ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАСТМАСС НА ОСНОВЕ ПОЛИАМИДОВ

Свойства полиамидов при кратковременных нагрузках

Большинство показателей механических свойств, приводимых в литературе, получены в результате из­мерений, выполненных в относительно короткий пе­риод времени при определенных температуре и ско­рости деформации. При таких испытаниях нагружение образца производится в режиме постоянной скорости деформации при растяжении, сжатии, сдвиге и изгибе образцов.

Свойства при растяжении

Скорость деформации при растяжении полиамидов обычно изменяется от 1 до 500 мм/мин. Заметные раз­личия в соотношении напряжения и деформации воз­никают при увеличении скорости растяжения, причем с повышением скорости модуль и предел текучести возрастают. Следовательно, скорость деформации обя­зательно должна указываться при описании резуль­татов испытаний, и этот фактор необходимо учиты­вать при сопоставлении данных различных авторов. Большинство стандартных испытаний контроля каче­ства полиамидов предусматривают использование ряда скоростей растяжения, в пределах которого и должны проводиться испытания.

Увеличение предела текучести при возрастании скорости растяжения приводит к удлинению участка пропорциональности между напряжением и деформа­цией и, как правило, к уменьшению разрывной дефор­мации и нелинейной области упругих деформаций.

Очень высокие скорости деформации, которые воз­никают при ударных нагрузках, приводят к исчезно­вению области течения и хрупкому разрушению поли­амидов. Изменение вида кривых напряжение — де­формация при снижении температуры испытания имеет такой же характер, как и при возрастании ско-
роста растяжения. При повышении температуры уменьшаются предел текучести и область пропорцио­нальности между напряжением и деформацией. На рис. 3.5 показано влияние температуры на зависи­мость напряжения от деформации растяжения высу­шенного ПА 66. Температура испытания, так же как и скорость деформации, должна обязательно указы­ваться, что необходимо для сравнения результатов, полученных различными авторами.

Свойства при сжатии

Чрезвычайно большое практическое значение имеет поведение полиамидов при сжатии. При низких деформациях величины модуля упругости полиамидов при сжатии и растяжении приблизительно равны. Для достижения одного и того же значения большой де­формации требуемое напряжение сжатия превышает напряжение растяжения. Это указывает на то, что при сжатии предел текучести выше, чем при растя­жении. Поскольку точное значение предела текучести при сжатии, как правило, оценить очень трудно, за критическое состояние материала принимают точку, отвечающую деформации 0,1 или 1%. На рис. 3.6 показаны типичные для ПА 66 кривые напряжение — деформация при растяжении и сжатии, полученные при малых временах нагружения [16]. Так же как и при растяжении, увеличение скорости сжатия приво­

Лит к увеличению модуля и предела текучести, а воз­растание температуры испытания уменьшает эти по­казатели. Таким образом, при сравнении результатов испытаний полиамидов при сжатии необходимо учи­тывать температуру и скорость деформации.

Свойства при изгибе

Модуль и прочность полиамидов при кратковре­менном изгибе наиболее удобно определять при ис­пользовании одного из стандартных методов, описан­ных в ASTM D 790 и DIN 53452. Согласно последнему методу, в стандартных условиях определяют такие характеристики полиамидов, как модуль упругости и предел текучести. Испытания полиамидов на изгиб обладают тем преимуществом, что допускают точное определение модуля при низких деформациях. При изгибе, так же как при растяжении и сжатии, повы­шение температуры вызывает уменьшение модуля и предела текучести.

Твердость

Термин «твердость» иногда используют для харак­теристики упругого отскока или сопротивления мате­риала образованию царапин. Но в этой монографии он обозначает сопротивление вдавливанию. В проти­воположность методам испытаний полиамидов при кратковременном растяжении, сжатии и изгибе, ис­пытания по определению твердости обычно произво­дят в условиях действия постоянной нагрузки. Эти испытания характеризуют свойства материала на по­верхности или в близлежащем слое, а не во всем объеме образца. Нагрузка обычно действует по нор­мали к поверхности через шарик или иглу. Деформа­ция продолжается до тех пор, пока напряжение не превысит предел текучести материала. Действительно, по величине предела текучести, измеренного при рас­тяжении, можно оценивать твердость. При испыта­ниях необходимо учитывать температуру и содержа­ние влаги в испытываемом материале. Методы, ис­пользующиеся для определения твердости, детально описаны в недавно вышедшей монографии [17]*. Зна­чения твердости, полученные любым методом, могут быть сравнимы только в том случае, когда условия приложения нагрузки и время ее действия являются стандартизованными. Для полиамидов наиболее часто - используются способы определения твердости по Рок - веллу (обычно используются шкалы R и М) и Шору (шкала D).

В принципе эти два метода практически не отли­чаются друг от друга и используются для испытания материалов и для контроля качества промышленных партий. Ввиду того что метод определения твердости по Шору не требует сложного аппаратурного оснаще­ния, он может использоваться для определения твер­дости партий полиамидов непосредственно при их из­готовлении. Шкалы твердости являются условными, причем показатели твердости по Роквеллу более чувствительны к изменению структуры материала. Типичные показатели твердости некоторых промыш­ленных полиамидов, определенные этими двумя спо­собами при 20 °С, приведены ниже:

Твердость

Твердость обычно возрастает с увеличением мо­дуля упругости полиамида (хотя не всегда линейно) и уменьшается с повышением температуры, содержа­ния влаги и отношения СН2 : CONH. Определение твердости, являющееся достаточно простым и не тре­бующим длительного времени способом оценки свойств материала, рекомендуется в тех случаях, когда воз­можна корреляция между твердостью и другими свой­ствами, определение которых трудоемко. Как видно

Из рис. 3.7, твердость может использоваться для оп­ределения градиента содержания влаги и глубины ее проникновения в экструдированном полиамиде.

Оба способа испытаний на вдавливание являются неразрушающими, поэтому определение твердости может быть использовано в производственном кон­троле.

Поведение при действии ударных нагрузок

Способность изделий из полиамидов противостоять действию ударных нагрузок зависит от ряда факто­ров, таких как температура, содержание влаги, кон­центрация напряжений и анизотропия свойств изде­лия. По этой причине результаты стандартных испы­таний, часто приводимые в проспектах фирм-произво­дителей полиамидов, не могут рассматриваться как достаточно надежные для предсказания поведения материала в реальных условиях эксплуатации.

При выборе материала можно воспользоваться ре­комендациями британского стандарта BS 4618, раз­дел 1.2, который дает достаточно надежную основу
для предсказания поведения полимера в различных условиях эксплуатации [2].

Особенно важным при таких испытаниях является определение чувствительности материала к надрезу. Оценка этого фактора осуществляется при проведе­нии сравнительных испытаний на цельных и надре­занных образцах, причем надрезы могут различаться по радиусу и глубине.

Стандартные испытания на сопротивление дей­ствию ударных нагрузок, например по Изоду и Шарпи, в общем случае позволяют сравнивать ре­зультаты, полученные на различных типах полиами­дов или на одном и том же полиамиде, но подвергну­том различной обработке. Обычно поведение мате­риала в процессе эксплуатации согласуется с предва­рительными результатами стандартных испытаний на устойчивость к ударным нагрузкам. Эти испытания часто используются для контроля качества материала. Как и следовало ожидать, сопротивление полиамидов действию ударных нагрузок увеличивается с повыше­нием температуры и содержания влаги в материале. Даже если не происходит никаких релаксационных переходов, понижение температуры способствует уве­личению жесткости и уменьшению ударной прочности. Наличие в полиамиде влаги и пластификаторов не­сколько уменьшает этот эффект, но не приводит к рез­кому уменьшению хрупкости. Полиамид, содержащий волокнистый наполнитель, становится менее чувстви­тельным к появлению надрезов по сравнению с нена - полненным. Кроме того, наполненный полиамид со­храняет более высокую ударную прочность при пони­жении температуры. На рис. 3.8 показано влияние температуры и величины надреза на ударную проч­ность стандартных образцов (50 X 6 X 3) ПА 66, не - наполненного и содержащего 33% стеклянного волок­на [18]. Рис. 3.9 иллюстрирует влияние величины над­реза на ударную прочность высушенного ненаполнен - ного и наполненного стеклянным волокном ПА 66 [18]. Ударная прочность образцов с надрезом ПА 66 срав-

------- иенаполненный, высушенный;---------------- — наполненный 33% стеклянного

Волокна {образец без надреза не разрушается).

Рис. 3.9. Зависимость ударной прочности ПА 66 от величины надреза при 20 °С:

1—ненанолненный, высушенный; 2—наполненный 33% стеклянного волокна.

Нима с ударной прочностью других промышленных полимеров, испытанных в аналогичных условиях. Ниже приведены данные об ударной прочности раз­личных полимеров:

Ударная прочность (ASTM D 256), Н-м/м

АВС-сополимер

Ударопрочный................... 214—534

Средней прочности....................... 107—214

Полиацеталь

TOC \o "1-3" \h \z гомополимер......................................... 75

Сополимер............................................. 64

ПА 66.................................................. 80

Поликарбонат.......................... ................ 133

Полиэтилен средней плотности. 53—800 Полипропилен

Гомополимер......................................... 53

Сополимер........................................... 160

Акрилатная смола

Стандартная........................ 16

Сополимер со стиролом... 19

Ударопрочная..................... 64

Полистирол

Немодифицированный.... 16

Модифицированный каучуком 37—160 Поливинилхлорид

Немодифицированный.... 37

Модифицированный каучуком 800

Ударная прочность полиамидов возрастает с уве­личением средней молекулярной массы, и эта законо­мерность сохраняется даже при пониженных темпера­турах. Для линейных полиамидов ударная прочность повышается с увеличением отношения СН2 : CONH. В то же время полиамиды с повышенным содержа­нием СН2-групп менее подвержены влиянию темпера­туры. Например, при низких температурах в условиях действия ударных нагрузок ПА 11 и 12 являются практически незаменимыми, тогда как при повышении температуры в тех же изделиях может использоваться и ПА 66.

Полиамиды чрезвычайно устойчивы к действию повторяющихся ударных нагрузок, не приводящих к разрушению образца. В этом отношении они превос­ходят другие пластмассы, в том числе и более ударо­прочные. Ниже показаны результаты таких испытаний ПА 66 и смешанного эфира целлюлозы [3] [17]:

ПА 66

Высота надения груза при разрушении образца, мм

После 1 удара................. 890

После 10 ударов.............. 760

Ударная прочность по Изоду,

Н • м/м........................... 107

Демпфирование колебаний

По своей способности противостоять действию вы­соких динамических нагрузок полиамиды превосходят большинство других промышленных пластмасс. Это обусловлено способностью материала поглощать энер­гию колебаний. Когда частота воздействия напряже­ний на изделие превышает некоторое критическое зна­чение, которое зависит от молекулярной массы и дру­гих факторов, выделяющаяся в объеме материала /—сухой, после литья; 2 — 3,2% НгО; 5 — 11,2% Н20.

Теплота приводит к его разрушению. При использова­нии полиамидов для изготовления изделий, подвер­гающихся действию циклических нагрузок, таких как шестерни и пропеллеры, поглощение энергии колеба­ний является положительной стороной, но при этом необходимо учитывать возможность недопустимого разогрева детали в процессе работы. Для борьбы с этим явлением наряду с понижением вибрации для увеличения теплоотвода из работающих деталей при­меняют металлические вкладыши. Поглощение энер­гии колебаний увеличивается с повышением темпера­туры и содержания влаги в образце. Степень демпфи­рования определяется модулем потерь и тангенсом угла механических потерь (tg б). Модуль потерь уменьшается с повышением температуры и значитель­но понижается при достижении области релаксацион­ного перехода. Подобным же образом модуль сдвига уменьшается с увеличением влагосодержания образца, что выражается в смещении области низких значений модуля в сторону пониженных температур. Рис. 3.10 иллюстрирует это на примере ПА 6 [19].