Общие сведения о полиэтилене. Часть 4

Изготовители небольших топливных баков на собственном горьком опыте убедились, что незначительная разница в плотности (0,6%) может оказать существенное влияние на стойкость полиэтилена к растрескиванию под напряжением.

 

Небольшие топливные баки, используемые в таком оборудовании, как газонокосилки и снегоочистители, обычно изготавливаются из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП). Автомобильные топливные баки должны изготавливаться в соответствии со строгими стандартами касательно выбросов загрязняющих веществ, что требует использования многослойных конструкций из барьерных материалов, предотвращающих проникновение бензина через стенки бака. Небольшие топливные баки не требуют соблюдения этих стандартов. Кроме того, в большинстве случаев небольшой размер позволяет изготавливать их методом литья под давлением.

 

Типичный малогабаритный бак представляет собой двухэлементную конструкцию, изготовленную в многоместной пресс-форме. Две половины термически свариваются вместе, затем охлаждаются. Хотя конструкции баков могут существенно отличаться, процесс производства обычно одинаковый.

 

В ‑1990-х годах для изготовления небольших топливных баков во всей Северной Америке предпочтительно использовали полиэтилен высокой плотности с показателем текучести расплава (ПТР) 4,0 г/10 мин и плотностью 0,946 г/см3. Это почти минимальная плотность для материалов класса ПЭВП, и в сочетании со средней молекулярной массой, связанной с данным значением ПТР, материал обеспечивал хороший баланс прочностных свойств и пластичности. Затем, как это часто бывает в мире промышленных пластмасс, поставщик материала решил прекратить производство этой марки. В то время прямой альтернативы не было.

 

Марки с сопоставимой плотностью, как правило, имели более высокую среднюю молекулярную массу (более низкий ПТР). Доступные материалы с таким же ПТР, как правило, имели более высокую плотность.

 

Внутреннее напряжение - это неизбежный аспект литья под давлением.

 

Поставщик снятого с производства материала действительно производил и продолжает производить по сей день материал с аналогичной плотностью и номинальным ПТР 2,2 г/10 мин. Это был бы идеальный материал для замены устаревшей смолы, а данная марка специально предназначена для подобных областей применения. Однако, как мы уже говорили при обсуждении ПТР, многие производители продолжают считать, что давление, необходимое для заполнения полости пресс-формы, обратно пропорционально разнице ПТР. Все промышленники, участвующие в изготовлении этих баков, выразили сомнение относительно возможности заполнения форм материалом с более высокой вязкостью и отказались пробовать этот материал в производстве. Вместо этого они сделали выбор в пользу материала с ПТР 4,0 г/10 мин и плотностью 0,952 г/см3.

 

В результате изменения плотности материала, используемого для изготовления баков, на 0,006 г/см были проведены всесторонние исследования потрескавшихся топливных баков.

 

Переход, казалось, был плавным. Однако не прошло и года, как в процессе эксплуатации были обнаружены первые потрескавшиеся баки. Установление причин растрескивания продолжалось в течение нескольких месяцев, для этого были задействованы аналитические организации и конечные потребители, которые устанавливали эти топливные баки на свою технику. В дело вмешалась Комиссия по безопасности потребительских товаров, что привело к типичному отсутствию научного понимания, которое вполне можно ожидать от государственных органов. Одни компании вышли из бизнеса, другие отказались от поставок небольших топливных баков, посчитав риски слишком большими. Как минимум один конечный потребитель посвятил много времени и сил, чтобы понять взаимосвязь между выбором материала, конструкцией детали и условиями обработки. Всё это было так или иначе связано с изменением плотности материала на 0,006 г/см3.

 

В ходе аналитической работы было установлено, что механизм разрушения соответствовал растрескиванию под воздействием окружающей среды. Это механический процесс, ускоренный в результате воздействия химических веществ. Но для правильного выявления факторов, способствующих данному виду растрескивания, важно понимать взаимосвязь между свойствами материала, конструкцией детали, методом сборки и условиями эксплуатации.

 

Внутреннее напряжение - это неизбежный аспект литья под давлением. Давление и скорость потока при заполнении пресс-формы, а также изменение объема в процессе охлаждения сопряжены с напряжением в несколько сотен фунтов на квадратный дюйм даже для идеально спроектированной детали. Полиэтилен высокой плотности - это коммерческий полимер с максимальной степенью кристалличности, которая повышается по мере увеличения плотности. Это увеличивает изменение объема, связанное с охлаждением. Кроме того, если предположить, что полимер может кристаллизоваться, то существуют условия, когда происходит кристаллизация.

 

Температура материала должна быть ниже его температуры плавления, но выше температуры стеклования (Tg). Tg полиэтилена -130 °C (-202 °F). Самая низкая температура на нашей планете, зафиксированная на Восточно-Антарктическом плато, составляет -98 °C (-144 °F). Это означает, что любая полиэтиленовая деталь, используемая в любой точке планеты, способна к кристаллизации.

 

Растрескивание небольших топливных баков под воздействием окружающей среды - это результат взаимодействия свойств материала, конструкции, условий обработки и воздействия химических веществ, а именно, бензина.

 

К счастью, большая часть структурных изменений, связанных с кристаллизацией полиэтилена, происходит в первые 48 часов после изготовления детали. Последующие постепенные изменения происходят в течение 4-6 недель. На каком-то уровне этот процесс всегда происходит, и он будет протекать быстрее в более теплых условиях. Эту картину дополняет сварка нагретой пластиной, которую используют для только что изготовленных деталей. После соединения половинок продолжающееся охлаждение и усадка деталей вызывают нарастание локального напряжения вблизи зоны сварки, где движение полимера ограничено сварным швом. К тому же, на свойства полиэтилена оказывает влияние бензин.

 

Полиэтилен - неполярный материал, поэтому может абсорбировать неполярные жидкости. Сюда относятся любые материалы на основе углеводородов, например, минеральное масло, моторное масло, бензин. Исследования, проведенные в ходе анализа разрушений, показали, что полиэтилен может абсорбировать 7-8% своего веса в пересчете на бензин, в результате чего прочность и модуль упругости снижаются примерно на 50%. Как и следовало ожидать, размер деталей также меняется по мере абсорбции. Все эти факторы способствуют увеличению напряжения.

 

При изучении разрушений обнаружились некоторые закономерности. Во-первых, трещины всегда появлялись в нижней половине сборки, где воздействие бензина было более постоянным. Во-вторых, трещины возникали вблизи термических сварных швов. В-третьих, только небольшой процент конструкций баков был подвержен разрушениям. Ускоренные испытания, проведенные при повышенной температуре в течение нескольких месяцев, показали, что на большинстве конструкций не появляются разрушения. Это помогло провести различие между механизмом растрескивания под воздействием окружающей среды и чисто химической реакцией полиэтилена на эксплуатационные условия. Химическое воздействие происходило независимо от конструкции.

 

Чем выше плотность полиэтилена, тем больше он подвержен растрескиванию под воздействием окружающей среды. При более низких плотностях некристаллические участки могут поглощать энергию, связанную с повышенным уровнем напряжения. По мере увеличения плотности полимера содержание аморфных участков материала уменьшается. Это повышает прочность и жесткость, но снижает пластичность.

 

Полиэтилены низкой плотности могут выдерживать более высокий уровень напряжения до разрушения. Но с увеличением плотности повышается вероятность хрупкого разрушения. Недостаточное понимание взаимосвязи между молекулярной массой и плотностью привело к весьма дорогостоящим эксплуатационным проблемам, которые чуть было не повлекли за собой принятие норм, обязывающих использовать многослойные конструкции для таких небольших топливных баков, не предназначенных для автомобилей.

 

Эти проблемы были решены поставщиком материалов, который выявил рыночную возможность и разработал марку полиэтилена с ПТР 3,3 г/10 мин и плотностью 0,945 г/см3. По всей вероятности, значение ПТР 3,3 было достаточно близко к 4,0, и специалисты согласились попробовать этот материал. Но именно возвращение к более низкой плотности было решающим фактором в решении проблемы растрескивания.

 

Чем выше плотность полиэтилена, тем больше он подвержен растрескиванию под воздействием окружающей среды.

 

В следующей статье мы рассмотрим некоторые второстепенные аспекты, касающиеся свойств полиэтилена, которые также имеют значение при выборе материала на современном рынке. Они влияют на эксплуатационные характеристики и условия обработки. И, как обычно бывает, по мере улучшения эксплуатационных характеристик процесс обработки усложняется.

 

Об авторе: Майк Сепе - независимый консультант по вопросам материаловедения и обработки материалов; его компания Michael P. Sepe, LLC, базируется в Седоне, штат Аризона. За его плечами больше 40 лет опыта работы в индустрии пластмасс и помощи клиентам с выбором материалов, планированием производства, оптимизацией процессов, устранением неисправностей и анализом отказов.

 

Контакты: (928) 203-0408 • mike@thematerialanalyst.com.