Нагрев и деформация полимеров: поведение и физическое состояние пластмасс

Переработка и обработка пластика связана с процессами, при которых происходит нагрев материала и прикладывание к нему давления. По этой причине основной характеристикой возможности работы с полимерами является реакция на рост температур и деформацию.

Полимеры – это соединения с высоким уровнем молекулярной массы. Его макромолекулы состоят из множества одинаковых звеньев или группировок, которые повторяются по длине всей цепочки. Отличительной чертой макромолекул полимера считается значительное превышение длины по сравнению с поперечным сечением.

Полимеры делятся на две категории по реакции на температурные изменения:

1. Термопласты. Это термопластичные материалы, которые сохраняют свою структуру при изменении температур. При нагреве термопласт становится более мягким, но химическая структура сохраняется, поэтому он легко поддается свариванию и изготовлению новых форм. При охлаждении обратно затвердевают без химических превращений. По этой причине термопласты хорошо переносят многократную переработку. Важно учитывать, что такие материалы могут плавиться и растворяться в растворителях, поэтому они подходят не для всех условий эксплуатации.
2. Термореактивные пластмассы, реактопласты. При нагреве до определенных температур отмечаются необратимые химические изменения. Растворимость и возможность к изменению формы утрачивается. Это делает возможным их применение в экстремальных климатических условиях либо с постоянными скачками температур.

Гибкость при нагреве

Свойства любого материала определяются его строением. Полимеры за счет своей высокой молекулярной массы не способны находиться в состоянии пара. Это связано с тем, что с ростом температуры давление паров материала будет низким. Нагрев пластмасс приводит к увеличению запаса тепловой энергии и, как следствие, повышению подвижности макромолекул. Из-за взаимосвязи молекул друг с другом нагрев не приводит к разрушению связи и независимому друг от друга движению. Именно гибкость определяет возможность оказывать влияние молекул друг на друга при движении. Чтобы движение стало независимым, необходимо разорвать химическую связь. Это достигается только путем приложения энергии, равной или превышающей по величине энергии химсвязей.

Гибкость зависит от длины молекулы деформирования валентных узлов, величины межчастичных расстояний, молекулярной массы. Тепловое движение отдельных звеньев молекул и высокая гибкость приводят к перемещению макромолекул частями.

Аморфные полимерные материалы могут существовать в трех состояниях, каждое из которых отличается своими деформационными характеристиками. Смена состояния происходит под действием температуры, которая приводит к изменению микро- и макроскопических свойств. Можно выделить 3 состояния полимеров, которые определяются гибкостью:

• Стеклообразное. Это состояние, при котором материал застывает и твердеет при низких температурах. В процессе стеклования меняются многие свойства. Материал хрупкий, имеет устойчивую форму. Сегментарная подвижность отсутствует из-за нехватки тепловой энергии. Чтобы деформировать материал в таком состоянии, нужно приложить достаточную механическую нагрузку. Такое состояние используется в создании пластмасс.
• Высокоэластичное. Отмечается с ростом температуры, когда ослабевают межмолекулярные взаимосвязи. Молекулы могут принимать разные конформации. Деформация может привести к удлинению молекул, но при застывании они могут вернуться к первоначальному положению.
• Вязкотекучее. Отмечается при значительных температурах нагрева. Пластик получает текучую форму даже при минимальных воздействиях. Активно двигаются как сегменты, так и отдельные молекулы. Деформационные изменения могут наблюдаться вплоть до разрушения материала.

Термомеханические кривые

Каждое из перечисленных физических состояний характеризуется температурным диапазоном и значением температуры перехода. Эти данные откладываются на графиках, которые называются термомеханическими кривыми и показывают зависимость деформации от температуры. На графиках четко отслеживаются несколько областей:

• Начальный этап, который соответствует стеклообразному состоянию. Здесь деформации минимальные и имеют упругий характер, то есть исчезают после снятия нагрузки. Макромолекулы не двигаются. Состояние заканчивается, когда достигается температура стеклования.
• Переходное высокоэластичное состояние. На графике отмечается характерный рост деформации до определенных значений, которые не меняются на протяжении всего интервала. Деформации носят условно-остаточный характер и возвращаются к первоначальному состоянию с течением времени. Есть колебания звеньев, которые приводят к способности изгибаться. Конечная точка этапа – достижение температуры текучести.
• Вязкотекучее состояние. Заметен резкий рост деформации, которая имеет остаточный характер, то есть не исчезает после снятия нагрузки. Она будет увеличиваться до момента разложения материала. Отмечается движение макромолекул относительно друг друга. Может напоминать жидкое состояние, но вязкость значительно выше вследствие высокой подвижности самой макромолекулы.

Во всех трех фазах могут находиться термопласты. Тип состояния реактопластов зависит от числа макромолекулярных связей. Вязкотекучая фаза у реактопластов отсутствует из-за невозможности относительного смещения макромолекул.

Так как разные виды материалов будут иметь свои температурные значения, виды графиков будут различаться. Эти параметры и деформационные свойства должны учитываться при выборе способа обработки полимеров и необходимых нагревательных элементов, обеспечении нужных условий эксплуатации. Например, для машиностроения подойдут полимеры, находящиеся в стеклообразном либо высокоэластичном состоянии. Чтобы переработать полимер в конкретное изделие, его переводят в вязкотекучую фазу.

Термическая обработка полимерных материалов является обязательной стадией технологического процесса создания новых изделий. При помощи изменения температур можно достичь нужных значений плотности, твердости, стабильности размеров и формы, прочности. Обработка невозможна без применения нагревательного оборудования. Можно приобрести следующие виды нагревателей для полимеров:

• ТЭНы для экструдеров, термопластавтоматов. Используются самые разные виды нагревателей – от кольцевых до плоских, выполненные из миканита, керамики, латуни и других материалов. Выполняются под индивидуальные размеры, в корпусе либо без него и под нужные характеристики.
• ИК нагреватели.
• Для горячеканальных систем, литьевого оборудования. Это ТЭНы разных форм – спирали, патронные, гибкие.

Все оборудование и необходимые комплектующие могут выполняться по индивидуальным требованиям заказчика.