Производители полимерных композитов, рекламируя свою продукцию, обычно предоставляют ограниченный набор технических характеристик своих материалов. Подробная информация о составе материала публикуется редко.
Сотрудники Остравского технического университета провели исследование влияния повышенных температур на физические свойства полиэфирного прессматериала (компаунда) марки Menzolit BMC 3100. Это смесевой материал усиленный стекловолокном. Предназначен для изготовления рефлекторов автомобильных фар головного света.
Материал перерабатывается литьем под давлением или прямым прессованием. Литье под давлением происходит при температуре формы от 140°C до 165°C и температуре цилиндра от 30°C до 40°C. Обратное давление необходимо только для обеспечения постоянного дозирования, давление впрыска варьируется от 50 до 250 бар, а время впрыска должно быть как можно более коротким, но достаточным для обеспечения удаления воздуха из формы. Скорость отверждения составляет 10 секунд на миллиметр толщины изделия для литья и 20-30 секунд на миллиметр для прессования.
Для испытаний использовались образцы отвержденного материала в виде пластин.
Количественный анализ состава BMC был выполнен с помощью термогравиметрического анализа на приборе Hi-Res TGA TA Instruments 2950. Термогравиметрический анализ предполагает изменение массы в результате взаимодействия материала с атмосферой, испарения и разложения. Он включает измерение изменения массы материала в зависимости от температуры, при этом материал подвергается нагреву по определенной программе, взаимодействует с атмосферой, возможно испаряется и разлагается.
В зависимости от изменения массы при изменении температуры получены данные о количестве (массе) отдельных компонентов в образце (Рис.1). Изменение массы при следующих температурах можно объяснить так:
(a) 0-200°C: недолговечные компоненты при температуре до 200°C; потеря веса летучих компонентов материала, особенно стирола и остатков влаги;
(b) 200-600°C: разложение полимерной органической части материала до 600°C при динамическом нагреве 20°C/мин;
(c) 600-800°C: разложение наполнителя CaCO3;
(d) 800°C: остаток после прокаливания (CaO + стекловолокно);
Данные анализа можно интерпретировать как следующий состав BMC:
(a) 0,4% летучих компонентов, представляющих в основном влагу и остаточный стирол;
(b) 20,6% полимерной матрицы;
(c) 63,6% неорганического наполнителя CaCO3;
(d) 15,4% стекловолокна;
Для определения времени теплового воздействия был проведен изотермический термический анализ небольшого количества материала (до 300 минут). На Рис.2 показана зависимость потери массы в % от температуры. Потеря массы увеличилась при температуре выше 240°C.
Из-за термической деструкции органическая матрица разложилась в поверхностном слое. Разложение отражается потерей специфических химических связей и изменением интенсивности соответствующих полос в ИК-спектре (спектрофотометр FTIR Nicolet iS10).
График FTIR на Рис.3 показывает постепенное уменьшение полос, соответствующих связям органической матрицы полимера. Для оценки деградации поверхностного слоя наблюдалась полоса 1147 см−1, соответствующая связи C-O-C. С повышением температуры и прогрессирующим разрушением поверхностного слоя полимерная матрица разлагалась, что приводило к уменьшению интенсивности полосы C-O-C. Полоса 1728 см−1 соответствует колебательному движению связи C-O, называемому “растягивающей вибрацией” в акрилатных группах полиэфирных смол, а полоса 1147 см−1 соответствует растягивающей вибрации связей C-O-C.
Следующая часть эксперимента описывает изменение твердости по Бринеллю (твердомер по Бринеллю ZWICK/ROELL) в зависимости от воздействия повышенной температуры. Было обнаружено, что с повышением температуры твердость уменьшается (Рис. 4). Начиная с 200°C, твердость уменьшалась почти линейно.
Кроме того, материал был протестирован на ударную вязкость по Шарпи (CEAST Resil 5.5) в зависимости от теплового воздействия в течение 30 минут. В этом тесте также наблюдалось уменьшение значений ударной вязкости с повышением температуры (Рис. 5). Некоторое увеличение ударной вязкости при 300°C/30 минут могло быть связано с упрочнением/спеканием поверхности образца.
Измерение HDT (VICAT-HDT CEAST) было основано на стандарте ISO 75 для пластмасс - определение температуры изгиба под нагрузкой. По умолчанию использовался образец толщиной 10 мм. Использовались только стандартные условия испытания, которые заключались в скорости нагрева 120°C/час и нагрузке 1,82 МПа (метод А). Полученная температура HDT, согласно стандарту, указывала температуру, при которой испытуемый образец прогибался на 0,32 мм. Из результатов видно, что прогиб образца значительно увеличился после теплового воздействия (Рис. 6).
Вывод
Мензолит BMC 3100 можно считать термостойким композитным материалом, пригодным для использования в системах с постоянной температурой до 200°C. При превышении этой температуры материал начинает разрушаться на поверхности, особенно его органический компонент (полиэфирная смола). Этот тип разрушения оказывает негативное влияние на физические свойства пресс-материала. Воздействие температур выше 200°C снижает твердость, ударную вязкость и стабильность формы материала. Разрушение увеличивается при более высоких тепловых нагрузках почти линейно для всех наблюдаемых свойств.