Температурна устойчивост на пластмасите: от основни принципи до практически приложения

Температурната устойчивост на пластмасите е основният показател за измерване на тяхната физическа, химическа и механична стабилност при различни температурни среди, което пряко определя границите на приложение на материалите. Дали пластмасата може да поддържа стабилни характеристики при определени температури е ключовата основа за избора на материали, от чаши за ежедневна употреба до устойчиви на високи температури компоненти на космически совалки. Дълбокото разбиране на същността, системата за оценка и влияещите фактори на температурната устойчивост на пластмасите е от голямо значение за проектирането на продукти, оптимизирането на процесите и безопасната употреба.

1. Основни понятия и показатели за оценка на температурната устойчивост на пластмасата

Температурната устойчивост на пластмасите не е единична числова стойност, а цялостна характеристика, обхващаща множество измерения, отразяваща поведението на материалите при температурни промени.

Система за индекси за основна оценка

Следните показатели се използват често в индустрията за количествено определяне на температурната устойчивост на пластмасите:

Температура на гореща деформация (HDT): Температурата, при която материалът претърпява деформация от 0,25 мм при определено натоварване (обикновено 1,82 МПа или 0,45 МПа), което отразява краткосрочната устойчивост на топлина. HDT на общите пластмаси е най-често при 60-100 ℃, като например ПП при около 100 ℃ (0,45 МПа); Инженерните пластмаси обикновено надвишават 120 ℃, като например армировката клас PA66 достига 250 ℃; Специалните пластмаси като PEEK могат да достигнат 315 ℃.

Точка на омекване по Викат (VST): Температурата, при която индентор с диаметър 1 мм² прониква в материал на дълбочина 1 мм под специфично натоварване (50 N или 10 N), което е по-близо до действителния сценарий на нискоскоростно натоварване. Точката на омекване по Викат на ПВЦ е около 75-85 ℃, докато тази на компютър достига 140-150 ℃.

Температура на непрекъсната употреба (ОТРЕЖАВАНЕ): Най-високата температура, при която степента на запазване на експлоатационните характеристики на материала е не по-малка от 50% след продължителна употреба (обикновено 10000 часа), което е най-близкият показател до практическите приложения. Температурата на непрекъсната употреба на Специалист по икономически въпроси е 60-80 ℃, на ППС е 200-220 ℃, а на ПИ може да достигне над 260 ℃.

Температура на крехкост: Температурата, при която материалът губи своята жилавост и претърпява крехко разрушаване при ниски температури, измерваща неговата нискотемпературна поносимост. Температурата на крехкост на Специалист по икономически въпроси е едва -70 ℃ или по-ниска, докато на П.С. е около -20 ℃, което ограничава приложението му при ниски температури.

Тези показатели трябва да се използват в комбинация: например, HDT на компютър е 130 ℃, но температурата на непрекъсната употреба е само 120 ℃, което показва, че краткосрочната устойчивост на топлина е по-добра от дългосрочната; HDT на ПТФЕ е само 120 ℃, но температурата му на непрекъсната употреба може да достигне 260 ℃. Поради стабилната си молекулна структура, той е подходящ за дългосрочна употреба при високи температури.

Механизмът на влияние на температурата върху свойствата на пластмасите

Температурата влияе върху свойствата на пластмасата, като променя състоянието на молекулярно движение:

Нискотемпературна зона (под Тг): Молекулните вериги замръзват, материалът е в стъкловидно състояние, с висока твърдост, но и висока крехкост. Когато температурата падне под температурата на крехкост, молекулните вериги не могат да абсорбират енергията на удара чрез движение на сегментите и материалът е склонен към счупване.

Зона на стъклен преход (близо до Тг): Молекулните вериги започват да се движат и материалът преминава от стъкловидно състояние в силно еластично състояние, с рязко намаляване на модула (обикновено с 3-4 порядъка) и значителни промени в размера (увеличение на коефициента на линейно разширение).

Зона на топене (над Тм, за кристални пластмаси): Кристалната структура се разпада, материалът става вискозен и губи механичната си якост. Аморфните пластмаси нямат очевидна Тм и постепенно омекват, докато започнат да текат с повишаване на температурата.

Зона на стареене при висока температура: Продължителното излагане на температури над Тг води до окислително разграждане или омрежване на молекулярни вериги, което води до необратимо влошаване на механичните свойства. Например, когато ABS се използва дълго време при 100 ℃, ударната му якост намалява с 10% -15% годишно, поради окисляването на бутадиеновата каучукова фаза.

2. Ключови фактори, влияещи върху температурната устойчивост на пластмасите

Температурната устойчивост на пластмасите се определя от тяхната молекулярна структура, агрегатна структура и външна среда и може да бъде значително подобрена чрез регулиране на тези фактори.

Основната роля на молекулярната структура

Молекулярната структура е основният определящ фактор за температурната устойчивост:

Твърдост на основната верига: Молекулните вериги, съдържащи твърди групи като бензенови пръстени и хетероцикли, имат отлична температурна устойчивост. Например, основната верига на ПИ (полиимид) съдържа имиден пръстен и може да се използва непрекъснато при температура от 260 ℃; Специалист по икономически въпроси основната верига е гъвкава въглерод-въглеродна единична връзка с по-ниска температурна устойчивост.

Междумолекулни сили: Полярните групи (като амидни и естерни групи) усилват междумолекулните сили и подобряват устойчивостта на топлина чрез водородни връзки или диполни взаимодействия. PA66 образува водородни връзки поради амидни групи, а HDT е с над 50 ℃ по-висока от Специалист по икономически въпроси.

Степен на омрежване: Термореактивните пластмаси (като фенолни смоли и епоксидни смоли) образуват триизмерна мрежа чрез омрежване, без да се топят, и имат по-добра температурна устойчивост от подобни термопластични пластмаси. Например, температурата на непрекъсната употреба на омрежения Специалист по икономически въпроси е с 30 ℃ по-висока от тази на обикновения Специалист по икономически въпроси.

Молекулно тегло и разпределение: Пластмасите с по-високо молекулно тегло имат по-силна устойчивост на термична деформация (по-плътно заплитане на веригата), но прекомерно високото молекулно тегло може да доведе до трудности при обработката; Тясното разпределение на молекулното тегло спомага за подобряване на топлинната стабилност.

Влиянието на структурата на агрегацията и добавките

Кристалност: Кристалните пластмаси обикновено имат по-добра топлоустойчивост от аморфните пластмаси, тъй като молекулярното разположение в кристалната област е правилно и може да устои на движението на сегментите на веригата. Например, HDT (хардкорна термопластична ...

Пълнеж и армировка: Добавянето на армиращи материали като стъклени влакна и въглеродни влакна може значително да подобри устойчивостта на топлина. 30% стъклени влакна, подсилени с PA66, увеличават HDT от 80 ℃ до 250 ℃, поради натоварването на влакната, което ограничава движението на молекулярната верига; Добавянето на листови пълнители като слюда може да подобри размерната стабилност чрез намаляване на коефициента на линейно разширение.

Стабилизатори: Антиоксидантите (като например възпрепятствани феноли) инхибират окислителното разграждане при високи температури, Ултравиолетово абсорберите намаляват фототермичното стареене и могат да удължат експлоатационния живот на пластмасите във високотемпературна среда. Например, ПП с 1% антиоксидант 1010 може да удължи живота си на термично стареене от 1000 часа на 5000 часа при 120 ℃.

Съвместното въздействие на външната среда

Условия на натоварване: Механичните свойства на пластмасите при високи температури са чувствителни към натоварванията и при същата температура високите натоварвания могат да доведат до по-ранна деформация. Например, ПОМ има якост на разтягане (HDT) от 110 ℃ при натоварване от 0,45 МПа, но само 85 ℃ при натоварване от 1,82 МПа.

Средна среда: При контакт със среди като масло и разтворители, високите температури могат да ускорят набъбването или разграждането на материала. Например, PA6 ще абсорбира вода и ще набъбне във вода при 100 ℃, което ще доведе до 50% намаляване на якостта, докато температурната му устойчивост е по-стабилна в суха среда.

Фактор време: Краткосрочната висока температура (като например дезинфекция с пара) има по-малко въздействие върху пластмасите, отколкото дългосрочната висока температура. Поликарбонатът може да издържи на дезинфекция с пара при 130 ℃ (краткосрочно), но температурата при продължителна употреба не трябва да надвишава 120 ℃.

3. Диапазон на температурна устойчивост и типични приложения на различни пластмаси

Температурната устойчивост на различните пластмаси варира значително, образувайки температурен спектър на приложение, обхващащ от -270 ℃ до 400 ℃, отговарящ на разнообразни нужди от дълбок студ до екстремно високи температури.

Диапазон на температурна устойчивост на общи пластмаси

Универсалните пластмаси имат умерена температурна устойчивост и са подходящи за конвенционални среди

Полиетилен (Специалист по икономически въпроси): HDT 40-70 ℃, температура на непрекъсната употреба 60-80 ℃, температура на крехкост от -70 ℃ до -100 ℃. Специалист по икономически въпроси с ниска плътност (LDPE) има по-ниска температурна устойчивост, докато Специалист по икономически въпроси с висока плътност (HDPE) има малко по-добра температурна устойчивост поради високата си кристалност. Използва се главно за опаковки при стайна температура, водопроводни тръби и др., не може да влиза в контакт с вряща вода.

Полипропилен (ПП): HDT 100 ℃ (0.45MPa), температура на непрекъсната употреба 100-120 ℃, температура на крехкост от -15 ℃ до -30 ℃. Това е единствената универсална пластмаса, която може да издържи на вряща вода и се използва широко в съдове за хранене, чаши за вода и тръби за топла вода, но е склонна към крехкост при ниски температури и не е подходяща за замръзващи среди.

Поливинилхлорид (ПВЦ): HDT на твърдия ПВЦ е 70-80 ℃, с температура на непрекъсната употреба от 60 ℃; Мекият ПВЦ има по-ниска температурна устойчивост (под 50 ℃) поради миграцията на пластификатори. Използва се за изграждане на тръби и изолационни слоеве за проводници, като е необходимо да се избягва контакт с висока температура, за да се предотврати утаяването на пластификатори.

Полистирен (П.С.): HDT 70-90 ℃, температура на непрекъсната употреба 60 ℃, температура на крехкост -20 ℃, очевидна нискотемпературна крехкост. Използва се главно за опаковки и играчки, не е подходящ за високи температури.

ABS: HDT 80-100 ℃, температура на продължителна употреба 60-80 ℃, температура на крехкост -40 ℃, цялостна температурна устойчивост по-добра от други общи пластмаси. Подходящ за корпуси на домакински уреди и интериор на автомобили, но с температура на продължителна употреба, която не надвишава 80 ℃.

Температурна устойчивост на инженерните пластмаси

Температурната устойчивост на инженерните пластмаси се е подобрила значително, отговаряйки на нуждите на индустриалната среда.

Полиамид (Пенсилвания, найлон): Температурата на прегряване (HDT) на PA6 е 60-80 ℃, а температурата на непрекъсната употреба е 100 ℃; PA66, поради високата си кристалност, има HDT от 70-90 ℃ и може да се използва непрекъснато при температура от 120 ℃. След подсилване с 30% стъклени влакна, HDT се увеличава до 200-250 ℃, а температурата на непрекъсната употреба достига 150 ℃. Използва се за периферни компоненти на автомобилни двигатели и високотемпературни маслени тръби.

Поликарбонат (компютър): HDT 130-140 ℃, температура на непрекъсната употреба 120 ℃, температура на крехкост -40 ℃, с устойчивост както на топлина, така и на удар. Използва се за бебешки шишета, абажури за фарове на автомобили и корпуси на електронни устройства, но е склонен към хидролиза поради дългосрочни високи температури и трябва да се избягва във влажна среда.

Полиоксиметилен (ПОМ): HDT 110 ℃ (1.82MPa), температура на непрекъсната употреба 100 ℃, изключителна устойчивост на умора. Подходящ за производство на трансмисионни компоненти като зъбни колела и лагери, може да издържи 120 ℃ в суха среда за кратък период от време.

Полибутилен терефталат (ПБТ): HDT 210-220 ℃ (подсилен клас), температура на продължителна употреба 140 ℃, отлична електрическа изолация. Използва се за електронни конектори и рамки за бобини, подходящ за работни среди с висока температура и влажност.

Изключително температурна устойчивост на специални пластмаси

Специалните пластмаси могат да се справят с екстремни температурни среди:

Политетрафлуороетилен (ПТФЕ): HDT е само 120 ℃, но при продължителна употреба температурата му може да достигне 260 ℃, а краткосрочно може да издържи на 260 ℃. Температурата му на крехкост е -270 ℃, което го прави пластмасата с най-широк температурен диапазон. Устойчив е на химическа корозия и незалепващо покритие, използва се за незалепващи покрития за съдове, високотемпературни уплътнения и криогенно оборудване.

Полиетер етер кетон (PEEK): HDT 315 ℃, температура на непрекъсната употреба 260 ℃, все още поддържа 70% якост при стайна температура при 200 ℃. Използва се за аерокосмически структурни компоненти, медицински импланти и инструменти за сондажи в нефтени находища, може да издържи на дезинфекция с пара и химическа корозия.

Полиимид (ПИ): Работи при продължителна температура от 260-300 ℃, краткосрочна устойчивост на температури до 400 ℃, стабилна производителност в диапазона от -269 ℃ до 300 ℃. Използва се за термозащитен слой на космически кораби, гъвкави платки и високотемпературни лагерни клетки и в момента е една от най-добрите температуроустойчиви пластмаси.

Полифенилен сулфид (ППС): HDT 260 ℃, температура на непрекъсната употреба 200-220 ℃, устойчив на горене и химическа корозия. Използва се за изолация на автомобилни ауспуси и за електронни заваръчни платки, може да издържи на високи температури от 260 ℃, причинени от запояване с вълна.

Течнокристален полимер (ЛКП): Температура на непрекъсната употреба от 180-240 ℃, изключително нисък коефициент на линейно разширение, отлична размерна стабилност. Незаменим е във високотемпературни прецизни компоненти, като 5G антени и корпуси на чипове.

4. Методи за изпитване и стандарти за температурна устойчивост на пластмаси

Точната оценка на температурната устойчивост на пластмасите изисква спазване на стандартизирани методи за изпитване. Различните стандарти имат леко различни изисквания за условията на изпитване и резултатите трябва да бъдат внимателно сравнени.

Изпитване за температура на гореща деформация (HDT)

Съгласно стандартите ISO 75 и ASTM D648, основните параметри включват:

Размер на пробата: Обикновено лентова проба с размери 80 мм x 10 мм x 4 мм.

Натоварване: разделено на две нива - 1,82 МПа (приложимо за твърди материали) и 0,45 МПа (приложимо за гъвкави материали).

Скорост на нагряване: 120 ℃/ч (ISO) или 2 ℃/мин (ASTM), близка до сценария за бавно нагряване при реална употреба.

Количество на деформация: Когато средното отклонение на пробата достигне 0,25 мм, запишете температурата, която се нарича HDT.

Предпазни мерки при тестване: HDT е относителен индикатор, който отразява само краткосрочна топлоустойчивост при специфични натоварвания и не може да бъде пряко свързан с работната температура; HDT на кристалните пластмаси се влияе от скоростта на охлаждане и изисква стандартизирани условия на формоване, за да се осигури сравнимост на резултатите.

Тест за точка на омекване по Викат (VST)

Съгласно стандартите ISO 306 и ASTM D1525, ключовите параметри са:

Игла за налягане: игла с плоска глава и напречно сечение 1 мм².

Натоварване: 50N (VST/A) или 10N (VST/B), като 50N се използва по-често.

Скорост на нагряване: 50 ℃/ч или 120 ℃/ч, като първата е по-близо до действителната ситуация на нагряване.

Критерии за преценка: Температурата, при която иглата за налягане прониква на 1 мм в пробата.

Разликата между VST и HDT: VST се фокусира повече върху поведението на омекване на материалите и е по-чувствителен към термопластични материали; HDT отразява структурната носимоспособност и е по-подходящ за оценка на топлоустойчивостта на структурните компоненти. VST на същия материал обикновено е с 10-30 ℃ по-висок от HDT.

Дългосрочен тест за термично стареене

Необходими са дългосрочни тестове за термично стареене (ISO 2578, ASTM D3045), за да се оцени температурата на непрекъсната употреба:

Температура на изпитване: Изберете 3-4 точки над очакваната работна температура (например 120 ℃, 140 ℃, 160 ℃).

Цикъл на изпитване: до 10000 часа, с редовно вземане на проби и изпитване на якост на опън, ударна якост и др.

Обработка на данни: Уравнението на Арениус се използва за екстраполация до температурата, при която степента на запазване на производителността достига 50% след 10000 часа, което е температурата на непрекъсната употреба.

Трябва да се обърне внимание на ускоряването на стареенето: Прекомерната температура може да задейства механизми на разграждане, които са различни от действителната употреба (като например омрежване, а не окисление), което води до изкривени резултати от екстраполацията. Обикновено температурата на изпитване не трябва да надвишава 2/3 от Тм на материала или температурата на разлагане.

Изпитване за крехкост при ниска температура

Съгласно стандартите ISO 974 и ASTM D746, определете крехкостта на материалите при ниски температури:

Проба: обикновено изработена от лист или тръба, избрана според вида на продукта.

Метод на изпитване: Тестване на процента на повреди на пробата при различни ниски температури чрез удар или огъване.

Критерии за преценка: Температурата, при която 50% от пробите претърпяват крехко разрушаване, е температурата на крехкост.

Този тест е особено важен за опаковъчни материали и продукти за употреба на открито, като например Специалист по икономически въпроси фолио, което трябва да гарантира, че не става крехко при -40 ℃, за да се адаптира към транспортиране в студени региони.

5. Адаптиране на приложението и инженерна практика на устойчивост на пластмаса към температура

В практическите приложения е необходимо цялостно да се разгледа температурната устойчивост на пластмасите въз основа на техните сценарии на употреба, за да се избегнат повреди, причинени от температурни проблеми.

Изисквания за устойчивост на температура и избор на материали в различни области

Област на контакт с храни: Необходимо е да се отговаря както на изискванията за температурна устойчивост, така и на изискванията за безопасност. Съдовете за микровълнови фурни обикновено използват ПП (устойчив на 120 ℃), компонентите на диспенсърите за вода използват компютър (устойчив на 100 ℃), а незалепващото покритие на тиганите използва ПТФЕ (устойчив на 260 ℃), като всички те изискват сертификат за хранителен клас (като FDA, Великобритания 4806).

Автомобилна промишленост: Компонентите на двигателния отсек трябва да са устойчиви на 150-200 ℃ (като например подсилен клас PA66), компонентите на пилотската кабина трябва да са устойчиви на 80-120 ℃ (като например сплав ABS/компютър), а ултраздравият ПП или Пенсилвания трябва да се използва в нискотемпературни среди (-40 ℃), за да се избегне крехко счупване.

Електронни уреди: Конекторите и рамките на бобините трябва да издържат на 120-150 ℃ (като например ПБТ подсилен клас), Светодиод радиаторите трябва да издържат на 150-200 ℃ (като ППС), а високочестотните компоненти се нуждаят от ЛКП с ниски диелектрични загуби (устойчиви на 200 ℃).

В медицинската област, компонентите за дезинфекция с пара трябва да са устойчиви на 134 ℃ (като компютър, PEEK), ПТФЕ се използва за нискотемпературно хладилно оборудване (устойчив на -200 ℃), а имплантираните инструменти трябва да са устойчиви на дългосрочна телесна температура (37 ℃) и разграждане (като PEEK).

Аерокосмическа индустрия: Вътрешните компоненти на кабината са устойчиви на 120 ℃ (като PEEK), а околната среда на двигателя е устойчива на 250-300 ℃ (като ПИ). Космическата среда трябва да издържа на резки температурни промени от -200 ℃ до 150 ℃ (като ПТФЕ, ПИ).

Инженерни методи за подобряване на температурната устойчивост на пластмасите

Когато температурната устойчивост на съществуващите материали е недостатъчна, оптимизацията може да се постигне чрез следните методи:

Композитен материал: Използва се многослойна структура, като например PEEK с добра температурна устойчивост за вътрешния слой и евтин ПП за външния слой, балансирайки производителността и цената.

Структурно проектиране: увеличете дебелината на стените или използвайте арматурни пръти, за да подобрите носещата способност на конструкцията при високи температури; Избягвайте проектиране с остри ъгли и намалете деформацията при висока температура, причинена от концентрация на напрежение.

Контрол на процеса: Увеличете температурата на матрицата по време на шприцване, за да подпомогнете образуването на по-пълна кристална структура в кристалните пластмаси и да подобрите устойчивостта на топлина; Предварително изсушете абсорбиращи влага материали като Пенсилвания и компютър, за да избегнете хидролиза при висока температура.

Повърхностна обработка: Нанесете устойчиви на висока температура покрития (като керамични покрития), за да подобрите устойчивостта на повърхностната температура, като същевременно запазите здравината на основата.

Типични случаи на повреди и предотвратяване

Напукване на компютър чашки: Дългосрочната употреба на вряща вода (100 ℃) причинява компютър хидролиза, намаляване на молекулното тегло и загуба на здравина. Предотвратяване: Използвайте ПП или Тритан (кополестерни) чашки вместо това, като последните са устойчиви на температури от 100 ℃ и хидролиза.

Повреда на автомобилния ABS сензор: Температурата на околната среда в двигателния отсек достига 120 ℃, надвишавайки температурата за непрекъсната употреба на ABS, което води до стареене и крехкост на материала. Решение: Сменете с температуроустойчив ABS или подсилен клас PA66.

Деформация на ПВЦ водопроводни тръби: Директната слънчева светлина през лятото води до повишаване на температурата на тръбата до 70 ℃, надвишавайки HDT (70 ℃) на ПВЦ, което води до провисване на тръбата. Предотвратяване: Използвайте PVC (непластифицирано ПВЦ) или Специалист по икономически въпроси-RT тръби за подобряване на топлоустойчивостта.

Температурната устойчивост на пластмасите е резултат от комбинираното действие на материалите, структурата и околната среда. Няма абсолютно температурно устойчива пластмаса, а само изборът на подходящи сценарии. С напредъка на технологиите за модифициране на материалите, границата на температурната устойчивост на пластмасите непрекъснато се разширява чрез молекулярен дизайн, нанокомпозити и други средства, като например графеново армиране.