Как вода влияет на механические свойства полимеров

Почему вода является проблемой для деталей из термопластов? В учебниках описывается, что водопоглощение некоторых видов полиамида (ПА) очень высокое как при относительной влажности 50%, так и в воде. Само по себе это не было бы проблемой, но поглощение воды приводит к сильному изменению свойств материалов. Как динамический механический анализ (ДМА) может помочь в решении этой проблемы?

Для начала давайте разберемся, почему вода является проблемой для деталей из термопластов. В учебниках описывается, что водопоглощение некоторых видов полиамида (ПА) очень высокое как при относительной влажности 50 %, так и в воде. Само по себе это не было бы проблемой, но поглощение воды приводит к сильному изменению свойств материалов. Например, модуль упругости полиамида (PA) снижается до 66 % во влажной атмосфере. Таким образом, знание о потере жесткости термопластичного материала очень важно при изготовлении полимерных деталей. Как динамический механический анализ (DMA) может помочь в решении этой проблемы?

DMA в теории

В этом методе к образцу прикладывается синусоидальная сила (напряжение). В результате на выходе получается синусоидальная деформация (напряжение). Из обоих параметров можно рассчитать модуль упругости, который отражает жесткость материала. Но с помощью измерения DMA мы можем узнать о материале еще больше! Возьмем пример человека, у которого в руке мяч. Он роняет мяч на пол, но мяч не возвращается на прежнюю высоту в руке человека. Это свидетельствует о том, что материал ведет себя по-разному. Энергия, которая остается в шаре, чтобы подняться с земли, связана с модулем сохранения энергии E´. Недостающая высота, на которую мяч не поднимается, связана с рассеянной энергией, связанной с модулем потерь (E"). В итоге мы также получаем информацию о демпфирующем поведении материала.

Иллюстрация, объясняющая модули накопления и потери в анализе полимеров, подчеркивающая диссипацию энергии в материалах. — Рисунок 1: Модуль упругости и потерь

В следующих примерах речь идет в основном о модуле упругости, поскольку этот параметр наиболее тесно связан с жесткостью материала и поэтому наиболее важен при изготовлении полимерной детали.

Пример 1: Полиамид 6 во влажной атмосфере

Измерения проводились на приборе DMA 242 E Artemis в сочетании с генератором влажности.в печи устанавливается относительная влажность, что позволяет измерять динамические механические свойства материала в условиях влажности. Образец PA 6 измерялся при частоте 1 Гц и температуре 40°C в режиме растяжения. Относительная влажность воздуха постепенно увеличивалась с 0% до 75% с течением времени. Жесткость (описываемая модулем упругости E') материала измерялась при этих значениях относительной влажности. Хорошо видно, что жесткость материала уменьшается с увеличением относительной влажности. При относительной влажности 50 % модуль упругости уменьшился примерно на 74 %.

График DMA, показывающий снижение прочности на разрыв полиамида 6 на 74% при различном уровне влажности, является ключевым для анализа характеристик материала. — Рисунок 2: Измерение ДМА образца PA 6 в режиме растяжения

Пример 2: Полиуретан в погружной ванне

Для этого примера DMA 242 E Artemis был оснащен иммерсионной ванной, которая представляет собой стальной контейнер, устанавливаемый на держатель образца. Она применима для всех держателей образцов и режимов деформации DMA 242 E Artemis. Полиуретан (ПУ) измерялся на нескольких частотах, при температуре 25°C и в режиме растяжения. На рисунке 3 хорошо видно, в какой момент в контейнер была добавлена вода. Наблюдается снижение модуля упругости за время нахождения воды в контакте с материалом. Снижение значительное и составляет около 17 %.

График ДМА, иллюстрирующий влияние воды на жесткость полиуретановой пленки с течением времени, показывает значительное снижение на 17%. — Рисунок 3: Измерение ДМА с помощью погружной ванны на образце полиуретана

При изготовлении полимерных деталей для различных областей применения необходимо учитывать влияние влажности или жидкостей на материалы. Если деталь спроектирована с учетом исходной жесткости материала, то в условиях эксплуатации она, скорее всего, выйдет из строя. Этого можно избежать, если проверить динамические механические свойства в условиях эксплуатации с помощью динамического механического анализа. Узнать больше о DMA 242 E Artemis можно здесь. Знаете ли вы? Поглощение воды часто приводит к изменению размеров детали. ТМА, оснащенный генератором влажности, может помочь оценить изменение длины во влажной атмосфере. Следите за нами на LinkedIn, чтобы не пропустить статью!