ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАСТМАСС НА ОСНОВЕ ПОЛИАМИДОВ

Поведение полиамидов при длительном нагружении

Поведение полиамидов в условиях длительного воздействия нагрузок определяет эксплуатационные характеристики изделий. Следует различать две воз­можности нагружения полиамидных деталей в про­цессе их эксплуатации. В первом случае в течение всего рабочего периода на материал действует по­стоянная нагрузка, тогда как во втором случае на - гружение материала производится до определенной степени деформации, сохраняющейся затем неизмен­ной. Первый случай характеризуется непрерывным развитием деформации работающей детали, а вто­рой — постоянным уменьшением приложенного напря­жения. Эти явления называют ползучестью и релак­сацией напряжения соответственно.

Детали из полиамидов могут подвергаться дей­ствию статических и динамических напряжений. В по­следнем случае напряжение периодически возрастает от нуля или малой величины до максимума и этот цикл обычно повторяется с постоянной частотой. Как и в металлах, возникновение таких циклических на­пряжений в полиамидах может приводить к их дина­мической усталости, что будет подробнее описано ниже. Используя стандартные образцы, в условиях статического нагружения и деформации в течение длительного времени получают информацию в виде кривых ползучести и релаксации напряжения. Знание этих характеристик материала в зависимости от тем­пературы и влагосодержания важно для оценки ра­ботоспособности изделий из полиамидов в различных условиях. Соответствующие данные публикуют и в справочной литературе [16, 18].

Ползучесть

Данные по ползучести полимеров могут быть гра­фически представлены различным образом. В основ ном кривые ползучести, полученные в результате стандартных испытаний при различных нагрузках, строят в координатах деформация — время. Наиболее легко измеряется ползучесть полимеров при растяже-

НИИ, но в принципе, для определения ползучести могут использоваться и другие виды деформации — сжатие, сдвиг или их сочетание. Кривые ползучести обычно строят в полулогарифмических координатах. Сравне­ние приводимых в литературе данных по ползучести различных полиамидов не всегда возможно. На рис. 3.11 [18], 3.12 [20] и 3.13 [21] приведены кривые ползучести при растяжении ПА 66, 6 и 12, а на

Время

Время

Рис. '3.15. Построение изометрических и изохроиических зависимостей напряжения на основании кривых ползучести:

А — кривые ползучести; б — изометрическая кривая; 'в — нзохроннческал кри­вая; а —кривая модуль ползучести — р^емя.

Рис. 3.16. Изометрические кривые напряжение — время для высушен­ного полиамида 66 при 20 °С (цифры у кривых — деформация в %).

1ЇІ' W0 /0' 10г 103 1 о^ю5

Время, ч

/ г З

Деформация, %

. Рис. 3.18, Зависимость модуля ползучести при растяжении от времени для высушенного ПА 66 при 20 °С (цифры у кри­вых — деформация в %).

Рис. 8.17. Изохронические кривые напряжение — деформация для высушенного ПА 66 при 20 °С,

А «

Рис 3.19. Влияние температуры на изохронические кривые напря­жение — деформация для высушен­ного ПА 66 (<=100 с).

М~' і з 4 s б 7 89W" г itf г 3 4 5В8іо° г

К Деформация,% Деформация,%

Рис. 3.20. Влшіние влажности на изохронические кривые напряжение — де­формация для ПА 66, наполненного 33% стеклянного волокна, при 20 °С (< = 100 с):

1 — сухой; 2—влажный.

Рис. 3.21. Влияние наполнения на изохронические кривые напряжение — де­формация для высушенного ПА 66 при 20 °С (<=100 с): 1 — ненаполнеииый; 2 —наполненный 33% стеклянного волокна.

Рис. 3.14 [22] — кривые ползучести при изгибе ПА 66, 6 и И.

На основании первичных кривых ползучести могут быть построены следующие зависимости, определяю­щие соотношения между различными параметрами материала:

Зависимость напряжения, необходимого для дости­жения заданной деформации (е = const) от lg f;

Зависимость приложенного напряжения от дефор­мации при одной и той же длительности (/ = const) нагружения;

Зависимость модуля ползучести (частного от деле­ния приложенного напряжения на деформацию) от времени, для различных деформаций.

Данные по ползучести дают возможность опреде­лять уменьшение напряжения во времени при поддер­жании постоянной деформации. Схема построения та­ких зависимостей на основании кривых ползучести приведена на рис. 3.15 [18]. На рис. 3.16—3.18 эти зависимости приведены для взятого в качестве при­мера ПА 66.

Ползучесть полиамидов зависит от температуры, содержания влаги, природы и количества наполни-

Теля (если он вводится в полимер). Получение дан­ных по ползучести полиамидов является чрезвычайно трудоемкой задачей, требующей значительных затрат времени. Однако такие данные по основным промыш­ленным типам полиамидов публикуются поставщи­ками исходных материалов [16—18] в виде зависимо­стей деформации ползучести от температуры, влаж­ности и степени наполнения полиамида. Кроме того, результаты изучения ползучести полиамидов приво­дятся в работах [18, 21, 23, 24].

Для оценки деформаций ползучести полиамидов в различных условиях широко используют методы аппроксимации и экстраполяции. Рис. 3.19, 3.20 [18] и 3.21 иллюстрируют влияние температуры, влажности и степени наполнения на ползучесть ПА 66. Ниже по­казано влияние различных факторов на ползучесть полиамидов:

Параметр на ползучесть

Температура................................... Увеличивает

Влажность.................................. »

Кристалличность............................. Уменьшает

Отношение СНг: CONH...................... Увеличивает

Армирующий наполнитель............... Уменьшает

Релаксация напряжения

Информация о релаксации напряжения в полиами­дах необходима для прогнозирования поведения по­лиамидных конструкционных деталей, таких как болты, первоначально подвергаемые определенному усилию при затяжке, которое должно сохраняться в процессе эксплуатации, и втулки, подвергаемые на­тягу при сборке. Хотя более полезным для оценки по­ведения таких деформируемых деталей являются кри­вые релаксации напряжения, практически такие же результаты могут быть получены из соответствующего семейства кривых напряжение — время при различ­ных деформациях полиамидных деталей, эксплуати­рующихся в одинаковых условиях.

Восстановление размеров изделий после нагружения

Многие полиамидные детали во время эксплуата­ции подвергаются действию периодической нагрузки. В таких случаях в период между действием нагрузки

/ — короткое время, tc = 1,5 ч. е., —5,0%.

Напряжение уменьшается, и степень упругого восста­новления размеров образца определяется продолжи­тельностью нагружения и соотношением длительно­стей действия и отсутствия нагрузки. Результаты оп­ределения упругого восстановления обычно представ­ляют в виде кривых в координатах степень восстанав­ливаемости — приведенное время. Эти параметры определяются следующим образом:

_ Упругая часть деформации

Степень восстанавливаемости = —^-г---------------------- —---------- =

Деформация ползучести в

Момент снятия нагрузки

= ес (to) — er (t)

Ес (to)

_ Время восстановления t — t0

Приведенное время = -=-------- --------------------------------- =------ ——

Продолжительность ползучести to

Схема, объясняющая получение значений этих ве­личин из кривых деформация — время приведена на рис. 3.22 [18]. Данные по восстанавливаемости ПА 66 после ползучести при растяжении приведены на рис. 3.23 [18].

Прочность при долговременном нагружении (статическая усталость)

Если при растяжении образца полиамида прило­женное напряжение достаточно велико, то в конечном счете материал разорвется или по механизму хрупкого

Разрушения, или с образованием шейки. Ненаполнен - ные полиамиды обычно разрушаются с образованием шейки; наполненные полиамиды могут подвергаться хрупкому разрушению. В общем случае разрушение, происходящее после длительной ползучести, называют статической усталостью. Кривые статической устало­сти являются огибающими семейства кривых ползу­чести, проведенными через точки разрыва. Кривые долговечности ПА 66 приведены на рис. 3.24—3.26

900 800 s 7 00

CJ

U 600

§ 500

А:

$ '100 'I 300 ^ 200 100 0

Рис. 3.26. Долговечность ПА 66 при 20 °С:

7— ненаполненный; 2—33% стек­лянного волокна, ориентирован­ного перпендикулярно направ­ленню формования; 3 — 33% стеклянного волокиа, ориентиро­ванного параллельно направле­нию формования.

[18]. Эти кривые характеризуют влияние первона­чально приложенного напряжения на долговечность ПА 66 сухого, увлажненного, кондиционированного при различных условиях и наполненного стеклянным волокном. Заметное влияние на долговечность поли­амидов оказывает окружающая среда. В различных средах, например в органических жидкостях или вод­ных растворах солей, нагруженные детали могут по­крываться трещинами, что приводит к значительному уменьшению их долговечности. Подробное описание явления статической усталости полиамидов и методов ее определения дано в [25].

Динамическая усталость

Подобно металлам, термопласты могут разрушать­ся при действии циклических напряжений меньших, чем предел прочности при статических испытаниях. Это явление называют динамической усталостью. Оно встречается при эксплуатации вращающихся и ви­брирующих полиамидных деталей, таких как пропел­леры и шестерни, подвергаемые продолжительному воздействию циклических напряжений. Число циклов, необходимых для разрушения детали, зависит не только от напряжения, но и от температуры, содер­жания влаги, степени кристалличности материала и частоты действия напряжения. При высоких частотах нагружения (обычно более 300 циклов в минуту) энергия деформации практически полностью перехо­дит в тепло, в особенности при температурах, при ко­торых для данного материала характерно высокое поглощение. Этот эффект ускоряет разрушение изде­лия вследствие теплового размягчения полимера. Раз­
рушение материала может происходить и в резуль­тате образования трещин. Необратимые изменения в материале, например образование трещин и микро­пустот, тоже рассматриваются как разрушение, но в случае использования их для оценки долговечности, эти явления должны иметь количественные характе­ристики. Поскольку в частично кристаллических поли­мерах, какими являются полиамиды, колебания погло­щаются только аморфными участками, динамическая усталость, причиной которой является размягчение материала, уменьшается с увеличением степени кри­сталличности полимера. Результаты изучения влия­ния упомянутых факторов на динамическую усталость полиамидов приводятся в работах Ридделя с соавто­рами [26] и Обербаха [27]. В последней работе при­водятся также экспериментальные данные для ПА 6

И 66.

Вследствие высокой прочности и замечательных деформационных свойств полиамиды считают чрезвы­чайно удобной матрицей для армирования стеклян­ным волокном, введение которого приводит к значи­тельному увеличению сопротивления полиамидов воз­действию динамических нагрузок. Механизм разруше­ния стеклонаполненных пластмасс в результате их динамической усталости обсуждается в работе [28], где сделан вывод о том, что разрушение в значитель­ной степени инициируется нарушением связи между полимером и наполнителем. Короткие волокна эффек­тивнее, чем длинные, повышают сопротивляемость по­лиамидов воздействию динамических нагрузок.

Исследования динамической усталости полиамидов обычно производят по стандартной методике при воз­действии на испытуемый образец растяжения, сжатия,

Vhc. 3.27. Усталостное разрушение ПА 66 при действии напряжений растяжения и сжатия >20 °С, 2,5% влаги, 1200 циклов/мин):

1 — напряжение сжатия; 2 — напря­жение растяжения; 3 — напряжение сжатия и растяжения.

Сдвига или комбинации различных видов деформации. На рис. 3.27 [16] показаны результаты динамических исследований ПА 66 в условиях действия деформации трех различных видов. Результаты таких исследова­ний динамической усталости могут служить лишь при­близительным руководством для применения поли­амидных изделий. Более предпочтительными являют­ся данные, полученные в результате моделирования действительных условий эксплуатации деталей.