Механічні властивості термопластичних пластмас
Термопластичні пластмаси (термопласти) на відміну від термореактивних знайшли більш широке застосування та виробляються у великих кількостях. Значна частина термопластичних полімерів переробляється в плівку, волокна та вироби з волокна, які важко чи зовсім неможливо виготовити з термореактивних полімерів.
Під навантаженням полімери поводяться як в'язкопружні речовини, які деформація є сумою трьох доданків: пружної деформації, високоеластичної деформації і деформації в'язкого течії. Співвідношення між складовими частинами деформації є непостійними і залежать як від структури полімеру, так і від умов деформування і температури.
Поведінка пластмаси під навантаженням має дуже складний характер.
Мал. 12.14. Діаграми розтягування пластмас. Заштрихована область - допустимі навантаження та подовження: а - в'язкі аморфні та кристалічні гермопласти; б - крихкі термопласти; термопласти з молекулами, орієнтованими вздовж напрямку розтягування, та реактопласти
Стандартні випробування на розтяг та удар дають наближену оцінку механічних властивостей. Ця оцінка справедлива лише конкретних умов випробування (певна швидкість навантаження, температура, стан зразка). За інших умов випробування результати виявляться іншими. Зміни зовнішніх умов та швидкостей деформування, які зовсім не відбиваються на механічних властивостях металевих сплавів, різко змінюють механічні властивості термопластичних полімерів та пластмас. Чутливість механічних властивостей термопластів до швидкості деформування, часу дії навантаження, температури, структури є їх типовою особливістю.
Склоподібні термопласти при розтягуванні зазвичай сильно витягуються. При розриві залишкова деформаціястановить десятки та сотні відсотків. Ця деформація називається вимушеною високоеластичною; вона виникає внаслідок витягування скручених макромолекул під впливом навантаження. При розтягуванні матеріал починає текти, у зразку з'являється шийка. Пластична течія зразка на ділянці (рис. 12.14) є не що інше, як поступове поширення шийки на весь зразок. При розриві зразка вимушена високоеластична деформація не падає до нуля, так як у склоподібному стані розтягнуті макромолекули не можуть скручуватися та зберігають отриману витяжку. Чим більша молекулярна маса полімеру, тим більша загальна деформація перед розривом. Подібна картина спостерігається при розтягуванні кристалічних полімерів. При пластичному перебігу кристалічного полімеру вихідна кристалічна структура замінюється на нову, в якій кристали мають іншу форму і переважно однакову орієнтацію. Цей процес називається рекристалізацією. Рекристалізація складається з трьох послідовних етапів: руйнування кристалів під дією напруги; витягування молекул у напрямку розтягуючої сили на ділянці із зруйнованими кристалами; появи нових кристалів між паралельно розташованими макромолекулами Нові кристали закріплюють отриману високоеластичну деформацію, тому витяжка зберігається після зняття навантаження. Термопластичні пластмаси з орієнтованою молекулярною структурою при розтягуванні вздовж напрямку орієнтації не виявляють пластичної течії. І тут діаграма розтягування має вигляд, показаний на рис. 12.14, а подовження не перевищує десятки відсотків.
Мал. 12.15. Залежність міцності пластмас від температури: 1 - поліетилен; 2 - полівінілхлорид; 3 - фторопласт-4; 4 - поліімід; 5 - поліамід
Мал.12.16. Залежність ударної в'язкості від температури та гостроти надрізу: 1 - полівінілхлорид, мм; 2 - те ж, мм; 3 - органічне скло без надрізу; 4 - те ж, мм
Мал. 12.17. Залежність міцності пластмас від часу навантаження: 1 - полістирол; 2 - сополімер стиролу АБС; 3 - полівінілхлорид; 4 - органічне скло; 5 - поліетилентерефталат із 30 % скляного волокна; 6 - склотекстоліт на епоксидній основі (для порівняння)
Особливості механічних властивостей термопластів розглянуті нижче.
1. Залежність від температури. При нагріванні зменшується міцність (рис. 12.15), пластмаси стають більш в'язкими та схильними до повзучості. Поблизу температури склування (або температури кристалізації для кристалічних термопластів) втрачається здатність, що несе. Поліетилен, полістирол, полівінілхлорид при температурах нижче втрачають міцність так сильно, що їх не можна використовувати як конструкційні матеріали вже і при
При охолодженні нижче міцність зростає, але одночасно збільшуються крихкість та чутливість до надрізів (рис. 12.16).
2. Залежність тривалості навантаження. При тривалому впливі навантаження зменшується міцність (рис. 12.17), з'являється залишкова деформація. Ця деформація є вимушеною високоеластичною деформацією. При статичному навантаженні протягом року тимчасове опір знижується вдвічі.
3. Залежність швидкості деформування. При збільшенні швидкості деформування підвищується жорсткість пластмас, тому що не встигає розвиватися високоеластична деформація, і зростає схильність до крихкого руйнування.
4. Залежність структури. Пластмаси з орієнтованою молекулярною структурою анізотропні. Витяжка термопластів у 2-4 рази збільшує їхню міцність вдвічі.Міцність максимальна вздовж орієнтованих витягнутих молекул, а поперечному напрямку - зменшена. Орієнтація молекул – одна з причин розтріскування виробів, особливо під впливом деяких розчинників та інших активних середовищ.
У кристалічних полімерах механічні властивості залежить від ступеня кристалізації. Чим вона більша, тим вище міцність і жорсткість. У деяких полімерів зі збільшенням ступеня кристалізації понад 85% проявляється крихкість.
Модулі пружності термопластичних полімерів та пластмас у 10-100 разів менші, ніж у металів та кераміки. Найбільш жорсткі полістирол і органічне скло мають модулі пружності відповідно а найменш жорсткий поліетилен має модуль пружності всього та й то при
Міцність термопластів знаходиться
Цього цілком достатньо для багатьох цілей, незважаючи на те, що допустимі напруги не перевищують Термопластичні пластмаси добре пручаються втомі, а довговічність пластмас вище, ніж у багатьох сталей і сплавів. Межа витривалості дорівнює 0,2-0,3 тимчасового опору. Однак, коли навантаження змінюється із частотою вище 20 Гц, пластмаси руйнуються швидко через поглинання енергії, розігріву та зменшення міцності.
Загальними вадами пластмас є низька теплостійкість, нестабільність властивостей через старіння, повзучість під впливом навантаження. Чим вище значення, тим краще виявляється теплостійкість.
Механічні властивості термопластів покращуються при використанні як наповнювач 20-30% скляного волокна. При цьому зберігається можливість переробки термопластів з використанням лиття під тиском та екструзії. Наповнені пластмаси відрізняються високою стабільністю розмірів під дією навантаження, підвищеною міцністю, але гірше опираютьсяударів.
Механічні властивості термопластів змінюються під впливом навколишнього середовища: атмосферного старіння під дією вологи, світла та кисню повітря. Умови атмосферного старіння є типовими для багатьох виробів з волокон, плівки, а також масивних виробів.
Хорошу стійкість проти старіння має органічне скло, більшість термопластів також досить стійкі, хоча їхня міцність і зменшується. Поліетилен менш стійкий: за два-три роки дуже руйнується, особливо на сонячному світлі під впливом ультрафіолетових променів. Для уповільнення старіння поліетилену застосовують спеціальні протистарителі. Їх використовують для збереження природного кольору та світлопрозорості матеріалу. Добавки сажі (2-3%) також уповільнюють швидкість старіння приблизно в 30 разів, перетворюючи жорстке ультрафіолетове випромінювання в безпечне теплове.
Термопласти, зазвичай, не взаємодіють із водою і змінюють механічні властивості під впливом вологи. Винятком є поліаміди, здатні поглинути від 3 до них вода є своєрідним пластифікатором, що знижує міцність і збільшує опір удару (табл. 12.6). Водяна пара (вище 100 °С) руйнує поліаміди, тому вироби виготовляють із сухого матеріалу, а потім протягом кількох діб поглинають вологу з атмосфери до насичення. Насичений стан досить стійкий і мало змінюється навіть при коливаннях вологості повітря.
У більшості термопласти нечутливі до палива і мастильних матеріалів і в контакті з ними міцність не знижують.
При виборі термопластів враховується їхня горючість. Як правило, термопласти самозагасають після видалення полум'я. При їх горінні виділяються різні шкідливі речовини-НС1 та ін. Одним з найбільш вогненебезпечних полімерів є полістирол і,особливо пористі пластмаси на його основі. У необхідних випадках пальне пластмас зменшують спеціальними добавками.