Старение полимерных материалов в процессе эксплуатации

Большинство полимерных КМ, применяемых в авиационной технике, весьма чувствительно к действию температуры в сочетании с кислородом воздуха и его влажностью. При воздействии температуры и кислорода воздуха в аморфных линейных полимерах, например в стеклах СО–120, Э–2 и др., происходят одновременно структурные перестройки его молекул, термоокислительная деструкция и частичное сшивание молекул вследствие образования активных радикалов.

Термоокислительная деструкция на воздухе при 313 и 363 °С заметно изменяет подвижность молекул полимеров. Кислород реагирует прежде всего со слабыми и более напряженными звеньями этих молекул, расположенными в неупорядоченных областях аморфной фазы. В результате такого взаимодействия эти звенья разрываются. Деструкция происходит также и в кристаллической фазе полимеров.

Обычно структурная неоднородность при формовании полимерных КМ, армированных волокнами, выражена в большей степени, чем у ненаполненных полимеров. Поэтому перестройки в аморфной фазе, усиленные деструкцией, как правило, повышают прочность полимерных КМ на 15...25 %.

Фотостарение полимерных КМ вызывается ультрафиолетовой областью солнечного излучения, составляющей 290...400 нм. Это воздействие сильно зависит от состояния атмосферы, времени суток, сезонности, которые изменяют спектральный состав атмосферы. Поток ультрафиолетовой радиации вблизи земной поверхности составляет не более 1 % суммарного солнечного спектра и вызывает деструкцию полимеров.

Воздействие влаги состоит в том, что молекулы воды ослабляют межмолекулярное взаимодействие в неупорядоченных областях наполненных и ненаполненных полимеров, способствуют более плотной упаковке и совершенствованию упорядоченных молекулярных структур. Поэтому при воздействии влаги повышаются плотность и механические свойства, снижается температурный коэффициент линейного расширения, возрастает температура стеклования КМ. Эти изменения происходят в органопластиках 7Т, 7ТО, 12Т, 10Т, 9Т, 6Т, 5Т, в углепластиках, углеорганопластиках и углестеклопластиках.

Вода катализирует доотверждение матрицы в полимерных КМ, поэтому образуются дополнительные химические связи, возрастает температура стеклования. С этой целью отвержденное изделие выдерживают во влажном воздухе или в воде при повышенной температуре. Волокна СВМ освобождают от сорбированной влаги перед пропиткой путем кратковременной высокотемпературной сушки.

Следует отметить, что в пористых и в дефектных пластиках вода находится в капиллярно–конденсированном состоянии. Она кристаллизуется в интервале от –30 до –50 °С. До температуры –30 °С вода действует как пластификатор, а ниже –30 °С – как твердый, дисперсный наполнитель.

Таким образом, влияние внешней среды сказывается на сшивке, пластификации, окислении, разориентации молекул полимерных КМ. Обычно в углепластиках КМУ–1У, КМУ–ЗЛ, КМУ–4 и в органопластиках при старении превалирует деструкция в эпоксидных областях матрицы. В стеклах Э–2, СО–120, СО–200, АО–120 происходит в основном разориентация молекул, фотолиз боковых эфирных групп в макромолекулах, которые обусловлены физической и структурной неоднородностью.

При воздействии внешней среды обычно повреждается тонкий поверхностный слой полимерного КМ толщиной не более 0,2 мм, а внутренние его объемы сохраняют свои свойства, однако в целом свойства материала резко снижаются. В стеклах резко падает ударная вязкость, ухудшается прочность при растяжении. При удалении поверхностных слоев в процессе ремонта свойства могут быть восстановлены.

Наиболее эффективными способами повышения климатической стойкости полимеров являются ориентированная вытяжка и применение прозрачных тонких покрытий на стеклах. Покрытия в виде прозрачных тонких пленок типа Ф–1, Ф–2М на основе фторсоединений ограничивают контакт стекол с внешней средой, обладают высокой атмосферостойкостью и сохраняют вязкий характер их разрушения.

8.8. Резины и их свойства

Резина – это продукт вулканизации смеси каучука с различными добавками. Резина отличается высокой эластичностью и упругостью, малой плотностью, непроницаемостью для газов и жидкостей, хорошими электроизоляционными свойствами, химической стойкостью. Некоторые специальные резины обладают высокой стойкостью к действию топлив и масел, высокой износостойкостью, хорошими деформирующими свойствами, способностью выдерживать многократные переменные нагружения.

По совокупности технических свойств резину широко применяют в конструкциях авиационной техники: для изготовления покрышек и камер колес самолетов, различных гибких шлангов, трубопроводов, а также мягких топливных баков; для амортизации и демпфирования; для уплотнения и герметизации воздушных и жидкостных сред и т. д.

Резина и каучуки отличаются от основных металлических и неметаллических материалов рядом особенностей, поэтому количественные характеристики их свойств оценивают несколько иначе.

Физико-механические свойства резины оценивают путем испытания на растяжение, определения твердости, морозостойкости и стойкости к органическим растворителям.

При испытании на растяжение определяют временное сопротивление σ_z (МПа), относительное удлинение в момент разрыва ε_z (%), остаточное относительное удлинение θ_Z (%).

Для оценки сопротивления резины действию высоких температур или старению в процессе эксплуатации ее испытывают на старение. Старение резины проводят при 70 °С в течение 144 ч.

Коэффициент старения k_c находят по формуле:

k_c = ε'_z / ε_z,

где ε_z, ε'_z – относительное удлинение в момент разрыва образца резины до и после старения соответственно.

Твердость определяют в основном на двух приборах: ТМ-2 (твердость по ТИР) – путем вдавливания тупой иглы в образец резины; ТШМ-2 (твердость по ТШР) – путем погружения стального шарика и последующего измерения деформации. Твердость по ТИР выражается в условных единицах; твердость по ТШР – в МПа.

Работоспособность резины при пониженных температурах оценивают, как правило, температурой хрупкости t_xp – наибольшей температурой, при которой резиновый образец при замораживании теряет эластичные свойства и хрупко разрушается при ударной нагрузке. Существуют и другие методы оценки морозостойкости, например определение коэффициента морозостойкости.

Стойкость резины к органическим растворителям определяют по изменению массы стандартного образца (20 х 20 х 2 мм) после выдержки его в течение 24 ч в определенном растворителе (бензин, керосин и т. д.).