В равной мере рецептурно-технологические факторы влияют на механическую прочность и других полимерных изоляционных материалов, рассматриваемых в данной работе. Уже на стадии синтеза полимера, создания на его основе композиций различного состава и изготовлении изделия формируются предпосылки, влияющие на механическую прочность. Дефекты материала, в частности в его поверхностном слое, оказывают решающее влияние на концентрацию деформаций и возникновение зон повреждений с дальнейшим появлением первых трещин. Рост образования трещин происходит по-разному, в зависимости от условий эксплуатации.
Влияние на механические свойства полиолефинов может достигаться не только применением различных стабилизирующих добавок, но и соответствующими условиями получения полимера или регулированием размеров надмолекулярных образований. Формирование последних происходит при переработке полимера в изделие и зависит от природы вводимых добавок, способа и режимов переработки.
Таблица 4.2
Примечание. Изменения свойств материала марки ПЭВД в зависимости от содержания наполнителя до (в числителе) и после (в знаменателе) старения при 20°С в течение 1500 ч.
Как видно из табл. 4.2, повышение содержания наполнителя приводит к уменьшению относительного удлинения, ухудшается морозостойкость, появляется хрупкость и тенденция к снижению временного сопротивления на растяжение материала марки ПЭВД.
Различное действие наполнителей объясняется их влиянием на формирование надмолекулярной структуры полиэтилена. Более устойчивыми оказываются наиболее мелкодисперсные структуры. Крупносфералитная структура способствует появлению локальных напряжений, что облегчает растрескивание материала при тепловом старении.
Введение в полиэтилен различных стабилизирующих добавок оказывает защитное действие. Физико-механические свойства сохраняются в течение 5 лет и затем, могут медленно изменяться в продолжении 20 лет.
Пределы показателен основных физико-механических свойств для различных марок ПЭВД при 20° С:
С увеличением скорости растяжения образца разрушающее напряжение при растяжении и относительное удлинение при разрыве уменьшаются, а предел текучести при растяжении растет. С повышением температуры разрушающее напряжение полиэтилена при растяжении, сжатии, изгибе и срезе понижается, а относительное удлинение при разрыве возрастает до определенного предела, после которого также начинает снижаться.
В зависимости от температуры механическая прочность ПЭВД изменяется следующим образом:
Изменение температурных коэффициентов расширения в зависимости от температуры приведено ниже:
В процессе изготовления изделий наблюдается термическая усадка и связанное с ней внутреннее напряжение.
Физико-механические свойства материала 11ЭНД при 20° С имеют следующие значения:
Плотность, г/см3 ...0,949 ... 0,955
Разрушающее напряжение, МПа, при:
растяжении......................................................................................... 22,0 ... 30,0
изгибе.......................................................................................... 20,0 ... 30,0
Относительное удлинение при разрыве, % ... 30,0... 80,0
Модуль упругости при изгибе, МПа....65,0 ... 75,0
Предел текучести при растяжении, МПа....22,0 ... 27,0
Относительное удлинение в начале процесса, % ...20... 12
Твердость по Бринеллю. МПа......45... 58
Материал марки ПЭНД более жесткий, чем марки ПЭВД и имеет модуль упругости при изгибе и температуре 20° С в 3 раза; а при 50° С — в 1,5 раза большее значение.
Механическая прочность при растяжении обусловливается релаксационными процессами и поэтому зависит от скорости и времени воздействия. Ударная вязкость полиэтилена характеризуется работой, затраченной на разрушение образца, а также зависит от молекулярной массы образца.
Рабочая температура изделий из полиэтилена составляет 80... 90° С и зависит от давления, продолжительности нагружения и других условий эксплуатации.
Для высокочастотных изоляционных конструкций наиболее часто применяется фторопласт-4 (Ф-4). Этому способствуют не только высокие диэлектрические свойства на высоких частотах и теплостойкость, но также и сравнительно хорошие для полимера механические характеристики. Плотность его в зависимости от температуры меняется от 2,27 г/см3 при t = —50° С до 2,14 г/см3 при t= + 125° С. Максимальная рабочая температура, при эксплуатации 4- 260° С.
Физико-механические свойства полимера марки Ф-4 при температуре от + 80 до — 40° С:
Разрушающее напряжение, МПа, при: растяжении образца:
незакаленного....14,0 ... 35,0
закаленного.......16,0...31,5
деформации при сжатии:
1 %-ной....10,0
10 %-ной......18,5
статическом изгибе......11,0...14,0
Модуль упругости при 20° С, МПа, при:
изгибе.....47,0... 85,0
сдвиге......27,0
Водопоглощение за 24 ч, %.....0,00
Относительное удлинение при разрыве, % .... 250 ... 500
Фторопласт может использоваться при криогенных температурах. Его разрушающее напряжение при сжатии с деформацией 0,2% составляет 17,5... 19,6 МПа при температуре жидкого гелия — 269,3° С.
Ползучесть при 100° С и нагрузке 2,8 МПа за 24 ч составляет 5,58 %, а за 4 сут — 5,9%.
Температурный коэффициент линейного расширения при температуре от — 50 до + 25° С составляет 13,5· 105 К-1, а при температуре от 25 до 100° С — 12,4-105 К-1.
Причиной возникновения хладотекучести или «псевдотечения» материала марки Ф-4 является процесс рекристаллизации, начинающийся в образце при достижении определенного напряжения растяжения или сжатия, которой можно назвать пределом псевдотекучести (σπ). Значение этого предела зависит от температуры, скорости нарастания растягивающей нагрузки или продолжительности действия нагрузки при сжатии.
Зависимость предела псевдотекучести от температуры приведена ниже:
Последние годы в качестве высокочастотных термопластов получили распространение стекло-, талько- и слюдонаполненные полипропилены, их композиции под названием силпон, поли-4- метилпентен-1, темплен термостойкий, стеклонаполненные полиамиды, композиции полифенилоксида под общим названием арилоксы (табл. 4.3).
Таблица 4.3
Помимо хороших значений tgδ (10~3... 10-4), высоких значений, влагостойкости, малых значений усадки, диапазону рабочих температур от —50... —60° С до +80... 100° С, за исключением стекло- и тальконаполненных полипропиленов, арилоксы обладают более высокими механическими свойствами по сравнению со своими ненаполненными термопластами.
Как видно из табл. 4.3, полиамид стеклонаполненный обладает повышенными прочностными свойствами.
Выбор термопластов для каждого конкретного случая определяется совокупностью всех электрофизических, физико-механических и технологических свойств.
