Влияние повышенной температуры на свойства инженерных пластиков
Одним из ключевых свойств инженерных пластиков (в частности листового полипропилена, полиэтилена, ПВХ и т.д.), которое интересует как производителей, так и пользователей изготовленного из них оборудования, является максимальная рабочая температура. При этом зачастую возникает путаница в определениях и интерпретации данных лабораторных испытаний, поскольку температурные свойства пластиков определяются целым рядом показателей. В частности в справочниках можно найти такие показатели, как температура прогиба, температура стеклования, постоянная рабочая температура и т.д. и ошибочно полагать, что максимальная рабочая температура материала однозначно определяется только одним из них. Цель данного обзора – выявить значение каждого вышеприведенного показателя и дать производителям оборудования основу для последующего обсуждения с заказчиками особенностей поведения конструкционных материалов при повышенных температурах.
Размягчение материала: как материал становится слишком мягким для применения?
Этот эффект повсеместно наблюдается в быту, например при разогревании в микроволновой печи продуктов в пластиковой таре или наливании горячей воды в пластиковый стакан.
Размягчение количественно выражается в уменьшении модуля упругости материала с ростом температуры окружающей среды. На данном рисунке представлен типичный вид кривой, описывающей зависимость модуля упругости от температуры:
В данном случае мы видим, что до температуры 300°F/149°C модуль упругости материала меняется слабо, однако при температурах выше этой границы происходит резкое снижение данного показателя. Поэтому в зависимости от требования к механическим показателя материала, его эксплуатация может быть невозможна при температурах выше 300°F/149°C.
Данные графики редко представлены в документации производителей полуфабрикатов инженерных пластиков, однако их можно найти в руководствах по конструкции и дизайну, которые публикуются производителями полимеров в первичных формах.
Термическая деградация: как долго материал будет сохранять свои прочностные характеристики?
Инженерные пластики, подвергнутые воздействию повышенных температур в течение долгого времени, как правило, становятся хрупкими и теряют механическую прочность. Скорость данного процесса прямо пропорционально зависит от величины температуры. В бытовых условиях этот процесс можно наблюдать у кухонной посуды, ручки которой, испытывая температурную деградацию, с течением времени могут раскалываться:
Скорость и степень деградации различна для разных видов инженерных пластиков, на данном рисунке представлена соответствующая диаграмма для одного из них:
Можно заметить, что данный материал теряет половину изначальной величины прочности на растяжение при температуре 300°F/149°C в течение 1000 часов. Тот же материал, подвергнутый воздействию температуры 400°F/204°C, деградирует значительно быстрее, теряя половину своей прочности в течение 100 часов. В связи с этим, возможность применения данного материала при повышенной температуре зависит от следующих факторов:
• Величины рабочей температуры
• Минимальной величины прочности на растяжении, которая требуется для изготовленного из него изделия
• Требуемого срока службы изделия
Ползучесть материала: как сильно изделие деформируется в течение долгого периода времени?
Для изделий, изготовленных из инженерных пластиков, характерна деформация под воздействием механической нагрузки в течение долгого времени. Этот эффект носит название «ползучесть материала» и для полимерных материалов он выражен в значительно большей степени, по сравнению с традиционными конструкционными материалами, в особенности при повышенных температурах эксплуатации. Данный процесс для одного из инженерных пластиков представлен на следующей диаграмме, показывающей степень деформации (растяжения) образца под действием нагрузки 1000 psi при температурах 100°F/38°C и 300°F/149°C:
Можно заметить, что деформация данного материала при температуре 100°F/38°C в течение 10000 часов минимальна (менее 0.5%), в то же время при 300°F/149°C в течение того же периода времени деформация становится значительной – 1.5%. Очевидно, что при строгих требованиях к стабильности размеров при температурах на уровне 300°F/149°C применение этого материала нежелательно.
Другие показатели, зависящие от температуры
Помимо потери прочности, термической деградации и ползучести, повышенная температура эксплуатации изделия может влиять на ряд других характеристик инженерных пластиков, в частности электрические свойства, химическую стойкость, стойкость к растрескиванию, усталостную прочность, стойкость к истиранию и т.д.
Размягчение материала: как материал становится слишком мягким для применения?
Этот эффект повсеместно наблюдается в быту, например при разогревании в микроволновой печи продуктов в пластиковой таре или наливании горячей воды в пластиковый стакан.
Размягчение количественно выражается в уменьшении модуля упругости материала с ростом температуры окружающей среды. На данном рисунке представлен типичный вид кривой, описывающей зависимость модуля упругости от температуры:
В данном случае мы видим, что до температуры 300°F/149°C модуль упругости материала меняется слабо, однако при температурах выше этой границы происходит резкое снижение данного показателя. Поэтому в зависимости от требования к механическим показателя материала, его эксплуатация может быть невозможна при температурах выше 300°F/149°C.
Данные графики редко представлены в документации производителей полуфабрикатов инженерных пластиков, однако их можно найти в руководствах по конструкции и дизайну, которые публикуются производителями полимеров в первичных формах.
Термическая деградация: как долго материал будет сохранять свои прочностные характеристики?
Инженерные пластики, подвергнутые воздействию повышенных температур в течение долгого времени, как правило, становятся хрупкими и теряют механическую прочность. Скорость данного процесса прямо пропорционально зависит от величины температуры. В бытовых условиях этот процесс можно наблюдать у кухонной посуды, ручки которой, испытывая температурную деградацию, с течением времени могут раскалываться:
Скорость и степень деградации различна для разных видов инженерных пластиков, на данном рисунке представлена соответствующая диаграмма для одного из них:
Можно заметить, что данный материал теряет половину изначальной величины прочности на растяжение при температуре 300°F/149°C в течение 1000 часов. Тот же материал, подвергнутый воздействию температуры 400°F/204°C, деградирует значительно быстрее, теряя половину своей прочности в течение 100 часов. В связи с этим, возможность применения данного материала при повышенной температуре зависит от следующих факторов:
• Величины рабочей температуры
• Минимальной величины прочности на растяжении, которая требуется для изготовленного из него изделия
• Требуемого срока службы изделия
Кроме того, инженеры и проектировщики для особо ответственных узлов и деталей могут закладывать дополнительно тот или иной запас прочности изделия.
Ползучесть материала: как сильно изделие деформируется в течение долгого периода времени?
Для изделий, изготовленных из инженерных пластиков, характерна деформация под воздействием механической нагрузки в течение долгого времени. Этот эффект носит название «ползучесть материала» и для полимерных материалов он выражен в значительно большей степени, по сравнению с традиционными конструкционными материалами, в особенности при повышенных температурах эксплуатации. Данный процесс для одного из инженерных пластиков представлен на следующей диаграмме, показывающей степень деформации (растяжения) образца под действием нагрузки 1000 psi при температурах 100°F/38°C и 300°F/149°C:
Можно заметить, что деформация данного материала при температуре 100°F/38°C в течение 10000 часов минимальна (менее 0.5%), в то же время при 300°F/149°C в течение того же периода времени деформация становится значительной – 1.5%. Очевидно, что при строгих требованиях к стабильности размеров при температурах на уровне 300°F/149°C применение этого материала нежелательно.
Другие показатели, зависящие от температуры
Помимо потери прочности, термической деградации и ползучести, повышенная температура эксплуатации изделия может влиять на ряд других характеристик инженерных пластиков, в частности электрические свойства, химическую стойкость, стойкость к растрескиванию, усталостную прочность, стойкость к истиранию и т.д.
