CC BY
62
УДК 691.175
А.И. РЕУТОВ, канд. техн. наук, доцент,
aireutov@yandex.ru
ТУСУР, Томск
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КЛИМАТИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Рассмотрено старение полимерных материалов на основе полипропилена в условиях умеренного и холодного климата. Определены статистические характеристики прочностных и деформационных свойств материалов при воздействии естественных и искусственных климатических факторов. Предложен метод прогнозирования климатической стойкости полимерных материалов на основе распределений случайных величин: относительной деформации при разрыве и относительной деформации при пределе текучести.
Ключевые слова: полимерные материалы, старение, деформационнопрочностные характеристики, вероятностно-статистический метод, прогнозирование стойкости.
В настоящее время в строительстве широко применяются термопласты на основе полипропилена (ПП). Среди изделий и конструкций из 1111, применяемых в строительстве, можно выделить группу, которая подвергается воздействию естественных климатических факторов: поверхностные технологические трубопроводы, элементы систем поверхностного водоотвода (дождеприемники, желоба, лотки, решетки), ударобезопасные конструкции дорожной инфраструктуры (разделительные дорожные барьеры и блоки, дорожные указатели, оградительная сетка, дорожные сигнальные конусы, вехи, столбики), строительные мусоросбросы, пластиковые бордюры, защитные оболочки для бетона, корпусные детали строительного механизированного инструмента, полимерные противоналипающие футеровочные пластины (на рабочих поверхностях ковшей экскаваторов, платформ железнодорожных думпкаров, кузовов самосвалов, желобов, склизов, приемных и накопительных бункеров) и другие изделия из листового полипропилена.
Поэтому необходимы исследования процессов старения применяемых в строительстве полимерных материалов, находящихся под воздействием естественных климатических факторов, и прогнозирования их климатической стойкости.
Особенностью полимерных композиционных материалов является значительный разброс прочностных и деформационных характеристик в исходном состоянии, а также в процессе старения. Средние квадратические отклонения, характеризующие меру рассеяния исследуемых параметров, также существенно изменяются при старении.
Несмотря на то, что термическая и термоокислительная деструкция ПП изучена достаточно полно, практически отсутствуют сведения о влиянии размеров поперечных сечений образцов и изделий на стойкость материалов к старению. В основном влияние масштабного фактора исследовалось для старения полимерных пленок различных толщин [1, 2].
© А.И. Реутов, 2009
В связи с этим большое значение имеет экспериментальное исследование влияния масштабного фактора на механические свойства ІIII при воздействии естественных климатических факторов.
Для исследования влияния масштабного фактора были разработаны и изготовлены пресс-формы для литья под давлением образцов четырёх типоразмеров в форме лопаток с поперечным сечением 1x2,5; 2x5; 3x13; 8x25 мм2.
Изучалось старение материалов на основе полипропилена в зонах умеренного и холодного климата. Испытания проводились на климатических площадках в представительных пунктах климатических зон соответственно в гг. Томске, Якутске, соответствующих требованиям ГОСТ 9.906-83*, оборудованных стендами с изменяемым углом наклона рамы к горизонту и приспособлениями для закрепления образцов.
Подготовку и проведение испытаний образцов проводили по ГОСТ 9.708-83 «Методы испытания на старение при воздействии естественных и искусственных климатических факторов».
Контроль показателей деформационно-прочностных характеристик в процессе старения проводят через 1, 3, 6, 9, 12 месяцев, в дальнейшем - не реже одного раза в год в течение 3 лет.
После воздействия естественных климатических факторов образцы снимались со стендов и при необходимости очищались от загрязнений без применения химических моющих средства или растворителей. При очистке не должна быть повреждена поверхность образца.
Испытанию подвергались образцы полимерных материалов на основе полипропилена:
- блок-сополимер пропилена с этиленом 22007-16, бесцветный, ГОСТ 26996-86;
- морозостойкий полипропилен 15-04 901, черный, ТУ 6-05-1931-82;
- морозостойкий полипропилен 15-04, бесцветный, ТУ 6-05-1931-82.
Деформационно-прочностные характеристики определялись по
ГОСТ 11262-80 на разрывной машине для испытания пластмасс 2166 Р-5. Все образцы изготавливались методом литья под давлением на термопластавтома-те марки КиЛ8У 260/100 .
На начальном этапе исследовалась зависимость прочности при растяжении и относительного удлинения при разрыве по ГОСТ 11262-80 от размеров поперечного сечения образцов в исходном состоянии. Образцы каждого типоразмера по 30 штук испытывали на растяжение на разрывной машине для испытания пластмасс 2166 Р-5 при скорости растяжения 50 мм/мин, при температуре окружающей среды 23 ± 2 °С.
Рассмотрим стойкость к старению статистики прочностных характеристик последовательно в зонах умеренного и холодного климата.
В процессе старения образцов термопластов на основе полипропилена наблюдается потеря блеска, появляются микротрещины.
На рис. 1 показана зависимость среднего значения и среднего квадратического отклонения предела текучести при растяжении от времени старения для термопласта на основе полипропилена МПП 15-04, бесцветный в условиях умеренного климата.
а б
Время старения, мес Время старения, мес
Рис. 1. Зависимость среднего значения (а) и среднего квадратического отклонения (б) предела текучести от времени старения (г. Томск) для материала МПП 15-04, бесцветный для образцов с площадью поперечного сечения: 1 - 1x2,5; 2 - 2x5; 3 - 3x13; 4 - 8x25 мм2
В исходном состоянии прочность при растяжении материалов на основе полипропилена соответствует пределу текучести. На последних этапах старения образцы претерпевают хрупкое разрушение. Поэтому для оценки предельных прочностных характеристик материалов на основе полипропилена на разных этапах старения применялись предел текучести и прочность. В связи с тем, что воздействие солнечного излучения вызывает изменение структуры в поверхностных слоях образцов, влияние этого процесса на свойства материала при естественном старении должно зависеть от толщины образцов. Действительно, для бесцветных материалов МПП 15-04 и БСПЭ 22007 предел текучести образцов толщиной 1 мм резко уменьшается уже после 1 месяца экспонирования. После двух лет экспонирования у образцов бесцветных материалов МПП 15-04 и БСПЭ 22007-16 толщиной 1 мм наблюдается полная потеря прочности при растяжении. В этом случае образцы рассыпаются в момент съема со стенда климатической станции.
Для остальных типоразмеров образцов воздействие климатических факторов в этом случае является следующим: для термопласта МПП 15-04, бесцветный у стандартных образцов толщиной 2 мм снижение прочности по отношению к исходной происходит в 3,2 раза, у образцов толщиной 3 мм -в 1,9 раза. У образцов толщиной 8 мм в течение трех лет старения потери прочности по отношению к исходному значению не происходит.
С повышением толщины образцов увеличивается стойкость материала к старению. Среднее квадратическое отклонение предела текучести при растяжении вначале с увеличением времени старения возрастает, а затем после достижения предельного значения снижается.
Для материала БСПЭ 22007-16 в течение трех лет старения в умеренном климате у стандартных образцов толщиной 2 мм потеря прочности происходит в 18 раз, у образцов толщиной 3 мм - в 3,3 раза, у образцов толщиной 8 мм потеря прочности по отношению к исходному значению в 1,4 раза.
Применение конструкционных полимерных материалов в новых технологиях строительства в северном регионе страны требует дополнительных исследований по влиянию факторов холодного климата на эксплуатационные характеристики.
Анализ особенностей холодного климата показал, что среднее значение абсолютного минимума температуры воздуха по Якутии соответствует минус 65 °С, суточный перепад температуры воздуха порядка 30-40 °С (температура изделия на солнце 50-60 °С), до поверхности земли доходит более жесткое ультрафиолетовое излучение в весенне-летнее время года. Кроме того, необходимо учитывать частые перепады температуры выше и ниже 0 °С.
Материалы на основе полипропилена, как и другие термопласты, склонны к старению при эксплуатации изделий из них в атмосферных условиях холодного климата. Кроме того, температура хрупкости ПП - около минус 18 °С. Эти недостатки полипропилена потребовали проведения работ по его модификации. Модифицированные материалы должны быть морозостойкими и обладать устойчивостью к действию солнечной радиации.
В связи с созданием морозостойких рецептур на основе полипропилена было изучено поведение этих материалов под воздействием холодного климата.
Материалы МПП 15-04 и БСПЭ 22007-16 после первых месяцев экспонирования теряют блеск, после 6 месяцев хорошо заметна сеть микротрещин на поверхности образцов. После 6 месяцев экспонирования у нестаби-лизированных к ультрафиолетовому излучению материалов МПП 15-04 и БСПЭ 22007-16 резко ухудшаются свойства. Полученные результаты свидетельствуют о том, что кроме повышения морозостойкости композиций на основе полипропилена необходимо обратить особое внимание на фотостабилизацию морозостойкого полипропилена.
Образцы термопласта МПП 15-04, бесцветный толщиной 1 мм после трех лет экспонирования почти полностью теряют прочность. У стандартных образцов толщиной 2 мм потеря прочности наблюдается в 2,4 раза, у образцов толщиной 3 мм - в 1,8 раза. У образцов толщиной 8 мм в течение трех лет старения потери прочности по отношению к исходному значению практически не происходит.
Образцы из материала БСПЭ 22007-16 толщиной 1 мм в течение двух лет экспонирования, а образцы толщиной 2 мм за три года старения полностью теряют прочность. Образцы из этого материала толщиной 3 мм за три года старения теряют прочность более чем в 2 раза, а образцы толщиной 8 мм - в 1,15 раза.
Влияние ультрафиолетового облучения приводит к деструкции материала, появлению свободных радикалов. У материала МПП 15-04 901, светостабилизированного техническим углеродом (сажей), не наблюдается существенного изменения свойств.
На рис. 2 показаны зависимости среднего значения и среднего квадратического отклонения предела текучести при растяжении от времени старения для термопласта на основе полипропилена МПП 15-04 901, стабилизированного техническим углеродом в условиях холодного климата. Видно, что для этой марки морозостойкого полипропилена в течение трех лет экспонирования прочность
практически не изменилась для всех типоразмеров образцов, тогда как для остальных материалов прочность уменьшилась в зависимости от толщины образца.
Время старения, змее Время старения, мес
Рис. 2. Зависимость среднего значения (а) и среднего квадратического отклонения (б) предела текучести от времени старения (г. Якутск) для материала МПП 15-04, черный; для образцов с площадью поперечного сечения 1 - 1х2,5; 2 - 2x5; 3 - 3x13; 4 - 8x25 мм2
На рис. 3 показана зависимость среднего значения и среднего квадратического отклонения модуля упругости при растяжении от времени старения для термопластов на основе полипропилена в условиях холодного климата. Среднее значение модуля упругости за два года старения для морозостойкого ПП уменьшается: у МПП 15-04, бесцветного с 1110 до 725 МПа, а у МПП 15-04 901 - с 1100 до 880 МПа.
а б
Время старения, мес Время старения, мес
Рис. 3. Зависимость среднего значения (а) и среднего квадратического отклонения модуля упругости от времени старения (б) (г. Якутск) для материалов на основе полипропилена:
1 - МПП 15-04, бесцв.; 2 - МПП 15-04, черный
На рис. 4 показана зависимость среднего значения относительного удлинения (деформации) при разрыве от времени старения для термопластов на основе полипропилена в условиях умеренного и холодного климата. Относительная деформация при разрыве является одним из параметров, которые наиболее чувствительны к старению.
а б
Время старения, мес Время старения, мес
Рис. 4. Зависимость среднего значения относительной деформации при разрыве от времени старения, г. Томск (а); г. Якутск (б) для образцов из термопластов на основе полипропилена БСПЭ 22007-16, с поперечным сечением:
1 - 1x2,5; 2 - 2x5; 3 - 3x13; 4 - 8x25 мм 2
У материалов, нестабилизированных к ультрафиолетовому излучению, резко уменьшается среднее значение относительной деформации при разрыве в первые месяцы естественного старения.
Считается, что когда текущее значение относительной деформации при разрыве достигает значения относительной деформации при пределе текучести, полимерный материал становится хрупким, то есть наступает потеря его работоспособности [2].
На рис. 5 приведены зависимости среднего значения относительной деформации при разрыве от толщины образцов для термопластов на основе полипропилена в условиях умеренного и холодного климата.
После шести месяцев старения наблюдается линейная зависимость относительной деформации при разрыве от толщины образцов. При построении зависимости относительной деформации при разрыве от толщины образцов h аппроксимации подвергались экспериментальные данные методом наименьших квадратов, при этом изменение относительной деформации при разрыве описывалось уравнением
^(Ь) = ah+b, (1)
где h - толщины образцов; a и Ь - константы материала.
Построение деформационных зависимостей и определение констант аппроксимирующей зависимости проведено с помощью программы Ехе1 2000.
600
^ 500
о. 400
300
200
100
1
А
\
П 1 -И 3 4 п .(1
Толщина образца, мм
3 5 7
Толщина образца, мм
Рис. 5. Зависимость среднего значения относительной деформации при разрыве от толщины образца для БСПЭ 22007-16 (а), для МПП 15-04, бесцветного (б) при старении, г. Якутск:
1 - исходные значения; 2 - 1 месяц; 3- 6 месяцев; 4 - 12 месяцев; 5 - 36 месяцев
б
а
Расчет констант уравнения (1) для исследуемых материалов зависимости относительной деформации при разрыве от толщины образцов в процессе старения в зонах умеренного и холодного климата в течение 6, 12 и 36 месяцев и статистического показателя Я2 приведены в табл. 1. Статистический показатель Я2 соответствует величине достоверности аппроксимации.
Таблица 1
Константы уравнения
Материал Якутск Томск
а Ь Я2 а Ь Я2
МПП 15-04, бесцв. 6 мес 4,25 -0,75 0,99 8,61 -5,59 0,94
МПП 15-04, бесцв. 12 мес 2,48 1,11 0,98 7,08 -0,08 0,91
МПП 15-04, бесцв. 36 мес 2,54 -2,31 0,89 1,97 3,77 0,81
БСПЭ 22007-16. 6 мес 5,57 -1,14 0,98 8,48 -6,75 0,97
БСПЭ 22007-16. 12 мес 4,68 -2,33 0,95 5,28 0,03 0,99
БСПЭ 22007-16. 36 мес 2,97 -3,53 0,96 3,10 -4,36 0,98
На рис. 6 приведены зависимости среднего значения предела текучести от толщины образцов в условиях умеренного и холодного климата. Из графиков видно, что в первые месяцы старения зависимости среднего значения предела текучести от толщины образцов соответствуют аналогичным зависимостям в исходном состоянии. В этом случае среднее значение предела текучести уменьшается с ростом толщины образцов. На более поздних сроках, после 6 месяцев старения, зависимости среднего значения предела текучести от толщины образцов меняются на противоположные, а с увеличением продолжительности старения наблюдается более резкий рост среднего значения предела текучести при увеличении толщины образцов.
а б
Толщина образца, мм Толщина образца, мм
Рис. 6. Зависимость среднего значения предела текучести, МПа, от толщины образца при старении (г. Якутск): для БСПЭ 22007-16 (а); для МПП 15-04, бесцветный (б):
1 - исходные значения; 2 - 1 месяц; 3 - 6 месяцев; 4 - 12 месяцев; 5 - 36 месяцев
Для всех типоразмеров образцов и мест экспонирования предел текучести МПП 15-04 901 практически не меняется.
Известно, что в поверхностных слоях накапливаются продукты окисления, концентрация кислородосодержащих групп в поверхностных слоях максимальная, а по мере удаления от поверхности к центру образца она убывает. Концентрация продуктов окисления снижается от поверхности в глубину образца экспоненциально. Отмечается, что даже относительно низкая степень окисления вызывает увеличение хрупкости и снижает относительную деформацию при разрыве [1].
Для получения данных о содержании продуктов окисления методом ИК-спектроскопии в толстослойных образцах при старении под действием естественных климатических факторов был исследован образец термопласта БСПЭ 22007-16 толщиной 8 мм. У образца материала, экспонированного в течение трех лет в зоне холодного климата, взяты пробы с поверхности и с удалением от нее до середины. Для снятия спектров использовали прибор ИК-спектрометр Spectrum One, связанный с персональным компьютером. Пробу материала с бромидом калия растирали в агатовой ступке до образования однородной смеси. Из приготовленной смеси в пресс-форме вакуумного пресса формировалась таблетка, которая помещалась в кюветное отделение ИК-спектрометра.
При сканировании испытуемого образца материала в диапазоне от 3700 до 900 см-1 фиксировалась интенсивность полосы поглощения в ИК-области кислородосодержащих карбонильных групп. Для расчетов использовали соотношение интенсивности пиков по полосе (СО-группы 1715 см-1).
Изменение интенсивности полосы поглощения карбонильных групп с удалением от поверхности образца представлено на рис. 7.
«
н
о
о
и
«
«
о
и
<и
[5
«
<и
«
И
<и
И
<и
а
ет
53
Расстояние от поверхности, мм
Рис. 7. Изменение интенсивности полосы поглощения карбонильных групп с удалением от поверхности образца
Видно, что интенсивность полосы поглощения карбонильных групп с удалением от поверхности края образца к середине образца на 4 мм изменяется более чем в семь раз. Вид кривой свидетельствует о том, что концентрация карбонильных групп экспоненциально убывает от поверхности к середине образца. После 2 мм толщины образца скорость изменения интенсивности полосы поглощения карбонильных групп значительно замедляется.
Сопоставляя кривые зависимостей среднего значения относительной деформации при разрыве от толщины образца для БСПЭ 22007-16 и изменение интенсивности полосы поглощения карбонильных групп с удалением от поверхности образца, можно отметить, что через три года экспонирования в условиях холодного климата образцы толщиной 1 и 2 мм полностью потеряли прочность. Средние значения относительной деформации при разрыве у образцов толщиной 3 и 8 мм составили соответственно 7,5 и 20 %.
Прогнозирование стойкости полимерных материалов для различных условий эксплуатации проводится на основе изучения механизма физикохимических процессов, протекающих в материале при старении, проведения ускоренного старения в лабораторных условиях и прогнозирования изменения эксплуатационных характеристик методами экстраполяции [1, 2].
Проблема достоверности прогнозирования связана с отсутствием единого подхода к выбору параметра, по изменению которого проводится оценка стойкости материала, работающего в заданных условиях эксплуатации. Кроме того, не установлены и предельные значения исследуемых параметров, по отношению к которым проводится оценка стойкости материала.
Метод оценки климатической стойкости полимерных материалов на основе вероятностно-статистического метода заключается в следующем. На рис. 8 показаны типичные кривые относительной деформации при разрыве ер(0 и относительной деформации при пределе текучести ет. Кривая относительной деформации при пределе текучести ет представляет собой предельное значение кривой относительной деформации при разрыве ер@). До пересече-
ния средних значений относительной деформации при разрыве е^) и относительной деформации при пределе текучести ет возникает перекрытие их распределений.
Обозначим новую случайную величину
у = ер^) - Ет,
тогда вероятность безотказной работы можно представить в виде
Щ) = Р(у >0).
Случайная величина у имеет нормальное распределение с математическим ожиданием
ту = шг - шг
У е р ет
и средним квадратическим отклонением
Рис. 8. Типичная кривая относительной деформации при разрыве ер($ и относительной деформации при пределе текучести ет
Вероятность безотказной работы, выраженную через у, можно записать
'' 1
Щ) = Р(у >0) = Г----^ехр
0 Яу* 2П
с у
У - ту
у
йу.
Выражая вероятность безотказной работы через нормированную функцию нормального распределения, имеем
Я = 1 -Ф
8р (І) - Вт
Б 2 + £ 2
(2)
Экспериментальная зависимость среднего значения относительной деформации при разрыве от времени старения для различных типоразмеров образцов может быть аппроксимирована степенной функцией.
Средние значения относительной деформации при пределе текучести и средние квадратические отклонения приведены в табл. 2.
Таблица 2
Статистики относительной деформации при пределе текучести
Материал Єт Б оЄт
МПП 15-04, бесц. 14,2 0,55
МПП 15-04 901 14,1 0,53
БСПЭ 22007-16 13,1 0,56
Построение деформационных зависимостей и определение констант аппроксимирующей зависимости проведено с помощью программы Ехе1 2000.
Задаваясь временем старения и соответствующим ему значением относительной деформации при разрыве єДґ), близким к значению относительной деформации при пределе текучести вт, по формуле (2) можно определить стойкость материала по деформационному критерию. Для бесцветных термопластов при значении вероятности безотказной работы 0,99 стойкость материалов в условиях умеренного и холодного климата для образцов различных поперечных сечений приведена в табл. 3. Расчет стойкости материалов под действием естественных климатических факторов проведен в системе Mathcad 2001.
Таблица 3
Климатическая стойкость материала
Сечение образца, мм2 БСПЭ 22007-16 МПП 15-04, бесцв.
Томск Якутск Томск Якутск
1x2.5 2 2 4,5 4,5
2x5 7,5 4 13 9
3x13 10 16 17 11
8x25 36 56 112 40
Расчет стойкости для образцов термопластов на основе полипропилена поперечным сечением 2^5 мм2, стабилизированных техническим углеродом, в условиях холодного климата приведен в работе [4].
Применение новых полимерных конструкционных материалов в строительстве вызывает необходимость в проведении их сравнительных испытаний для определения стойкости к климатическим факторам. Проведение испыта-
ний полимерных конструкционных материалов на старение при воздействии естественных климатических факторов занимает слишком много времени. Поэтому ускоренные испытания при воздействии искусственных климатических факторов являются основным методом сравнительной оценки полимерных конструкционных материалов.
Известно, что важнейшим для разрушения пластмассы климатическим компонентом является ультрафиолетовая часть спектра попадающего на Землю солнечного излучения.
Наиболее действенный метод сравнения результатов искусственного и естественного старения заключается в нахождении численных характеристик эффективности (ускорения старения), определяющих соотношение между различными значениями времени старения, необходимого для определенного изменения свойств образца. Коэффициент ускорения старения определяется как отношение времени естественного старения к времени искусственного старения Ку = ^е/^и, при которых происходит одинаковое изменение показателя свойств образца. Старение материалов на основе ПП сопровождается автокаталитическим процессом, который характеризуется индукционным периодом и стационарной фазой. Автокаталитический процесс приводит к накоплению гидроперекисных групп и затем к увеличению начальной скорости реакции. Это связано с фотохимическим разрывом связей гидроперекисных групп и возникновением новых цепочек окисления. Коэффициенты ускорения при испытаниях на искусственное и естественное старение во время индукционного периода и в стационарной фазе имеют различное значение [3].
В данной работе испытание на ускоренное старение заключалось в том, что образцы полимерного конструкционного материала подвергали воздействию искусственно созданных климатических факторов в аппарате искусственной погоды в течение заданной продолжительности испытаний и определяли стойкость к заданному воздействию по изменению деформационнопрочностных характеристик.
Старение образцов при воздействии искусственных климатических факторов осуществляли в аппарате искусственной погоды АИП-1-3.
В качестве источника теплового и светового воздействия применяли две электродуговые и две ртутно-кварцевые лампы ДРТ-400, которые являются источником ультрафиолетового излучения. АИП-1-3 обеспечивает вращение барабана испытательной камеры вокруг источника светового и теплового излучения с частотой 1 об/мин.
В АИП-1-3 устанавливали кассеты для закрепления образцов на барабане испытательной камеры, изготовленные из материала, не оказывающего влияния на результаты испытаний.
При проведении испытаний образцы закреплялись в кассетах и размещали их на барабане испытательной камеры АИП без подложки. При этом конструкция применяемых для закрепления кассет исключала возможность возникновения механических напряжений в образцах при их нагреве.
Температуру и относительную влажность в испытательной камере выбирали в диапазонах от 45 до 90 оС, от 35 до 90 %. При необходимости дополнительного увлажнения образцов проводили дождевание. Отсчет продолжи-
тельности испытаний начинали с момента достижения в камере АИП заданного режима испытаний.
Образцы в процессе искусственного старения периодически осматривали. Деформационно-прочностные характеристики определяли по ГОСТ 11262-80 и фиксировали изменения определяемых характеристик материалов.
На рис. 9 показаны результаты испытания на старение под воздействием искусственных климатических факторов материалов на основе ПП в аппарате искусственной погоды АИП-1-3. Испытанию подвергали образцы термопластов МПП 15-04, бесцветный; МПП 15-04 901; БСПЭ 22007-16; МПП 15-06 901; МБС 07-12, черный, поперечным сечением 2^5 мм2.
Интенсивное старение в АИП и интервалы съемов образцов не позволили зафиксировать некоторое повышение предела текучести за счет структурирования у бесцветных термопластов - БСПЭ 22007-16 и МПП 15-04. Потеря прочности за семь суток старения составила у БСПЭ 22007-16 и МПП 15-04 соответственно в 3,4 и 8,5 раза, рис. 9, а.
0 2 4 6 0246
Время старения, сут Время старения, сут
Рис. 9. Зависимость среднего значения предела текучести (а) и относительной деформации при разрыве (б) от времени искусственного старения образцов с площадью поперечного сечения 2x5 мм2 для материалов:
1 - МПП 15-04, бесцветный; 2 - МПП 15-04 901; 3 - БСПЭ 22007-16; 4 - МПП 15-06 901; 5 - МБС 07-12, черный
У остальных термопластов, стабилизированных сажей, предел текучести за семь суток старения практически не изменился, а у МБС 07-12, черный даже повысился с 20,5 до 21,5 МПа.
Зависимость относительной деформации при разрыве от времени искусственного старения стандартных образцов материалов на основе ПП представлена на рис. 9, б. Резкое снижение относительной деформации при разрыве наблюдали после первых суток старения. Наибольшую чувствительность к старению по деформационному показателю имели бесцветные термопласты БСПЭ 22007-16 и МПП 15-04. У термопластов, стабилизированных сажей, наименьшую потерю относительной деформации при разрыве после семи су-
ток старения имел термопласт МБС 07-12, черный, затем следуют морозостойкие саженаполненные композиции МПП 15-06 901, МПП 15-04 901.
На рис. 10 показана зависимость среднего значения предела текучести и относительной деформации при разрыве от времени искусственного старения бесцветного термопласта БСПЭ 22007-16 для образцов с различной площадью поперечного сечения.
40
Е зо
& 20
&
1=
10
4 Р Г
1
2 4
Время старения, сут
-&
ш
Ч
б
Время старения, сут
Рис. 10. Зависимость среднего значения предела текучести (а) и относительной деформации при разрыве (б) от времени искусственного старения материала БСПЭ 22007-16 для образцов с площадью поперечного сечения:
1 - 1x2,5 мм2; 2 - 2x5 мм2, 3 - 3x13 мм2; 4 - 8x25 мм2
Наибольшую чувствительность к старению проявлял образец толщиной 1 мм, у которого потеря прочности происходила после четырех суток экспонирования в АИП. Образцы других типоразмеров толщиной 2, 3 и 8 мм, имеющие практически одинаковую исходную прочность около 30 МПа, на заключительном этапе воздействия искусственных климатических факторов имели прочность соответственно 8,6; 17,6 и 21,6 МПа.
По отношению к предельному значению прочностных характеристик, достигнутых в стационарной фазе в результате искусственного старения, коэффициенты ускорения Ку = ^е/^И, при которых происходит одинаковое изменение характеристики для термопласта БСПЭ 22007-16 при старении в условиях холодного климата, приведены в табл. 4.
Для образцов материала сечением 8x25 мм2 предельное значение прочности, определенное в результате искусственного старения, в условиях естественного старения не было достигнуто.
Таблица 4
Коэффициенты ускорения
а
0
6
Характеристика Площадь поперечного сечения образца, мм2
1x2,5 2x5 3x13 8x25
Предел текучести (прочность) при растяжении 183 107 109 -
На основании проведенных исследований установлено влияние масштабного фактора на скорость старения в различных климатических зонах. Увеличение толщины образцов повышает стойкость к старению. Термопласты, светостабилизированные техническим углеродом, имеют повышенную стойкость к старению при воздействии естественных и искусственных климатических факторов.
Разработан метод прогнозирования климатической стойкости изделий из полимерных материалов, применяемых в строительстве, и проведен расчет климатической стойкости по деформационному критерию при старении для конструкционных термопластов на основе ПП.
Библиографический список
1. Павлов, Н.Н. Старение пластмасс в естественных и искусственных условиях / Н.Н. Павлов. - М. : Химия, 1982. - 224 с.
2. Филатов, И.С. Климатическая устойчивость полимерных материалов / И.С. Филатов. -М. : Наука, 1983. - 216 с.
3. Реутов, А.И. Прогнозирование надежности строительных изделий из полимерных материалов / А.И. Реутов. - М. : ООО РИФ «Стройматериалы», 2007. - 184 с.
4. Реутов, А.И. Надежность строительных изделий и конструкций из полимерных материалов /А.И. Реутов // Вестник ТГАСУ. - 2009. - № 1. - С. 126-141.
A.I. REUTOV
PREDICTION OF AGE RESISTANCE OF PLASTIC BUILDING PRODUCTS
The research results of aging of polymer materials on the basis of polypropylene in temperate and cold climate are considered in the paper. The statistical characteristics of durability and deformation properties of materials under the influence of natural and artificial climatic factors are defined. Developed method of prediction of age resistance of polymer materials is based upon statistical test of strength-strain characteristics.
