0
0
0

Нагрів та деформація полімерів: поведінка та фізичний стан пластмас

Нагрів та деформація полімерів: поведінка та фізичний стан пластмас

Нагрів та деформація полімерів: поведінка та фізичний стан пластмас

Переробка та обробка пластику пов'язана з процесами, при яких відбувається нагрівання матеріалу та прикладання до нього тиску. Тому основною характеристикою можливості роботи з полімерами є реакція на зростання температур та деформацію.

Полімери – це сполуки із високим рівнем молекулярної маси. Його макромолекули складаються з безлічі однакових ланок або угруповань, які повторюються по довжині всього ланцюжка. Відмінною рисою макромолекул полімеру вважається значне перевищення довжини порівняно з поперечним перетином.

Полімери поділяються на дві категорії щодо реакції на температурні зміни:

  1. Термопласти. Це термопластичні матеріали, які зберігають свою структуру за зміни температур. При нагріванні термопласт стає м'якшим, але хімічна структура зберігається, тому він легко піддається зварюванню та виготовленню нових форм. При охолодженні назад твердне без хімічних перетворень. Тому термопласти добре переносять багаторазову переробку. Важливо враховувати, що такі матеріали можуть плавитися та розчинятися у розчинниках, тому вони підходять не для всіх умов експлуатації.
  2. Термореактивні пластмаси, реактопласти. Під час нагрівання до певних температур відзначаються незворотні хімічні зміни. Розчинність та можливість до зміни форми втрачається. Це уможливлює їх застосування в екстремальних кліматичних умовах або з постійними стрибками температур.

Гнучкість при нагріванні

Властивості будь-якого матеріалу визначаються його будовою. Полімери за рахунок своєї високої молекулярної маси не здатні перебувати у стані пари. Це пов'язано з тим, що зі зростанням температури тиск пари матеріалу буде низьким. Нагрів пластмас призводить до збільшення запасу теплової енергії і, як наслідок, підвищення рухливості макромолекул. Через взаємозв'язок молекул один з одним нагрівання не призводить до руйнування зв'язку та незалежного один від одного руху. Саме гнучкість визначає можливість впливати молекул один на одного при русі. Щоб рух став незалежним, необхідно розірвати хімічний зв'язок. Це досягається лише шляхом докладання енергії, що дорівнює або перевищує за величиною енергії хімзв'язки.

Гнучкість залежить від довжини молекули деформування валентних вузлів, величини міжчасткових відстаней, молекулярної маси. Тепловий рух окремих ланок молекул та висока гнучкість призводять до переміщення макромолекул частинами.

Аморфні полімерні матеріали можуть існувати у трьох станах, кожен з яких відрізняється своїми деформаційними характеристиками. Зміна стану відбувається під дією температури, що призводить до зміни мікро- та макроскопічних властивостей. Можна виділити 3 стани полімерів, які визначаються гнучкістю:

  • Склоподібне. Це стан, у якому матеріал застигає і твердне при низьких температурах. У процесі склювання змінюються багато властивостей. Матеріал тендітний, має стійку форму. Сегментарна рухливість відсутня через нестачу теплової енергії. Щоб деформувати матеріал у такому стані, потрібно прикласти достатнє механічне навантаження. Такий стан використовується для створення пластмас.
  • Високоеластичний. Відзначається із зростанням температури, коли слабшають міжмолекулярні взаємозв'язки. Молекули можуть приймати різні конформації. Деформація може призвести до подовження молекул, але при застиганні вони можуть повернутись до початкового положення.
  • В'язкотекуче. Зазначається при значних температурах нагрівання. Пластик отримує текучу форму навіть за мінімальних впливів. Активно рухаються як сегменти, і окремі молекули. Деформаційні зміни можуть спостерігатися до руйнування матеріалу.

Термомеханічні криві

Кожен із перелічених фізичних станів характеризується температурним діапазоном та значенням температури переходу. Ці дані відкладаються на графіках, які називаються термомеханічними кривими та показують залежність деформації від температури. На графіках чітко відстежуються кілька областей:

  • Початковий етап, який відповідає склоподібному стану. Тут деформації мінімальні та мають пружний характер, тобто зникають після зняття навантаження. Макромолекули не рухаються. Стан закінчується, коли досягається температура скловання.
  • Перехідний високоеластичний стан. На графіці відзначається характерне зростання деформації до певних значень, які змінюються протягом усього інтервалу. Деформації мають умовно-залишковий характер і повертаються до початкового стану з часом. Є коливання ланок, які призводять до здатності згинатися. Кінцева точка етапу – досягнення температури плинності.
  • В'язкотекучий стан. Помітне різке зростання деформації, яка має залишковий характер, тобто не зникає після зняття навантаження. Вона збільшуватиметься до моменту розкладання матеріалу. Зазначається рух макромолекул щодо один одного. Може нагадувати рідкий стан, але в'язкість значно вища через високу рухливість самої макромолекули.

У всіх трьох фазах можуть бути термопласти. Тип стану реактопластів залежить від кількості макромолекулярних зв'язків. В'язкотука фаза у реактопластів відсутня через неможливість відносного зміщення макромолекул.

Оскільки різні види матеріалів матимуть свої температурні значення, види графіків відрізнятимуться. Ці параметри та деформаційні властивості повинні враховуватися при виборі способу обробки полімерів та необхідних нагрівальних елементів, забезпечення необхідних умов експлуатації. Наприклад, для машинобудування підійдуть полімери, що знаходяться в склоподібному або високоеластичному стані. Щоб переробити полімер у конкретний виріб, його переводять у в'язкотекучу фазу.

Термічна обробка полімерних матеріалів є обов'язковою стадією технологічного процесу створення нових виробів. За допомогою зміни температур можна досягти необхідних значень щільності, твердості, стабільності розмірів та форми, міцності. Обробка неможлива без застосування нагрівального обладнання. Можна придбати такі види нагрівачів для полімерів:

  • ТЕНи для екструдерів, термопластавтоматів. Використовуються різні види нагрівачів – від кільцевих до плоских, виготовлені з міканіту, кераміки, латуні та інших матеріалів. Виконуються під індивідуальні розміри, у корпусі або без нього та під потрібні характеристики.
  • ІЧ нагрівачі.
  • Для гарячеканальних систем, ливарного обладнання. Це ТЕНи різних форм – спіралі, патронні, гнучкі.

Все обладнання та необхідні комплектуючі можуть виконуватись за індивідуальними вимогами замовника.