Почему одни виды пластика служат долго, а другие быстро стареют и трескаются, несмотря на то, что все они являются пластиковыми материалами?(1)
Почему одни виды пластика служат долго, а другие быстро стареют и трескаются, несмотря на то, что все они изготовлены из пластика?
Пластик, пожалуй, один из материалов, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Бутылки с минеральной водой, контейнеры для еды на вынос, чехлы для телефонов, корпуса розеток, оболочки кабелей, автомобильные салоны, корпуса бытовой техники, уплотнения, трубы и упаковочные пленки — пластик можно найти практически повсюду. И все же у многих людей сложилось не очень благоприятное впечатление о пластике.
Когда речь заходит о пластике, распространены следующие мнения: дешевый, непрочный, со временем становится хрупким и подвержен старению под воздействием солнечного света. Некоторые даже желтеют, становятся липкими и издают странные запахи.
Эти явления действительно существуют. Однако было бы упрощением утверждать, что «все пластмассы недолговечны». Пластик — это не один материал, а широкое семейство материалов. Различия между различными видами пластмасс гораздо больше, чем многие себе представляют. Хотя все они называются пластмассами, некоторые предназначены для одноразовой упаковки, некоторые — для автомобильных компонентов, некоторые — для шестерен и подшипников, некоторые — для медицинских приборов, а некоторые даже могут долгое время эксплуатироваться в условиях высоких температур, сильной коррозии и требований к электроизоляции.
Поэтому настоящий вопрос заключается не в том, долговечен ли пластик, а скорее в следующем:
Какой тип пластика используется?
Были ли в него добавлены какие-либо присадки?
Подходит ли данный производственный процесс?
Превышают ли условия эксплуатации пределы эксплуатационных характеристик материала?
В этой статье мы начнем с вопроса: почему одни виды пластика очень прочны, а другие быстро стареют и трескаются?
I. Пластик — это не один материал, а целое семейство материалов.
В повседневной жизни мы часто называем многие предметы просто «пластиком». Однако в материаловедении под пластиком понимается широкий спектр различных его типов.
Полиэтилен (ПЭ): широко используется для производства пленок, крышек для бутылок, труб и упаковочных материалов.
Полипропилен (ПП): широко применяется в пищевых контейнерах, компонентах бытовой техники, автомобильных деталях и товарах повседневного спроса.
ПВХ (поливинилхлорид): обычно используется для труб, оболочек кабелей, напольных покрытий и профилей.
АБС: используется для корпусов бытовой техники, игрушек и деталей интерьера автомобилей.
Поликарбонат (ПК): обладает превосходной прозрачностью и высокой ударопрочностью, подходит для прозрачных компонентов и защитных деталей.
Полиамид (также известный как нейлон): обладает высокой прочностью и износостойкостью, часто используется для изготовления шестерен, подшипников и механических компонентов.
Полиоксиметилен (ПОМ): обладает высокой жесткостью и износостойкостью, идеально подходит для прецизионных деталей трансмиссии.
ТПУ (термопластичный полиуретановый эластомер): гибкий и износостойкий, широко используется в чехлах для телефонов, материалах для обуви, кабелях и гибких шлангах.
Все эти материалы в обиходе обычно называют пластиком, однако их свойства сильно различаются. Одни мягкие, другие жесткие. Одни выдерживают низкие температуры, другие – высокие. Одни прозрачные, другие непрозрачные. Одни маслостойкие, другие чувствительны к растворителям. Одни подходят для использования внутри помещений, а другие могут использоваться на открытом воздухе в течение длительного времени.
Поэтому при оценке надежности пластикового компонента первым шагом является не проверка того, из какого именно пластика он сделан, а точное определение его типа и сценария применения.
II. Почему пластмассы стареют?
Старение пластмасс, по сути, относится к изменениям, происходящим в структуре материала во время эксплуатации. Эти изменения могут быть вызваны светом, теплом, кислородом, влагой, химическими веществами, механическим напряжением, а также условиями обработки и составом материала. После старения пластмассы могут проявлять следующие явления: охрупчивание и растрескивание, пожелтение, меление, липкость, затвердевание, размягчение, потеря прочности, потускнение поверхности и деформация размеров. Причины этих симптомов не идентичны.
1. Солнечный свет и ультрафиолетовое излучение вызывают охрупчивание пластмасс.
Многие пластиковые детали, предназначенные для использования на открытом воздухе, уязвимы к длительному воздействию солнечных лучей. Ультрафиолетовое излучение солнечного света ускоряет реакции фотоокисления в некоторых полимерных материалах, вызывая разрыв молекулярных цепей и структурные изменения. К видимым проявлениям относятся выцветание, пожелтение, образование мелового налета на поверхности и снижение прочности, что в конечном итоге приводит к охрупчиванию и растрескиванию.
Это объясняет, почему пластиковые ведра, пластиковые стулья и внешняя оболочка кабелей для наружного применения могут исправно работать в помещении годами, но заметно становятся хрупкими после некоторого времени воздействия внешней среды.
Для применения на открытом воздухе, как правило, необходимо учитывать такие факторы, как степень атмосферостойкости, защита от УФ-излучения, наличие технического углерода, светостабилизаторов, антиоксидантов или поверхностных покрытий. Не все пластмассы по своей природе пригодны для длительной эксплуатации на открытом воздухе.
2. Высокие температуры ускоряют окисление и ухудшение характеристик.
Пластмассы чувствительны к температуре. Некоторые пластмассы демонстрируют отличные характеристики при комнатной температуре, но при длительном воздействии высоких температур происходит термоокислительное старение. Например, в местах, расположенных вблизи двигателей, вентиляционных отверстий, тепловыделяющих частей электроприборов и салонов автомобилей, подверженных воздействию прямых солнечных лучей, температура может быть значительно выше, чем в обычных помещениях.
С повышением температуры скорость старения материалов ускоряется, и стабильность размеров, прочность и ударная вязкость могут ухудшаться. Соответственно, пригодность пластикового компонента зависит не только от того, сможет ли он кратковременно выдерживать такие температуры, но и от того, сможет ли он сохранять свои свойства при этих температурах в течение длительного времени. Этот нюанс часто упускается из виду многими новичками.
3. Концентрация напряжений провоцирует преждевременное растрескивание.
Растрескивание некоторых пластиковых деталей происходит не только из-за низкого качества основного материала, но и из-за скрытых рисков, связанных с конструкцией и технологическим процессом. Примеры включают:
чрезмерное количество острых углов,
резкие переходы толщины стенки,
неправильно спроектированные резьбовые бобышки,
защелкивается под постоянной нагрузкой,
высокое остаточное внутреннее напряжение при литье под давлением,
принудительное сжатие во время сборки,
Длительный изгиб или вибрация.
В этих местах образуется концентрация напряжений. Сразу после изготовления дефекты могут быть незаметны, однако трещины начнут образовываться и распространяться из этих слабых зон после определенного периода эксплуатации.
Следовательно, растрескивание пластиковых компонентов не всегда можно объяснить исключительно низким качеством материала. Это может быть результатом сочетания факторов: выбора материала, конструкции, конструкции пресс-формы, процесса литья под давлением и сборки.
4. Воздействие химических веществ также может вызывать растрескивание.
Многие считают, что пластмассы устойчивы к воде и коррозии. Это лишь отчасти верно. Различные пластмассы сильно различаются по своей химической стойкости. Некоторые материалы чувствительны к спирту, другие — к маслам, третьи — к чистящим средствам, четвертые — к растворителям, а пятые — к кислотам и щелочам. Определенные пластмассы уязвимы при одновременном воздействии механических напряжений и химических веществ.
Например, прозрачный пластиковый компонент может казаться прочным в нормальных условиях. Однако длительный контакт со спиртом, чистящими средствами, смазкой или некоторыми растворителями в сочетании с внутренним напряжением может вызвать образование мельчайших трещин. Это явление обычно называют растрескиванием под воздействием окружающей среды. Оно характеризуется постепенным развитием трещин в условиях эксплуатации без значительного внешнего воздействия.
Следовательно, при оценке долговечности пластмасс нельзя ограничиваться лишь механической прочностью; необходимо также учитывать контактирующие с ними среды.
5. Вода и высокая влажность также могут влиять на некоторые виды пластика.
Некоторые пластмассы чувствительны к воде и высокой влажности. Например, нейлон легко впитывает влагу, что может привести к изменению его размеров, прочности, жесткости и электрических свойств. Такие материалы, как полиэстер и поликарбонат, также подвержены гидролизу при высоких температурах и высокой влажности или в неподходящих условиях обработки.
Это не означает, что эти материалы низкого качества; скорее, у них есть свои пределы эксплуатации. При выборе материала крайне важно уточнить, будет ли компонент контактировать с водой, будет ли он использоваться длительное время в условиях высокой влажности, требуется ли стабильность размеров и необходимы ли электроизоляционные свойства. Для одного и того же типа материала результат может быть совершенно разным при использовании в сухих помещениях и в жарких и влажных условиях на открытом воздухе.
