Разрушение полимеров

0
143

Полимеры являются наиболее широко используемыми материалами фармацевтической и медицинской промышленности. Однако были случаи неожиданного выхода из строя продукта, вызванные изменениями физической и химической структурой полимерных материалов, которые могут происходить во время производства, последующей обработки, транспортировки, хранения или использования. Данные структурные изменения варьируются от миллиметровых, микро до наноразмеров, влияя на производительность продукта. Ниже представлены общие понятия разрушения полимеров, связанные со структурой и их свойствами.

Как настраиваются полимеры

Полиэтилен (ПЭ), имеющий простую структуру, изготавливается из этилена СН2 = СН2 посредством процесса полимеризации, раскрывающий его двойную связь, образуя структуру следующим образом:

— {СН2 = СН2} —

Характеристика полимеров №1

Средняя молекулярная масса линейного полиэтилена составляет 200000-500000 г / моль. Одна цепь PE может изменять свою конфигурацию мгновенно и случайно. Длинноцепной полимер с высоким отношением длины к диаметру ведет себя как мягкий каучук, где сильно перепутанные цепи растягиваются под действием силы, сохраняя свое первоначальное состояние при высвобождении. Заменив одну Н каждой повторяющейся единицы ПЭ на Cl, можно создать поливинилхлорид (ПВХ).

polivinilhlorid

Характеристика полимеров №2

Однако изменение элемента затрудняет вращение связи -CC- в ПВХ, делая его жестким. Структурное изменение с PE на ПВХ значительно изменяет свойства и применение двух полимеров.

Внутри- и межполимерные характеристики:

Характеристики внутриполимерной структуры: Полимерные цепи обычно «мягкие», «жесткие» или промежуточные. Внутриполимерные структурные характеристики полимеров определяют, является ли полимер с длинной цепью «жестким» или «мягким», или что-то среднее.

Межполимерные силы: есть некоторые полимеры, имеющие слабые связи между своими цепями; другие, имеющие сильные связи. Силы Ван-дер-Ваальса определяют эту межполимерную силу. Оба фактора помогают понять различные свойства полимеров, а также причину, по которой полимеры сильно отличаются от металлов и керамики.

Температура стеклования (Tg) и ее физическое значение

Важным параметром, уникальным для полимеров, является Tg. Длина сегмента полимерной цепи варьируется, завися от внутри- и межполимерных характеристик, иллюстрирующих быстрые изменения формы, вплоть до разрушения.

Жесткость полимерной цепи увеличивается с длиной ее сегмента. Tg можно определить как переходную температуру, при которой сегменты полимера начинают вытекать из замороженного состояния (при повышении температуры), либо начинать замерзание (при понижении температуры).

Температуры плавления и кристаллизации Tm и Tc

Отличаясь от большинства неорганических кристаллических материалов, у полимеров нет способности образовывать 100% кристаллы. Полимеры всегда имеют по меньшей мере две фазы, а именно аморфную и кристаллическую. Не его Tg, а кристалличность определяет, является ли материал пластиком или резиной. Кристаллы (жесткие фазы) и резиновые (мягкие фазы) заставляют ПЭ вести себя как пластик с ударной вязкостью, а не как резина. Разрушение с дальнейшей перекристаллизацией происходит при нагревании перед плавлением, увеличивая сложность полимеров.

Perekristallizacija-uvelichivaet-slozhnost-polimerov

Оба параметра: плавление, кристаллизация — охватывают определенный диапазон околопиковых температур Tm и Tc. Незавершенный процесс кристаллизации ответственен за перекристаллизацию при нагревании. Следовательно, когда полимер нагревается, доходя до разрушения, перекристаллизация будет происходить при температурах до температуры плавления существующих кристаллов. Следовательно, дифференциальная сканирующая калориметрия не является надежной для измерения кристалличности полимера.

Молекулярный вес полимера и его значения

Существует два способа представления молекулярной массы в качестве параметра полимера. Один представляет собой среднечисловую молекулярную массу Mn, а другой — средневзвешенную Mw. Фигура 6 иллюстрирует реалистичное распределение молекулярной массы.

raspredelenie-molekuljarnoj-massy-polimerov

Механические характеристики полимеров

Два крайних случая, а именно: очень хрупкий полимер и очень пластичный полимер, демонстрируют реальные характеристики полимеров.

Можно получить модуль Юнга полимера (E) по наклону начальной линейной упругой области кривой напряжения / деформации. Другие механические свойства, которые можно получить из кривой, включают:

  • Начальный предел текучести до разрушения полимера;
  • Минимальное напряжение после начального сбора;
  • Упрочнение при деформации, при котором градиент начинает повышаться из-за того, что полимерная цепь полностью растягивается вдоль направления своего напряжения (более высокое напряжение необходимо для дальнейшего разрушения);
  • Напряжение разрушения, при котором полимер достиг своего максимально допустимого напряжения.

Механика разрушения полимеров и ее применения

Механикой разрушения понятие вязкости разрушения (KIC) описывается следующим образом:

KIC = с (П А ) 1/2 экв (1)

где c — обозначает критическое напряжение разрушения для размера дефекта «a». Корреляция между напряжением разрушения и размером дефекта определяется вязкостью разрушения, постоянной материала. Дефекты всегда присутствуют на разных уровнях, определяя диапазон от нано или микрометрических шкал до миллиметровых шкал.

defekt-ili-razmer-treshhiny-30-mkm-polimery-A-B-i-C

Для данного дефекта или размера трещины 30 мкм полимеры A, B, C не будут разрываться до тех пор, пока приложенное напряжение не приблизится к напряжениям 52, 103, 155 МПа соответственно, подчеркивая важность увеличения вязкости разрушения полимера для предотвращения образования продукта, его отказа.

Вывод

Важно понимать основы физики, химии, а также механизмов разрушения полимеров для технологов, инженеров и ученых, занимающихся разработкой новых продуктов с использованием полимеров или которым необходимо решать проблемы во время производства. Получение понимания взаимосвязей между требуемыми химическими и нано / микроструктурами полимеров и эксплуатационными характеристиками продукта поможет ускорить выявление первопричин разрушения полимеров для предотвращения будущих отказов.

Тест на разрушение для метанового баллона DIGITRONIC Light

Тест проведен в г. Королев, научно производственным предприятием «Маштест». Разрушение баллона произошло при внутреннем давлении 670 кгс/см2, тогда как заправленный метаном баллон имеет внутреннее давление всего 200 кгс/см2. Это означает, что запас прочности более, чем в 3 раза превышает необходимый и более чем в 2 раза превосходит нормы по ГОСТ.