Теплофизические свойства армированных пластиков

Теплопроводность пластиков и пластмасс, плотность пластмассы — физические свойства полимеров

В таблице представлены физические свойства полимеров (пластмасс и пластика) при отрицательной и положительной температуре, в интервале от -200 до 280°С. Свойства пластиков даны при нормальном атмосферном давлении.

Таблица свойств следующих полимеров, пластиков и пластмасс: акриловая смола, асбоволокниты типа КФ-3, асботекстолиты, асборезит, волокниты, гетинаксы, гетинакс тонкий, древеснослоистые пластики ДСП, карболит: крезольный, литой, фенольный, каучук, силиконовый, с наполнителем, кремнийорганический полимер КМ-9, кремнийорганическая смола К-55, К-18-2, К-21-22.

Лак: алкидный на высыхающих маслах ФВ-2, пентафталевый №170, кремнийорганический КО-08, полиэфирный ПЭ-939, лак битумный №177, мипора, пенопласты, поропласты, полиамидная смола 54, полиамид 66 (полиамид 6, капрон, полиамид 66, нейлон, найлон), полиамид 68, поликапроамид, полиизобутен, поливинилбутираль, поливиниловый спирт, полиизобутилен, полиизопропилметакрилат, поликарбонат, полипропилен атактический, изоатактический, полиметилметакрилат, полиорганосилоксановые жидкости: ПМС — 1,5, ПМС — 5, 10, 50, 100, 200, 400, 476, 700, 1000, ПЭС — 1, 2, 3, 4, 5, ПФМС — 2/5 Л, 4, ФМ — 1322, ПФМС — 6, полистирол ударопрочный УПП — 1 ППС, политетрафторэтилен, полихлортрифторэтилен, полиуретан ПУ — 1, ПВХ пленка, кабельный, пластифицированный, жесткий, с кварцевым наполнителем, линолеум с наполнителем, хлорированный, полихлорвинил с бутилбензилфталатом, палатиновое масло АН, полиэтилен ВД, П2020, ПЭ — 500, линейный, НД, П4045К, полиэтилентерефталат, полиэтиленгликоль, полиэтиленсилоксановая жидкость №5, 7, резит, резина пористая, стеклопластик полиэфирный на основе жесткого и мягкого стеклохолста, стекловолокнит типа АГ — 4, КАСТ, стеклопластик полиэфирный на основе стеклоткани, наполненной минеральным наполнителем 8% ZnO в смоле ПН-1, текстолит, фибролит, фенолформальдегидная смола, аррезин — Б, 101К, Р-21, совмещенный фенолит, фенольная литая смола, фурфурил — фенолформальдегидная смола Ф-10, фурановый полимер ФГ-2, эмаль (кремнийорганическая): КО-84, КО-811, эпоксидная смола Э-33, Э-41, ЭД-5, ТФЭ-9, ПН-1, этрол ацетатцеллюлозный, этилцеллюлозный.

Даны следующие теплофизические свойства полимеров и пластмасс:

• плотность пластика, кг/м3;
• коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град);
• коэффициент температуропроводности, м2/с;
• удельная (массовая) теплоемкость, кДж/(кг·град).

Следует особо отметить значения плотности пластмассы в таблице. Ее диапазон находится в пределах от 16 кг/м3  (для теплоизоляционных пенистых пластмасс — таких, как мипора) до 2280 кг/м3 (для тяжелого линолеума с наполнителем).

Теплопроводность в одноосно-растянутых полимерах

В таблице представлены значения степени растяжения, коэффициента линейного растяжения и теплопроводности при комнатной температуре
(вдоль и поперек направления растяжения) для следующих полимеров, пластмасс и пластиков: полистирол, полиметилметакрилат, поливинилхлорид, поликарбонат.

Теплоемкость пластмасс, пластика и резины

В таблице представлены значения удельной (массовой) теплоемкости в кДж/(кг·град) при различной температуре (от 5 до 333К) для следующих полимеров пластика и резины: бакелит, винипласт, капрон, найлон-6 (полиамид 6, капрон, полиамид 66, нейлон), парафин, парафин жидкий, поликарбонат, полиметилакрилат (плексиглас, оргстекло), полистирол, политетрафторэтилен, полиэтилен, полиэфирные пластмассы, пресс-материал АГ-4С, резина, эбонит, этролы целлюлозные.

Свойства пористых полимеров

В таблице представлены теплофизические и механические свойства полимеров, имеющих в своей структуре газонаполненные поры.
Свойства полимеров в таблице указаны при температуре 5…50°С.

Даны следующие свойства пористых полимеров и пластмасс:

• плотность пластиков (объемная масса), кг/м3;
• предел прочности при сжатии, Мн/м2;
• водопоглощение в течении суток, %;
• линейная усадка при 90°С, %;
• горючесть;
• теплопроводность пластиков, Вт/(м·град);
• ударная вязкость, кДж/м2;
• теплостойкость (предельная температура применения),°С;
• структура материала.

В таблице приведены плотность свойства следующих полимеров с пористой структурой: поливинилхлоридные ПВХ жесткие, эластичные, пенополистирол (пенопласт ПС-1, ПС-4), пенофенопласты (ФФ, ФК), пенополиуретаны жесткие, пеноэпоксипласты. Следует отметить, что плотность пластиков зависит от их пористости и может находится в диапазоне от 30 до 230 кг/м3.

Свойства гетероцепных полимеров

В таблице приведены свойства гетероцепных полимеров при комнатной температуре.
К гетероцепным полимерам относятся следующие пластики: лавсан, капрон, эпоксидные полимеры, капрон, энант, анид, поликарбонаты и другие вещества.

Указаны следующие свойства полимеров:

• плотность пластика, кг/м3;
• предел прочности при изгибе, растяжении и сжатии, Мн/м2;
• ударная вязкость, кДж/м2;
• относительное удлинение, %;
• модуль упругости, Гн/м2;
• коэффициент температурного расширения (КТР), 1/град;
• диэлектрическая проницаемость при 50 Гц;
• удельное электросопротивление (объемное), Ом·м;
• электрическая прочность, Мв/м;
• тангенс угла диэлектрических потерь при 50 Гц.

Дана плотность и  свойства таких гетероцепных полимеров, как капрон, анид, полиформальдегид, поликарбонаты, лавсан, энант, полиурентаны, эпоксидные полимеры с различной плотностью. Плотность пластмасс в таблице изменяется в интервале от 1080 до 1420 кг/м3.

Источники:

Критерии выбора полимерных материалов

Термин «полимерные материалы» является обобщающим. Он объединяет три обширных группы синтетических пластиков, а именно: полимеры; пластмассы и их морфологическую разновидность — полимерные композиционные материалы (ПКМ) или, как их еще называют, армированные пластики.

Общее для перечисленных групп то, что их обязательной частью является полимерная составляющая, которая и определяет основные термодеформационные и технологические свойства материала.

Полимерная составляющая представляет собой органическое высокомолекулярное соединение, полученное в результате химической реакции между молекулами исходных низкомолекулярных веществ — мономеров.

Выбор пластмассы для изготовления конкретного изделия определяется его эксплуатационными условиями. Критерии выбора разнообразны и зависят от назначения изделия.

Основными критериальными характеристиками полимерных материалов являются механические (прочность, жесткость, твердость), температурные (изменения механических и деформационных характеристик при нагревании или охлаждении) и электрические. Последние отражают широкое применение пластмасс в радиоэлектронной и электротехнической отраслях.

Кроме того, существенное значение приобрели триботехнические характеристики и ряд специальных свойств (огнестойкость, звукопоглощение, оптические особенности, химическая стойкость). Немаловажны также экономические условия (стоимость полимерного материала, тираж изделия, условия производства).

Механические свойства.

Механические свойства определяют поведение физического тела под действием приложенного к нему усилия. Численно это поведение оценивается прочностью и деформативностью.

Прочность характеризует сопротивляемость разрушению, а деформативность — изменение размеров полимерного тела, вызванное приложенной к нему нагрузкой.

Поскольку и прочность и деформация являются функцией одной независимой переменной — внешнего усилия, то механические свойства еще называют деформационно-прочностными.

[attention type=yellow]

Модуль упругости является интегральной характеристикой, дающей представление прежде всего о жесткости конструкционного материала. Ударная вязкость характеризует способность материалов сопротивляться нагрузкам, приложенным с большой скоростью. В практике оценки свойств пластмасс наибольшее применение нашло испытание поперечным ударом, реализуемым на маятниковых копрах.

[/attention]

Твердость определяет механические свойства поверхности и является одной из дополнительных характеристик полимерных материалов. По твердости оценивают возможные пути эффективного применения пластиков.

Пластмассы мягкие, эластичные, имеющие низкую твердость, используются в качестве герметизирующих, уплотнительных и прокладочных материалов.

Твердые и прочные могут применяться в производстве деталей конструкционного назначения: зубчатых колес и венцов, тяжело нагруженных подшипников, деталей резьбовых соединений и пр.

Таблица «Механические свойства термопластов общего назначения».

Таблица «Механические свойства конструкционных термопластов».

Температурные характеристики.

Нередко при выборе полимерного материала учет его теплового поведения бывает более важным, чем оценка прочностных особенностей.

Температура эксплуатации пластмассового изделия влияет на значения разрушающих напряжений, деформативности, модуля упругости, твердости, ударной вязкости и других свойств, существенно корректирующих потребительские характеристики. Часто эта корректировка оказывается не в пользу полимерного материала.

Таблица «Температурные характеристики термопластов общего назначения».

Таблица «Температурные характеристики конструкционных термопластов».

Таблица «Температурные характеристики термопластов с повышенной теплостойкость».

Теплофизические свойства.

Теплофизические свойства имеют исключительно большое значение для определения практической ценности полимерных материалов.

Параметры, относящиеся к теплофизическим свойствам, условно разделяются на две группы. Первая — определяет внешнее поведение полимерного тела при изменении температуры. К ней, прежде всего, относится тепловое расширение или дилатометрические свойства.

Вторая — устанавливает внутреннюю реакцию материала на тепловое воздействие. Интенсивность каждого вида реакции определяется соответствующим теплофизическим коэффициентом (ТФК).

Коэффициент теплового расширения — подразумевает общее изменение размеров физического тела в функции температуры.

Коэффициент теплопроводности численно равен количеству тепла, переносимого через единицу изотермической поверхности за единицу времени при градиенте температуры, равном единице.Коэффициент температуропроводности а является параметром, характеризующим теплоинерционные свойства материала.

Чем больше значение а, тем быстрее происходит выравнивание температуры во всех точках тела. Соответственно, чем ниже величина а, тем лучшим теплоизолятором является материал.

Знание температуропроводности необходимо в технологических целях для оценки времени охлаждения изделий, получаемых из расплава полимера или из его размягченной заготовки (метод формования), для оценки поведения полимерной детали в нестандартных тепловых полях.

Таблица «Теплофизические свойства полимерных материалов».

Химическая стойкость

Перечень агрессивных агентов, влияющих на свойства полимерных материалов, чрезвычайно широк, но тем не менее может быть систематизирован в наиболее часто встречающиеся группы.

Это минеральные и органические кислоты, а также растворы последних в воде, растворы щелочей и окислителей, алифатические и ароматические растворители, горюче-смазочные материалы. Воздействие агрессивной среды на полимер может сопровождаться его набуханием, диффузией среды в полимер и химическим взаимодействием, приводящим к деструкции пластика.

На определение стойкости полимерного материала к агрессивным средам существуют государственные стандарты, характеризующие сопротивляемость в баллах. Чем значимее балл — тем выше сопротивляемость материала воздействию агрессивной среды.

По ГОСТу 12020 стойкость к агрессивным средам оценивается по изменению их массы, причем по пятибалльной шкале: 5 — высокая стойкость; 4 — удовлетворительная; 3 — материал устойчив не во всех случаях; 2 — стойкость недостаточна, к применению не рекомендуется; 1 — материал не стоек и быстро разрушается.

Высокой химической инертностью и стойкостью к деструкции обладают фторопласты. Марки фторопластов Ф-4, Ф-4 НТД, Ф-3, Ф-40 стойки ко всем средам. Значительную химстойкость демонстрируют и такие полиолефины, как ПЭНП, ПЭВП и ПП, а также непластифицированный ПВХ.

Несколько уступает им по этому качеству ПК и полистирольные пластики (ПС). Гетероцепные полимеры типа полиамидов склонны к гидролитической деструкции и активному набуханию вследствие своей гидрофильности. Нестоек к агрессивным средам конструкционный термопласт — полиформальдегид.

Термореактивные пластики чувствительны к щелочным средам и растворам окислителей.

[attention type=red]

Вместе с тем в химическом аппаратостроении широко используются высоконаполненные порошковым графитом (асбестом) антегмиты и фаолиты, полученные на основе фенолоформальдегидного или фенолоальдегидного связующего.

[/attention]

Армированные полимерные материалы могут эксплуатироваться длительное время в кислотах и растворах щелочей концентрацией до 10%, а также в растворителях и горючесмазочных материалах.

Электрические свойства.

Под электрическими свойствами понимают совокупность параметров, характеризующих поведение пластмассы в электромагнитном поле. В прикладном значении наиболее часто используются следующие параметры: диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери, тангенс угла диэлектрических потерь, электрическая проводимость и электрическая прочность, а также трекингостойкость.

Диэлектрическая проницаемость e является параметром, равным отношению емкости электрического конденсатора, между обкладками которого — полимерный материал, к емкости того же конденсатора, между обкладками которого вакуум или воздух. По величине e все полимерные материалы условно подразделяются на группы:

— неполярные 1,8 < е < 2,3

— малополярные 2,3 < е < 3,0

— полярные 3,0 < е < 4,0

— сильнополярные e > 4,0

Условность разделения заключается в том, что электрические свойства пластмасс сильно зависят от внешних условий — температуры, влажности, степени ионизации окружающей среды, напряженности электрического поля, силы тока и других. При стандартизованных измерениях частота электромагнитного поля —10 Гц, температура — 20 0С, относительная влажность воздуха — 60%.

Горючесть пластмасс.

Основным показателем, определяющим горючесть пластмасс, является стойкость к горению (ГОСТ 28157-89) – способность материала противодействовать пламени. Пожаровзрывоопасность пластмасс – совокупность свойств, характеризующих их способность к возникновению и распространению горения, определяется следующими показателями (ГОСТ 12.1.044-89):

Группа горючести – классификационная характеристика способности веществ и материалов к горению;

температура воспламенения – наименьшая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний вещество выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что при воздействии на них источника зажигания наблюдается воспламенение;

Температура самовоспламенения – наименьшая температура окружающей среды, при которой в условиях специальных испытаний наблюдается самовоспламенение вещества;

температура тления – температура вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций окисления, заканчивающихся возникновением тления;

Условия теплового самовозгорания – экспериментально выявленная зависимость между температурой окружающей среды, количеством вещества и временем до момента его самовозгорания;

Кислородный индекс – минимальное содержание кислорода в кислородно-азотной смеси, при котором возможно свечеобразное горение материала в условиях специальных испытаний; коэффициент дымообразования – показатель, характеризующий оптическую плотность дыма, образующегося при пламенном горении или термоокислительной деструкции (тлении) определённого количества твёрдого вещества в условиях специальных испытаний;

Индекс распространения пламени – условный безразмерный показатель, характеризующий способность веществ воспламеняться, распространять пламя на поверхности и выделять тепло; показатель токсичности продуктов горения – отношение количества материала к единице объёма замкнутого пространства, в котором образующиеся при горении материала газообразные продукты вызывают гибель 50% подопытных животных.

Словарь.

Самовоспламенение – резкое увеличение скорости экзотермических объёмных реакций, сопровождающееся пламенным горением и/или взрывом.

Тление – беспламенное горение твёрдого вещества при сравнительно низких температурах, часто сопровождающееся выделением дыма.

Самовозгорание – резкое увеличение скорости экзотермических процессов в веществе, приводящее к возникновению очага горения.

Вернуться…