Механические свойства термопластичных пластмасс.

Термопластичные пластмассы (термопласты) в отличие от термореактивных нашли более широкое применение и производятся в больших количествах. Значительная часть термопластичных полимеров перерабатывается в пленку, волокна и изделия из волокна, которые трудно или вовсе невозможно изготовить из термореактивных полимеров.

Под нагрузкой полимеры ведут себя как вязкоупругие вещества, а их деформация является суммой трех слагаемых: упругой деформации, высокоэластичной деформации и деформации вязкого течения. Соотношения между составными частями деформации непостоянны и зависят как от структуры полимера, так и от условий деформирования и температуры.

Поведение пластмассы под нагрузкой имеет очень сложный характер.

Рис. 12.14. Диаграммы растяжения пластмасс. Заштрихованная область — допустимые нагрузки и удлинения: а - вязкие аморфные и кристаллические гермопласты; б - хрупкие термопласты; термопласты с молекулами, ориентированными вдоль направления растяжения, и реактопласты

Стандартные испытания на растяжение и удар дают приближенную оценку механических свойств. Эта оценка справедлива лишь для конкретных условий испытания (определенная скорость нагружения, температура, состояние образца). При других условиях испытания результаты окажутся другими. Изменения внешних условий и скоростей деформирования, которые совсем не отражаются на механических свойствах металлических сплавов, резко изменяют механические свойства термопластичных полимеров и пластмасс. Чувствительность механических свойств термопластов к скорости деформирования, времени действия нагрузки, температуре, структуре является их типичной особенностью.

Стеклообразные термопласты при растяжении, как правило, сильно вытягиваются. При разрыве остаточная деформация составляет десятки и сотни процентов. Эта деформация называется вынужденной высокоэластичной; она возникает в результате вытягивания скрученных макромолекул под действием нагрузки. При растяжении материал начинает течь, в образце появляется шейка. Пластическое течение образца на участке (рис. 12.14) есть не что иное, как постепенное распространение шейки на весь образец. При разрыве образца вынужденная высокоэластичная деформация не падает до нуля, так как в стеклообразном состоянии растянутые макромолекулы не могут скручиваться и сохраняют полученную вытяжку. Чем больше молекулярная масса полимера, тем больше общая деформация перед разрывом. Сходная картина наблюдается при растяжении кристаллических полимеров. При пластическом течении кристаллического полимера исходная кристаллическая структура заменяется новой, в которой кристаллы имеют другую форму и преимущественно одинаковую ориентацию. Этот процесс называется рекристаллизацией. Рекристаллизация состоит из трех последовательных этапов: разрушения кристаллов под действием напряжения; вытягивания молекул по направлению растягивающей силы на участке с разрушенными кристаллами; появления новых кристаллов между параллельно расположенными макромолекулами. Новые кристаллы закрепляют полученную высокоэластичную деформацию, поэтому вытяжка сохраняется после снятия нагрузки. Термопластичные пластмассы с ориентированной молекулярной структурой при растяжении вдоль направления ориентации не обнаруживают пластического течения. В этом случае диаграмма растяжения имеет вид, показанный на рис. 12.14, а удлинение не превышает десятков процентов.

Рис. 12.15. Зависимость прочности пластмасс от температуры: 1 — полиэтилен; 2 - поливинилхлорид; 3 — фторопласт-4; 4 — полиимид; 5 — полиамид

Рис. 12.16. Зависимость ударной вязкости от температуры и остроты надреза: 1 — поливинилхлорид, мм; 2 — то же, мм; 3 — органическое стекло без надреза; 4 — то же, мм

Рис. 12.17. Зависимость прочности пластмасс от времени нагружения: 1 — полистирол; 2 — сополимер стирола АБС; 3 - поливинилхлорид; 4 — органическое стекло; 5 - полиэтилентерефталат с 30 % стеклянного волокна; 6 — стеклотекстолит на эпоксидной основе (для сравнения)

Особенности механических свойств термопластов рассмотрены ниже.

1. Зависимость от температуры. При нагреве уменьшается прочность (рис. 12.15), пластмассы становятся более вязкими и склонными к ползучести. Вблизи температуры стеклования (или температуры кристаллизации для кристаллических термопластов) теряется несущая способность. Полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид при температурах ниже теряют прочность так сильно, что их нельзя использовать как конструкционные материалы уже и при

При охлаждении ниже прочность растет, но одновременно увеличиваются хрупкость и чувствительность к надрезам (рис. 12.16).

2. Зависимость от длительности нагружения. При длительном действии нагрузки уменьшается прочность (рис. 12.17), появляется остаточная деформация. Эта деформация представляет собой вынужденную высокоэластичную деформацию. При статическом нагружении в течение года временное сопротивление понижается вдвое.

3. Зависимость от скорости деформирования. При увеличении скорости деформирования повышается жесткость пластмасс, так как не успевает развиваться высокоэластичная деформация, и возрастает склонность к хрупкому разрушению.

4. Зависимость от структуры. Пластмассы с ориентированной молекулярной структурой анизотропны. Вытяжка термопластов в 2-4 раза увеличивает их прочность вдвое. Прочность максимальна вдоль ориентированных вытянутых молекул, а в поперечном направлении - уменьшена. Ориентация молекул - одна из причин растрескивания изделий, особенно под влиянием некоторых растворителей и других активных сред.

В кристаллических полимерах механические свойства зависят от степени кристаллизации. Чем она больше, тем выше прочность и жесткость. У некоторых полимеров при увеличении степени кристаллизации свыше 85% проявляется хрупкость.

Модули упругости термопластичных полимеров и пластмасс в 10-100 раз меньше, чем у металлов и керамики. Наиболее жесткие полистирол и органическое стекло при имеют модули упругости соответственно а наименее жесткий полиэтилен имеет модуль упругости всего да и то при —

Прочность термопластов находится

в пределах Этого вполне достаточно для многих целей, несмотря на то, что допускаемые напряжения не превышают Термопластичные пластмассы хорошо сопротивляются усталости, а долговечность пластмасс выше, чем у многих сталей и сплавов. Предел выносливости равен 0,2-0,3 временного сопротивления. Однако, когда нагрузка изменяется с частотой выше 20 Гц, пластмассы разрушаются быстро из-за поглощения энергии, разогрева и уменьшения прочности.

Общими недостатками пластмасс являются невысокая теплостойкость, нестабильность свойств из-за старения, ползучесть под действием нагрузки. Чем выше значения тем лучше оказывается теплостойкость.

Механические свойства термопластов улучшаются при использовании в качестве наполнителя 20-30% стеклянного волокна. При этом сохраняется возможность переработки термопластов с использованием литья под давлением и экструзии. Наполненные пластмассы отличаются высокой стабильностью размеров под действием нагрузки, повышенной прочностью, но хуже сопротивляются ударам.

Механические свойства термопластов изменяются под влиянием окружающей среды: атмосферного старения под действием влаги, света и кислорода воздуха. Условия атмосферного старения типичны для многих изделий из волокон, пленки, а также массивных изделий.

Хорошую стойкость против старения имеет органическое стекло, большинство термопластов также достаточно устойчивы, хотя их прочность и уменьшается. Полиэтилен наименее стоек: за два-три года сильно разрушается, особенно на солнечном свету под действием ультрафиолетовых лучей. Для замедления старения полиэтилена применяют особые противостарители. Их используют для сохранения естественного цвета и светопрозрачности материала. Добавки сажи (2-3%) также замедляют скорость старения примерно в 30 раз, преобразуя жесткое ультрафиолетовое излучение в неопасное тепловое.

Термопласты, как правило, не взаимодействуют с водой и не изменяют механические свойства под действием влаги. Исключением являются полиамиды, способные поглотить от 3 до Для них вода является своеобразным пластификатором, снижающим прочность и увеличивающим сопротивление удару (табл. 12.6). Водяной пар (выше 100 °С) разрушает полиамиды, поэтому изделия изготовляют из сухого материала, а затем они в течение нескольких суток поглощают влагу из атмосферы до насыщения. Насыщенное состояние достаточно устойчиво и мало изменяется даже при колебаниях влажности воздуха.

В своем большинстве термопласты нечувствительны к топливу и смазочным материалам и в контакте с ними прочность не снижают.

При выборе термопластов учитывается их горючесть. Как правило, термопласты самозатухают после удаления из пламени. При их горении выделяются различные вредные вещества-НС1 и др. Одним из самых огнеопасных полимеров является полистирол и, особенно, пористые пластмассы на его основе. В необходимых случаях горючесть пластмасс уменьшают специальными добавками.