научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОГО ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО СТАРЕНИЯ НА ПРЕДЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ И РЕЛАКСАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ИЗ СТЕКЛОНАПОЛНЕННОГО ПА-6 Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОГО ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО СТАРЕНИЯ НА ПРЕДЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ И РЕЛАКСАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ИЗ СТЕКЛОНАПОЛНЕННОГО ПА-6»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. Серия А, 2014, том 56, № 3, с. 340-345

КОМПОЗИТЫ

УДК 541.64:536.4

ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОГО ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО СТАРЕНИЯ НА ПРЕДЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ И РЕЛАКСАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ИЗ СТЕКЛОНАПОЛНЕННОГО ПА-6 © 2014 г. А. В. Саморядов*, В. И. Кондратенко**, А. А. Аскадский***, Т. А. Мацеевич***

* Межведомственный центр аналитических исследований в области физики, химии и биологии при Президиуме РАН

119333 Москва, ул. Вавилова, 44, корп. 2 **Московский государственный университет путей сообщения

127994Москва, ул. Образцова, 9, стр. 9 ***Московский государственный строительный университет 129337Москва, Ярославское ш., 26 Поступила в редакцию 22.05.2013 г.

Принята в печать 09.12.2013 г.

Представлены результаты длительных изотермических испытаний при 60—150°С образцов стекло-наполненного ПА-6 и показано, что необратимое изменение его прочностных свойств наблюдается при Т > 150°С. Подробными исследованиями релаксационных механических характеристик установлено, что при 140°С в полиамиде происходит смена механизма процесса релаксации, вследствие чего максимальная температура проведения климатических испытаний изделий из стеклонапол-ненного ПА-6 не должна превышать 140°С.

Б01: 10.7868/82308112014030134

ВВЕДЕНИЕ

При анализе механического поведения полимерных материалов одной из основных задач является установление достоверного срока их службы в составе изделий. Существует несколько причин проведения такого анализа. Первая причина связана с тем, что полимерные материалы подвержены старению, которым принято называть необратимое изменение их полезных свойств в результате совокупности химических и физических превращений, происходящих при переработке, хранении и эксплуатации. Общепринятый подход в установлении срока службы пластмасс заключается в изучении кинетики изменения исследуемой характеристики материала в режиме ускоренных климатических испытаний с последующей экстраполяцией полученных результатов на реальные температурные условия [1, 2].

Вторая причина обусловлена релаксационными процессами, происходящими в полимерных материалах. В частности, при наличии постоянной деформации напряжение в материале не остается постоянным, но релаксирует со временем. Следовательно, если нужно поддерживать какое-либо заданное напряжение, материал придется дополнительно нагружать, что может привести к его разрушению. Изучение кинетики релаксационных процессов является важной физи-

E-mail: andrey@ineos.ac.ru (Аскадский Андрей Александрович).

ческой и практической задачей. Реально любой материал не может быть использован при напряжениях и деформациях, определяющих разрушающие характеристики. Материал всегда используется при гораздо меньших напряжениях и деформациях, и его механическая работоспособность определяется характером релаксационных процессов.

В настоящей работе объектом исследований служил стеклонаполненный полиамид марки ПА6-211-ДС, кинетику изменения основных механических характеристик которого исследовали в изотермических условиях по стандартному методу.

ИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ СТАРЕНИЕ

Общеизвестно, что все полиамиды являются гидрофильными полимерами, способными обратимо сорбировать влагу; при этом равновесное влагосодержание в полимере зависит от темпера-турно-влажностных условий окружающей среды. Сорбируемая влага приводит к снижению показателей прочности при растяжении, изгибе и сжатии, а также к повышению показателя ударной вязкости. Для исключения негативного влияния влаги на показатели свойств полиамидов и композиционных материалов на их основе и получения сравнимых результатов испытаний было проведено кондиционирование образцов в строго оговоренных условиях — в течение 24 ч при тем-

Таблица 1. Зависимость свойств стеклонаполненного ПА от времени изотермического старения при 60 (числитель) и 70°С (знаменатель)

Образец, № Продолжительность старения, ч Ударная вязкость кДж/м2 Изгибающее напряжение при максимальной нагрузке, МПа Прочность при разрыве, МПа

X К X К X К

1 0/0 57.2/57.2 1.00/1.00 243.7/243.7 1.00/1.00 160.7/160.7 1.00/1.00

2 47.5/49.0 53.8/53.8 0.94/0.94 257.8/232.5 1.06/0.95 156.5/161.3 0.97/1.00

3 143.0/72.0 56.3/54.9 0.98/0.96 250.5/235.0 1.03/0.96 161.3/158.2 1.00/0.98

4 168.5/144.0 52.4/53.4 0.92/0.93 255.1/238.9 1.05/0.98 153.4/161.9 0.95/1.01

5 209.0/216.0 55.4/53.9 0.96/0.94 242.3/255.0 0.99/1.05 141.7/169.8 0.88/1.06

6 357.0/288.0 54.0/- 0.94/- 240.9/260.2 0.99/1.07 150.4/171.4 0.94/1.07

7 425.0/353.0 57.3/54.4 1.00/0.95 247.6/- 1.01/- 156.1/- 0.97/-

8 497.0/450.0 54.0/53.4 0.94/0.93 244.6/255.9 1.00/1.05 158.0/170.2 0.98/1.06

9 665.0/530.0 56.6/56.4 0.99/0.99 248.8/247.8 1.02/1.02 155.3/157.3 0.97/0.98

10 743.5/593.0 53.2/55.4 0.93/0.97 245.8/240.8 1.01/0.99 156.0/158.3 0.97/0.99

11 832.0/689.0 54.0/55.3 0.94/0.97 239.3/243.6 0.98/1.00 161.2/159.3 1.00/0.99

12 1006.0/- 51.0/- 0.89/- 239.0/ 0.98/- 159.4/- 0.99/-

13 1336.0/- 53.8/- 0.94/ 235.4/- 0.97/- 149.3/- 0.93/-

14 1673.0/- 52.1/- 0.91/- 239.0/- 0.98/- 156.7/- 0.97/-

15 1919.0/- 51.1/- 0.89/- 240.9/- 0.99/- 153.8/- 0.96/-

16 2228.0/- 53.6/- 0.94/- 244.0/- 1.00/- 159.6/- 0.99/-

Примечание. Х - среднее значение показателя, К - коэффициент сохранения свойств.

пературе 20—22°С и относительной влажности 65%. Массу исходного и высушенного образцов определяли при температуре 85 ± 5°С, когда масса образца становится постоянной. Все это было учтено при проведении испытаний на длительное термическое старение.

Длительные испытания образцов стеклонаполненного ПА в изотермических условиях показали, что после выдержки в течение 15—20 суток при 60—70° С несколько снижается показатель ударной вязкости и на 15—20% возрастают показатели прочности при разрыве и изгибающего напряжения при максимальной нагрузке: при дальнейшей экспозиции образцов их свойства практически не изменяются. Такой характер изменения физико-механических свойств полиамидов объясняется их гидрофильностью [3], т.е. его способностью обратимо поглощать влагу. Кондиционирование образцов до исходного уровня влажности приводит к полному восстановлению показателей прочности до исходных значений, что свидетельствует о неизменности свойств в указанных условиях изотермического старения (табл. 1).

При изотермическом старении стеклонапол-ненного ПА при температуре испытаний 120— 150°С (табл. 2) происходит снижение показателя ударной вязкости, достигающее 40% через 3—5 месяцев старения, и возрастание в начальный пе-

риод показателей прочности при разрыве и изгибающего напряжения при максимальной нагрузке. После кондиционирования образцов до исходного уровня влажности практически полностью восстанавливаются свойства образцов, состаренных при 120—135°С, и частично (до 80—85%) — состаренных при 150°С.

Таким образом, из данных табл. 1 и 2 следует заключить, что, во-первых, по результатам изотермического старения стеклонаполненного ПА в диапазоне 60—135°С невозможно определить энергетическую характеристику (энергию активации) старения вследствие высокой стойкости материала к старению в указанном диапазоне температур. Во-вторых, процессы, приводящие к необратимому изменению свойств стеклонапол-ненного ПА, начинают протекать при 150°С.

Определение ММ полиамидов, прошедших изотермическое старение от 60 до 150°С, показало, что она остается постоянной и, следовательно, в указанных условиях в полиамиде протекают процессы не химического старения (деструкция или сшивание), а физического.

РЕЛАКСАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

Для выяснения причин необратимого изменения свойств в условиях изотермического старе-

342

САМОРЯДОВ и др.

Таблица 2. Зависимость коэффициентов сохраняемости свойств стеклонаполненного ПА от температуры и продолжительности изотермического старения

Показатель Температура старения, °C Продолжительность старения, сутки

0 10 15 20 30 60 90 120 150

Изгибающее напряжение 120 1.0 - 1.16 - 1.19 1.15 0.87 1.05 1.05

при максимальной нагрузке 135 1.0 1.10 - 1.26 1.24 1.11 1.07 - 0.97

150 1.0 1.53 - - 1.17 1.05 0.85 0.87 0.77

Прочность при разрыве 120 1.0 - 1.09 - 1.14 1.02 1.03 0.95 0.90

135 1.0 1.11 - 1.07 1.04 0.83 0.80 0.82 -

150 1.0 1.04 - - 1.04 0.76 0.72 0.78 0.74

Ударная вязкость 120 1.0 - 1.0 - 0.98 0.84 0.60 0.60 0.62

135 1.0 0.90 - 0.76 0.78 0.60 0.60 - -

150 1.0 0.88 - 0.72 - 0.55 0.52 - 0.46

Примечание. Физико-механические показатели определяли без кондиционирования образцов до исходного уровня влажности.

ния при 150°С были исследованы релаксационные механические характеристики стеклонапол-ненного ПА в изотермических условиях в интервале 20—200° С. Деформация е0, которую поддерживали в течение опыта постоянной и равной 3%, задавалась со скоростью 0.75 мм/мин.

Кривые релаксации напряжения для стекло-наполненного ПА приведены на рис. 1. Из них видно, что с повышением температуры от 20 до 110°С релаксация напряжения значительно уско-

ст, МПа

25

20

15

10

0

20

40

т, мин

Рис. 1. Кривые релаксации напряжения стеклонаполненного ПА при 20 (1), 50 (2), 80 (3), 110 (4), 140 (5), 170 (б) и 200°C (7).

ряется, и релаксирующие напряжения в образце стеклонаполненного ПА закономерно снижаются. Однако в интервале 110—170°С ход кривых напряжения а замедляется, а кривая релаксации напряжения при 170°С располагается даже выше, чем при 110 и 140°С (рис. 1). Дальнейший рост температуры до 200°С приводит к резкому ускорению релаксации напряжения и снижению как начального, так и конечного значений.

Чтобы проанализировать зависимость релак-сирующего напряжения а от времени, воспользуемся уравнением Больцмана

СТ = СТ О

1

j T (т) d т

(1)

где ст0 — начальное напряжение, появляющееся в результате задания "мгновенной" деформации; Т(т) — ядро релаксации; т — текущее время, которое пробегает значения от 0 до t (t — конечное время).

Для описания экспериментальных данных по релаксации напряжения будем использовать ядра релаксации, основанные на рассмотрении термодинамических функций и их изменений в ходе процесса. Основное предположение, высказанное в работах [4—8], заключается в том, что процесс релаксации или ползучести протекает

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»