала. Такое положение наблюдается лишь до момента, пока в материале не окажется такого количества молекул воды, которое будет соответствовать данному парциальному давлению влаги, т. е. содержанию воды в воздухе. После этого процессы адсорбции и сорбции и обратный процесс де­ сорбции не прекращаются, но в этом случае количества молекул, попадающих в материал и покидающих его, становятся равными, т. е. наступает динамическое рав­ новесие (равновесное влагопоглощенпе).

Этот вид сорбции, связанный с внедрением молекул воды между молекулами полимера, протекает с затра­ той добавочной тепловой энергии—энергии активации. Поэтому описанный процесс называется активированной сорбцией.

Неактивированная сорбция. Этот вид сорбции на­ блюдается при увлажнении материалов, имеющих капилляры и открытые поры, а также водорастворимые

126

Рис. 5-1. Осмотическое проникновение влаги под пленку полимера.

пленкой полимера; 4 — раствор с малой концентрацией ионов примесей на поверхности пленки полимера.

В соответствии с рис. 5-1 в этом слу­ чае по одну (наружную) сторону пленки находится водный раствор малой концен­ трации ионов, по другую (внутреннюю) — раствор большой концентрации, т. е. со­ здаются условия для осмотического пере­ мещения влаги под пленку. В конечном итоге пленка полимера начнет от­ слаиваться от поверхности и вспучи­ ваться.

Для исключения осмотического поглощения и пере­ мещения влаги необходимо устранять как из полимера, так и с поверхности защищаемого изделия водораство­ римые примеси путем тщательной очистки компонентов полимера (особенно пигментов и наполнителей) и про­ мывки от солей и кислот поверхности изделий перед их герметизацией.

Кинетика и изотермы сорбции. Количество сорбиро­ ванной материалом влаги увеличивается с повышением парциального давления паров воды, т. е. с увеличением количества молекул воды в воздухе. Для ряда мате­ риалов наблюдается прямая пропорциональность меж­ ду количеством поглощенной влаги Q и давлением паров воды р:

коэффициентом растворимости влаги, численно равен количеству влаги, растворяемой в 1 м3 материала, при давлении паров воды, равном 133,3 Па.

Уравнение (5-4) справедливо для растворов малой концентрации при условии отсутствия диссоциации и ассоциации молекул растворяющегося вещества и их химического взаимодействия с молекулами раствори­ теля. При растворении в полимере пароз воды силы взаимодействия между молекулами полимера заметно не уменьшаются, так как количество растворенной воды бывает обычно сравнительно небольшим. Уравнение (5-4), отражающее известный закон Генри, соблюдает-