Список тематических статей

Теплофизические свойства

Понятия и общие сведения

К теплофизическим свойствам полимеров относят все изменения физических характеристик материала, находящиеся в зависимости от температуры. Для пластмасс и эластомеров это очень важные характеристики, определяющие как возможность и параметры их переработки в изделия, так и эксплуатационные свойства готовых пластиковых изделий. Важно понять температурный интервал, гарантирующий подходящую механическую прочность полимера и возможность его применения на практике.

Важнейшими характеристиками, которые можно отнести к теплофизическим, являются теплостойкость, термостойкость, жаростойкость, морозостойкость и другие. Рассмотрим их более подробно.

Теплостойкость

Теплостойкостью называется предельная температура сохранения необходимых прочностных характеристик полимерного материала. Для высокомолекулярных соединений это значение температуры сохранения образцом своей формы при определенной нагрузке.

Для полимеров в стеклообразном или кристаллическом состояниях теплостойкость сводится к способности не терять формы при росте температуры тела. В случае высоко пластифицированных пластмасс, резин и прочих эластомеров – это качество сохранения высокоэластических характеристик и прочность при аналогичном росте. Теплостойкость численно характеризуется при помощи коэффициента теплостойкости, который равен отношению некоторой механической характеристики при высокой температуре и нормальной температуре.

Разработано несколько стандартных способов определения теплостойкости пластмасс, наиболее распространенными из которых считаются метод Вика и метод Мартенса. Подробнее методы и их особенности описаны в соответствующей статье «Теплостойкость» на портале ПластЭксперт.

Термостойкость

Термостойкостью полимеров называется максимальная температура, при которой полимерный материал сохраняется от химических превращений, приводящих к изменению его свойств. Такие высокотемпературные реакции прежде всего ведут к термической деструкции высокомолекулярного соединения или его структурированию. Из сказанного следует, что термостойкость по сути есть предельное значение, выше которого не работает теплостойкость полимерного материала.

Термостойкость определяется при помощи способов термогравиметрии и дифференциального термического анализа.

Рис.1. Термогравиметрический анализатор

В случае использования термогравиметрии измерение проводится при непрерывном возрастании температуры с постоянной скоростью. При этом термостойкость измеряется как температура Т начала интенсивного уменьшения массы образца, либо температура уменьшения его массы на некоторую заданную величину, например заданный процент от изначальной массы.

Второй метод основан на факте сопровождения химических реакций деструкции тепловыми эффектами является обычно более точным для получения значения температуры старта интенсивных взаимодействий в полимерных молекулах.

Важно отметить, что некоторые полимеры, например полиэтилен, полипропилен, полиметилметакрилат, полистирол теряют теплостойкость при гораздо более низкой температуре, чем термостойкость. Для них считают температуру работоспособности равной теплостойкости, но не термостойкости. С другой стороны, для многих других полимерных материалов теплостойкость и термостойкость теряется примерной при одних и тех же термических условиях. В то же время такие полимеры, как целлюлоза, практически на теряют теплостойкости вплоть до термодеструкции, ее эксплуатационные температуры ограничены именно термостойкостью.

Для улучшения термостойкости полимерных материалов применяют специальные аддитивы –термостабилизаторы. Такие компоненты ингибируют термо- и термоокислительную деструкцию.

Жаростойкость

Жаростойкостью полимерных материалов называется их свойство выдерживать действие раскаленного до 950 градусов С предмета без возгорания и обугливания. Жаростойкость определяется путем помещения образца материала на время в три минуты в контакт с силитовым стержнем, имеющим указанную температуру.

Самую высокую среди полимеров жаростойкость имеют термореактивные материалы, например феноло-формальдегидные смолы, а также кремнийорганические полимеры, полиимиды. Особенную жаростойкость придают неорганические наполнители, такие как асбест, кварц, слюда, минеральные волокна.

Пластмассы с высокой жаростойкостью примеряются в составе конструкций для применений при повышенных температурах и для теплоизоляции.

Морозостойкость

Морозостойкостью называется свойство материалов выдерживать низкие температуры с сохранением своих основных характеристик.

В случае полимеров, находящихся в стеклообразном твердом состоянии морозостойкость подразумевает работу пластмассового изделия без хрупкого разрушения, то есть речь идет о температуре хрупкости. Для эластомерных изделий говоря о морозостойкости имеют ввиду сохранение высокоэластичности. В этом случае температура морозостойкости равна температуре стеклования.

Рис.2. Неоправданное применение не морозостойкого пластика

В практической плоскости морозостойкостью считают способность полимера выдерживать без разрушения одноразовое охлаждение до определенной (низкой) температуры в течение некоторого времени. Реже принимают во внимание многократные повторяющиеся циклические охлаждения и нагревания. Морозостойкость пластмасс находится в зависимости от длительности нагружения.

Кроме указанных теплофизических характеристик полимерных материалов отметим также следующие.

Теплопроводность - способность полимеров к переносу тепла от областей более высоких в области более низких температур. Теплопроводность аморфных материалов ниже, чем кристаллических. Для этого параметра важны окружающая температура, химическая природа высокомолекулярного соединения и его физическое состояние.

Теплоемкостью полимерного материала называют количество теплоты, которое затрачивается для изменения его температуры на один градус С. Удельная теплоемкость – отношение теплоемкости к количеству вещества.