ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВОГО СТАРЕНИЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛА “МАСЛЯНИТ-К”

П.Д. Дерлугян

Последние десятилетия характеризуются бурным ростом выпуска и использования подшипников скольжения из полимерных материалов. Благодаря особым, антифрикционным свойствам полимеров подшипники из этих материалов обладают высокой работоспособностью в узлах, эксплуатируются с ограниченной смазкой или при ее отсутствии, например, в узлах пищевых и текстильных машин, в сельском хозяйстве, строительстве, машино- и авиастроении и т.д. Благодаря применению полимерных подшипников повышается надежность и долговечность узлов, упрощается их конструкция, удешевляется ремонт и эксплуатация.

Однако в условиях длительной эксплуатации и хранения в полимерных материалах наблюдается резкое изменение их прочностных характе­ристик. Это обстоятельство выдвигает необходимость проведения широ­кого круга исследований в области старении полимеров. Анализ усло­вий эксплуатации и хранения различных материалов показывает, что в большинстве случаев наряду с другими внешними факторами материал подвергается действию повышенных температур и влажности окружающей среды. Это обстоятельство позволяет рассматривать температурное и влажностное воздействие в качестве основных факторов условий эксплу­атации, которые могут привести к изменению свойств материала в зави­симости от продолжительности их воздействия.

В настоящей работе рассматривается влияние теплового старения на изменение физико-механических свойств самосмазывающегося анти­фрикционного материала “Маслянит-К”. Этот материал получают методом анионной полимеризации ε -капролактама с введением в него различных модификаторов-наполнителей, которые, с одной стороны, придают полимеру требуемые свойства, а с другой – способствуют упорядочению структуры и повышению стабильности свойств по сравнению с чистыми полиамидами.

Для достижения поставленной цели авторами была разработана спе­циальная методика ускоренных климатических испытаний (УКИ), позво­ляющая:

  • оценить влияние введенных в полимер модификаторов на ста­бильность свойств при тепловом старении;
  • определить энергию активации Еа физико-химических процессов характеризующую изменение свойств материала;
  • установить температурно-временные пределы, при которых воз­можно применение материала “Маслянит-К”.

Основная задача при разработке режимов ускоренного старения сводилась к выбору таких условий внешнего воздействия, при которых обеспечивается максимально возможное ускорение испытаний при сохранении идентичности сущности процессов в реальных и искусственных условиях.

При ускоренных климатических испытаниях фиксировались изменения свойств, характеризующие физико-механические характеристики материала: разрушающие напряжения при сжатии в статическом изгибе, ударная вязкость и твердость.

Продолжительность испытания определялась температурой и уров­нем снижения чувствительного показателя на величину, исключающую возможность эксплуатации материала.

Тепловое старение образцов проводилось при трех температурах. За максимальную температуру испытания принималась предельная температура эксплуатации или температура деформационной теплостойкости. На основании ранее проведенных исследований за максимальную темпе­ратуру испытаний материала “Маслянит-К” принимаем Т = 393 К. Другие значения температур определяются по формуле:

Tn=T-20·n;

где Т – максимальная температура испытания, К,

Тn – промежуточная температура испытания, К ,

n – число температур испытания.

Таблица 1

Влияние теплового старения на изменение физико-механических свойств материала “Маслянит-К”

Определяемый показатель Свойства в исходном состоянии Температура испытания, К Продолжительность старения, сутки
5 10 15 30 45 60 90
Разрушающее напряжение при сжатии, МПа 125 353 123 117 137 127 125
373 122 120 133 118
393 120 115 120
Твердость по Бриннелю, МПа 148 353 140 131 122 129 130
373 130 122 136 130
393 135 129 133
Разрушающее напряжение при статическом изгибе, МПа 83 353 82 81 76 75 71 68 66
373 78 75 70 65 61 60 60
393 72 66 71 59 56
Ударная вязкость, кДж/м 20 353 19,4 18,8 18,4 17,8 17,6 17,6 17,5
373 18,4 17 16,6 16 15,6 15,5 15,5
393 16,6 15,6 15 14,6 14,4

В табл. 1 представлены данные по влиянию температуры и продолжительности ее воздействия на изменение физико-механических харак­теристик. Из табл. 1 видно, что в процессе теплового старения в интервале температур Т=353-393 К изменение разрушающего напряжения при сжатии колеблется в пределах±8%, а снижение твердости но Бринеллю не превышает 15-17% от исходного состояния.

Наиболее чувствительными к действию температуры оказываются прочностные характеристики при статическом изгибе и ударная вяз­кость. В процессе теплового старения происходит резкое снижение этих показателей на 20-34 и 12,5-28% соотвественно, и чем выше температура, тем больше скорость их снижения. Такое ухудшение физико-механических характеристик может быть объяснено несовершенством надмолекулярной структуры, происходящими структурными изменениями (в первую очередь изменением степени кристалличности) и наличием термоокислительных процессов.

С помощью уравнения Аррениуса и кинетической зависимости по изменению разрушающего напряжения при статическом изгибе в про­цессе теплового старения была определена эффективная энергия акти­вации Еа= 71,4 кДж. За наименьший допустимый уровень принято снижение прочности при статическом изгибе на 20% в сравнении с исходным состоянием. Температура приведения принята равной 373 К.

Для определения температурно-временных пределов, при которых возможно применение материала “Маслянит-К”, рассчитываем время, в течение которого произойдет изменение предела прочности при стати­ческом изгибе на 20% по формуле:

 

Для построения обобщенной кривой (см. рисунок) экспериментально установленные продолжительности времени, при которых определя­емый показатель изменился на определенную величину, умножаются на значение масштабного фактора (а), соответствующего каждой тем­пературе старения:

а=0,278 для температуры 353 К,

а=1 для температуры 373 К,

а=2,5 для температуры 393 К.

Таблица 2

Данные для построения обобщенной кривой изменения предела прочности при статическом изгибе в процессе теплового старения

Температура,  K Экспериментальное время снижения показателей по 20%,сутки Масштабный фактор,α Рассчитанное время снижения показателей на 20%,сутки Текущее значение показателя
353 7

15

30

60

90

0,278 2

4

8

17

25

88

78

73

69,7

68

373 7

15

25

60

90

1 7

15

25

60

90

82

64,7

71,4

61

62

393 5

10

25

45

2,5 12,5

25

52,5

112,5

78

64,7

64,7

58,1

Затем на оси абсцисс откладываем время, соответствующее сниже­нию выбранного показателя на 20% от исходного значения, и равномерно разбиваем ось абсцисс на отрезки времени при каждой температуре экстраполяции.

Таким образом, на основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

  1. Введение модификаторов-наполнителей на стадии анионной поли­меризации E-капролактама способствует упорядочению структуры и по­вышению стабильности свойств по сравнению с чистыми полиамидами,
  2. В процессе теплового старения в интервале температур 353-393 К происходит снижение разрушающего напряжения при сжатии на 8%, а твердости по Бринеллю на 15-17%.
  3. Наиболее чувствительными к действию температуры оказываются прочностные характеристики при статическом изгибе и ударная вяз­кость, которые снижаются на 20-31 и 12,5-28% соответственно.
  4. Исследована кинетика процессов старения за счет термоокислительной деструкции и структурных превращений, приводящих к сниже­нию эксплуатационных свойств. Для реализация этих процессов, приво­дящих к снижению предела прочности при статическом изгибе на 20%, расходуется энергия активации, равная 71,4 кДж.
  5. Установлены температурно-временные пределы применения ма­териала “Маслянит-К”, которые составляют:

при Т = 393 К – 119 суток,           при Т = 333 К – 1 год,

при Т = 373 К – 33 суток,            при Т = 313 К – 5 год,

при Т = 353 К – 13 суток,            при Т = 293 К – 15 год.

Обобщенная кривая изменения предела прочности при статическом изгибе, построенная на основания результатов испытаний при тем­пературах старения:

○ – при Т = 353 К, × – при Т = 373 К, • – при Т = 393 К.

Обозначение шкал на рисунке:

α – сутки при Т = 373 К,

δ- годы при Т = 333 К,

β – годы при Т = 313 К,

E – годы при Т = 293 К.

Литература

  1. Павлов Н.Н. Старение пластмасс в естественных и искусственных условиях – М.: Химия, 1982. -224с.
  2. Ускоренное тепловое и тепловлажностное старение термопластов. Определение сроков хранения. Методическое руководство.-М.: НИИПМ, НПО «Пластмассы», 1978.-32с.
Leave A Comment

Вы не можете скопировать содержимое этой страницы