Новости

01 Суть эффективности воздействия

Услышав о «ударной прочности», многие сразу же думают о «прочности». Но что же такое прочность? Проще говоря, это способность материала эффективно рассеивать энергию при ударе.

Если энергия рассеивается равномерно, материал «прочный»; если энергия сосредоточена в одной точке, он «хрупкий».

Итак, как же полимеры рассеивают энергию? В основном, тремя путями:

• Движение сегментов цепи: При воздействии внешней силы молекулярные цепи рассеивают энергию за счет внутреннего вращения, изгиба и скольжения. Молекулярные цепи могут «уклоняться», изгибаться и скользить;

• Микродеформация: Подобно резине, частицы резины вызывают образование трещин в матрице, поглощая энергию удара. Внутренняя фазовая структура может деформироваться, а затем восстанавливаться; 

• Механизмы отклонения трещин и поглощения энергии: Внутренняя структура материала (например, межфазные границы и наполнители) делает путь распространения трещины извилистым, замедляя разрушение. Проще говоря, трещина не распространяется по прямой линии, а нарушается, отклоняется и пассивно нейтрализуется внутренней структурой.

Видите ли, ударная прочность — это не столько «прочность, позволяющая выдерживать разрушение», сколько «способность рассеивать энергию, перенаправляя её».

Это также объясняет распространенное явление: некоторые материалы обладают невероятно высокой прочностью на разрыв и легко разрушаются при ударе; например, конструкционные пластмассы, такие как PS, PMMA и PLA.

Другие материалы, обладая умеренной прочностью, способны выдерживать удары. Причина в том, что первым негде «рассеять энергию», в то время как вторые «рассеивают энергию». Примерами могут служить листы и стержни полиамида (ПА).PPа также материалы ABS.

С микроскопической точки зрения, когда внешняя сила воздействует мгновенно, система испытывает чрезвычайно высокую скорость деформации, настолько короткую, что даже молекулы не успевают «прореагировать» вовремя.

На этом этапе металлы рассеивают энергию за счет скольжения, керамика высвобождает энергию за счет растрескивания, а полимеры поглощают удар за счет движения сегментов цепи, динамического разрыва водородных связей и скоординированной деформации кристаллических и аморфных областей.

Если молекулярные цепи обладают достаточной подвижностью, чтобы изменять свое положение и перестраиваться во времени, эффективно распределяя энергию, то ударные характеристики хорошие. И наоборот, если система слишком жесткая — движение сегментов цепи ограничено, кристалличность слишком высока, а температура стеклования слишком высока — то при воздействии внешней силы вся энергия концентрируется в одной точке, и трещина распространяется напрямую.

Таким образом, суть ударопрочности заключается не в «твердости» или «прочности», а в способности материала перераспределять и рассеивать энергию за очень короткое время.

 

02. С надрезом и без надреза: не один тест, а два механизма разрушения.

Обычно мы говорим о "силе удара", но на самом деле она бывает двух типов: 

• Ненадрезная ударная вязкость: Исследует «общую способность материала к рассеиванию энергии»; 

• Удар с надрезом: Исследуется «сопротивление вершины трещины».

Показатель ударной вязкости без надреза измеряет общую способность материала поглощать и рассеивать энергию удара. Он определяет, может ли материал поглощать энергию за счет скольжения молекулярных цепей, кристаллической деформации и деформации резиновой фазы с момента воздействия силы до разрушения. Таким образом, высокий показатель ударной вязкости без надреза часто указывает на гибкую, совместимую систему с хорошим рассеиванием энергии.

Испытание на ударную вязкость с надрезом измеряет сопротивление материала распространению трещин в условиях концентрации напряжений. Это можно рассматривать как «устойчивость системы к распространению трещин». Если межмолекулярные взаимодействия сильны и сегменты цепи могут быстро перестраиваться, распространение трещин будет «замедлено» или «пассивировано».

Следовательно, материалы с высокой ударопрочностью при наличии надрезов часто обладают сильными межфазными взаимодействиями или механизмами рассеивания энергии, такими как водородные связи между сложноэфирными связями в поликарбонате или межфазное отслоение и образование складок в системах упрочнения резины. 

Именно поэтому некоторые материалы (такие как ПП, ПА, АБС и ПК) хорошо показывают себя в испытаниях на удар без надреза, но демонстрируют значительное снижение сопротивления удару с надрезом, что указывает на неэффективность их микроскопических механизмов рассеивания энергии в условиях концентрации напряжений.

 

03 Почему некоторые материалы ударопрочные?

Чтобы это понять, нам нужно взглянуть на молекулярный уровень. Ударопрочность полимерного материала обеспечивается тремя фундаментальными факторами:

1. Сегменты цепи имеют степени свободы:

Например, в ПЭ (Сверхвысокомолекулярный полиэтиленВ полиэтилене высокой плотности (HDPE), термопластичном полиуретане (TPU) и некоторых гибких поликарбонатах (PC) сегменты цепи могут рассеивать энергию за счет конформационных изменений при ударе. Это в основном связано с поглощением энергии за счет внутримолекулярных движений, таких как растяжение, изгиб и скручивание химических связей.

2. Фазовая структура обладает буферным механизмом: такие системы, как HIPS, ABS и PA/EPDM, содержат мягкие фазы или границы раздела фаз. При ударе границы раздела фаз сначала поглощают энергию, отслаиваются, а затем снова соединяются.Подобно боксерским перчаткам, эти перчатки не увеличивают силу, но продлевают время воздействия нагрузки и снижают пиковую нагрузку. 

3. Межмолекулярная «липкость»: Некоторые системы содержат водородные связи, π–π-взаимодействия и даже дипольные взаимодействия. Эти слабые взаимодействия «жертвуют» собой, поглощая энергию при ударе, а затем медленно восстанавливаются.

Поэтому вы обнаружите, что некоторые полимеры с полярными группами (такие как ПА и ПК) выделяют значительное количество тепла после удара — это происходит из-за «тепла трения», генерируемого электронами и молекулами. 

Проще говоря, общая характеристика ударопрочных материалов заключается в том, что они достаточно быстро перераспределяют энергию и не разрушаются сразу.

 

ВНЕ's UHMWPE иЛист из полиэтилена высокой плотности (HDPE)Это конструкционные пластмассовые изделия с превосходной ударопрочностью. В качестве основного материала в горнодобывающей промышленности и машиностроении, они заменили углеродистую сталь и стали предпочтительным выбором для облицовки грузовых автомобилей и угольных бункеров. 

Их чрезвычайно высокая ударопрочность защищает их от ударов твердых материалов, таких как уголь, обеспечивая сохранность транспортного оборудования. Это сокращает циклы замены оборудования, тем самым повышая эффективность производства и обеспечивая безопасность работников.