Любой, кто увлекается длительными пешими прогулками, знает, что в походе идти всегда легче ранней весной, чем в середине лета. Когда организм подвергается значительной физической нагрузке, вероятность успеха зависит от температуры. Полимеры следуют тем же принципам. Чем более жаркой становится окружающая среда, тем меньше производительности мы можем ожидать.
Инженеры, имеющие классическую подготовку в сфере материалов, обычно имеют обширные знания по металлам. Следовательно, они привыкли к высокому уровню температурно-зависимого поведения металлов, который полимеры не обеспечивают. Даже металл с относительно низкими эксплуатационными характеристиками, такой как алюминий, имеет практически одинаковые механические свойства при температуре от комнатной до 250-300°C. И даже при приближении к температуре плавления сохранение характеристик может достигать 80% от характеристик при комнатной температуре. Это даже лучше прослеживается для таких материалов, как медь, латунь и сталь, у которых температура плавления выше. Таким свойствам металлов способствует тот факт, что молекулы металлических веществ малы и легко организуются в четко определенную и предсказуемую кристаллическую структуру.
Для полимеров это не так. Отдельные молекулы, из которых состоят полимерные материалы, очень велики и имеют вытянутую цепочечную форму, что приводит к запутанной структуре. Эта запутанность выгодна в некоторых отношениях. Относительно высокие уровни удлинения, которые демонстрируют большинство полимеров без разрыва, в значительной степени обусловлены запутыванием цепей. Однако эта запутанность также ограничивает свободу, необходимую на молекулярном уровне для организации кристаллов. Следовательно, ни один полимер при нормальных условиях переработки не является полностью кристаллическим, а некоторые полимеры не кристаллизуются в какой-либо значительной степени.
Влияние изменения температуры на полимеры
Отсутствие предсказуемой и воспроизводимой структуры приводит к тому, что изменения температуры всегда влияют на механические свойства полимеров. Это явление можно зафиксировать, проведя механические испытания любого материала при различных температурах. Один из самых простых способов определения основных свойств материала в широком диапазоне температур включает метод, известный как динамический механический анализ (ДМА). Этот метод позволяет измерить так много аспектов поведения полимера, что этой теме посвящены целые книги. Однако для нашей статьи мы можем сосредоточиться на одном небольшом аспекте: способности измерять модуль упругости материала как функцию температуры.
Рис. 1 . График зависимости модуля упругости от температуры для неармированного нейлона 6 (полукристаллического) и поликарбоната (аморфного).
На рис. 1 представлен график зависимости модуля упругости от температуры для двух хорошо известных и часто используемых полимеров; нейлон 6 и поликарбонат (ПК). Оба протестированных материала неармированы. Нейлон 6 является полукристаллическим полимером, в то время как поликарбонат является аморфным, и результаты, показанные здесь, представляют собой типичное поведение для этих двух классов материалов. При комнатной температуре модуль упругости обоих материалов соответствует модулю растяжения, указанному в паспорте, с точностью до 2-3%. Но в то время как большинство спецификаций содержат мало информации о влиянии температуры на свойства или вообще не содержат ее, графики на рис. 1 дают полную карту температурно-зависимого поведения двух материалов.
Ни один полимер при нормальных условиях обработки не является полностью кристаллическим, а некоторые полимеры не кристаллизуются в какой-либо значительной степени.
Аморфный поликарбонат
Аморфный поликарбонат имеет только одну температуру перехода, известную как температура стеклования (Tg). Это температура, при которой отдельные полимерные цепи становятся достаточно подвижными на молекулярном уровне, чтобы двигаться независимо, несмотря на то, что они остаются запутанными. Конструктивно это явление можно уподобить температуре размягчения, и в технических целях материал при прохождении этого перехода теряет все несущие свойства. Между комнатной температурой и началом стеклования модуль пластичности относительно постоянен, снижаясь примерно на 20% между комнатной температурой и 135°C, значение, которое хорошо согласуется с температурой прогиба под нагрузкой (DTUL). Тем не менее, между комнатной температурой и DTUL большинство спецификаций дают мало информации о влиянии температуры на несущую способность.
Полукристаллический нейлон 6
Поведение полукристаллического нейлона 6 несколько отличается от поведения аморфного поликарбоната. Нейлон 6 называют полукристаллическим, потому что, как и все полимеры этого класса, он состоит из структурной смеси кристаллических и аморфных областей. При повышении температуры аморфные области становятся подвижными, и об этой подвижности снова свидетельствует стеклование. Это происходит при температуре от 50°C до 100°C со средней точкой около 70-75°C, и в результате модуль снижается примерно до 20% от его значения при комнатной температуре. Но он не падает до нуля, как поликарбонат, из-за наличия кристаллической структуры.
Эта организованная структура сохраняет сниженный уровень производительности, который сохраняется до тех пор, пока температура не поднимется до точки плавления кристаллов нейлона, или около 220-225°C. Все аморфные полимеры реагируют на температуру, аналогичную реакции поликарбоната. Единственная разница между различными аморфными полимерами, такими как АБС, ПВХ, ПК и полисульфон, заключается в температуре стеклования. Нейлон 6 служит моделью температурно-зависимого поведения всех полукристаллических полимеров. Отличительными чертами полукристаллических полимеров являются температура стеклования, точка плавления и степень снижения модуля, связанная со стеклованием. Для большинства ненаполненных полукристаллических полимеров это снижение будет составлять 60-90% от модуля до Tg.
Чем более кристаллической является структура полимера, тем меньше падение модуля через Tg.
Важно подчеркнуть, что Tg и температура плавления (Tm) являются фундаментальными свойствами для каждого полимера. Мы можем уменьшить влияние, которое Tg оказывает на модуль упругости полукристаллического полимера, путем добавления наполнителей и армирующих материалов. Можно добиться аналогичных преимуществ в аморфных полимерах при температурах ниже Tg. Однако температуры перехода не меняются. Tg (для аморфных полимеров) и Tm (для полукристаллических полимеров) представляют собой верхний предел, при котором полимер может работать в условиях применения даже в течение очень короткого промежутка времени. Короткий промежуток времени в этом случае может быть определен в минутах, а не в часах, днях или неделях.
Кривые напряжения-деформации
Рис.2 . Кривые напряжение-деформация при различных температурах для нейлона 66, армированного стекловолокном на 43%.
Хотя DMA дает полную карту поведения модуля упругости в зависимости от температуры, он ничего не говорит нам о фактической прочности материала. Для этого нам нужно обратиться к кривым напряжения-деформации и изучить взаимосвязь между напряжением и деформацией в зависимости от изменений температуры (см. рис. 2, сравнивающий кривые для нейлона 6/6, армированного 43% стекловолокна).
Несмотря на то, что почти половина состава состоит из неполимерного стекловолокна, форма кривой напряжения-деформации существенно меняется. Как правило, прочность и жесткость снижаются с повышением температуры, в то время как относительное удлинение при разрыве, являющееся хорошим относительным показателем пластичности, увеличивается. Хотя все три кривые относительно близки к комнатной температуре, характеристики материала значительно снижаются по сравнению со значениями, указанными в паспорте. При 85°C предел текучести этого материала составляет менее 60% от значения при комнатной температуре, указанного в техпаспорте.
Кроме того, в техпаспорте указаны только определенные точки на кривой. Предел текучести и деформация представляют собой одну координату на континууме кривой напряжения-деформации, а модуль представляет собой просто наклон этой кривой в области, где эти две величины пропорциональны.
Чтобы точно смоделировать структурное поведение материала, важно знать форму кривой напряжения-деформации при определенной температуре. Сюда входят точки на кривой, где зависимость между напряжением и деформацией становится нелинейной; так называемый пропорциональный предел. В то время как деформации при текучести обычно составляют от 3% до 10% для большинства термопластов, деформации на пределе пропорциональности редко превышают 1%, а для многих материалов составляют менее 0,5%.
Шестьдесят лет назад пластмассы часто считались дешевыми заменителями дерева, металла и стекла. Рынки, которые они обслуживали, часто не предъявляли значительных требований к характеристикам несущей способности материалов, а влияние колебаний температуры не вызывало особого беспокойства. Но сегодня пластиковые материалы используются в самых разных сложных условиях, где ожидается высокая степень надежности в широком диапазоне температур в течение длительных периодов времени. Наше понимание свойств этих материалов должно соответствовать этим требованиям.
Компания Полимернагрев специализируется на производстве электронагревателей для производства или обработки полимеров. Если вы ищете нагреватель для экструдера, термопластавтомата, выдувного формования, гранулятора полимеров, сушки пластика, вакуумной формовки или другого оборудования, в котором происходит нагрев полимеров, обращайтесь к нам по телефону или через форму на сайте – наши специалисты имеют огромный опыт в сфере нагрева полимеров и помогут вам с расчетом параметров электронагревателей.
