❄️ Якутск, Арктика и прочность полимеров В прошлом посте мы рассказали, как посетили полигон в Якутске, но не рассказали, что там происходит. Сегодня поговорим о том, почему важно исследовать поведение полимеров при отрицательных и криогенных температурах. ✉️ На практике эти материалы могут столкнуться с криогенными температурами (≈ -163°С) при хранении и транспортировке сжиженного газа, а с более «приземленными» отрицательными температурами – в Арктике, при строительстве или в элементах трубопроводов ледоколов. Последний пример актуален для ледокольного флота России. 🎙 Механические свойства полимеров зависят от скорости нагружения: при увеличении скорости деформации жесткость и прочность полимеров возрастают. Это показано в работе [Ebert C. et al. Modelling of strain rate dependent deformation behaviour of polypropylene //Polymer Testing. – 2011. – Т. 30. – №. 2.] для полипропилена. Статья интересна результатами и подходом к получению данных. Авторы привели модель расчета и подтвердили ее экспериментально. В диапазоне скоростей деформации от ~10⁻³ до ~10² с⁻¹ уровень максимального истинного напряжения у полипропилена возрастает на ≈ 60–70%. 🔸 Если связать с практикой, полимер при медленной статической нагрузке и при ударе – это фактически два разных материала. В условиях отрицательных температур чувствительность к скорости деформации увеличивается. Отметим, что работ, посвященных поведению полимеров при отрицательных температурах, значительно меньше. 👉Что происходит с полимерами при -100...-40 °C? При испытаниях полиэтилена высокой плотности (HDPE) при температурах -40...+82 °C показано, что снижение температуры приводит к: 🟠Предел прочности растет ≈ 30–60%; 🟠Модуль упругости растет на ≈ 60-100%; 🟠Условный предел текучести растет. Но также: 🟠Снижается подвижность молекулярных цепочек; 🟠Уменьшается деформация при максимальном напряжении; 🟠Снижается способность материала перераспределять напряжения за счёт пластической деформации. При низких температурах материал ведет себя так, будто его нагружают быстрее. В исследовании PE100, ABS и PVDF при температурах -100 + 25°C получены такие результаты: При переходе от +25°C к -100°C 🟠PVDF: прочность 42 👉148 МПа (+252%), модуль упругости 1,6 👉7,7 ГПа (+381%), деформация разрушения снизилась ≈ на 91%. 🟠PE100: прочность 16 👉47 МПа (+193%), модуль упругости 0,3 👉2,5 ГПа (+750%), деформация разрушения снизилась ≈ на 76%. 🟠ABS: прочность увеличилась ≈ в 2 раза, деформация разрушения уменьшилась ≈на 50%. То есть исследованные материалы становятся прочнее, но теряют способность поглощать энергию. ☀️ Еще один важный нюанс – при -50 °C скорость деформации все еще существенно влияет на прочность и пластичность. Но при -100 °C влияние скорости деформации снижается и начинает доминировать низкотемпературная хрупкость. 🌐 При отрицательных температурах опасность заключается в потере энергоемкости разрушения. Если при эксплуатации образуется концентратор напряжений, дефект или расслоение и все это дополняется динамической нагрузкой, то прочный материал по паспорту может перейти к хрупкому сценарию разрушения. Главный вывод – при испытаниях полимеров для арктических сценариев и отрицательных температур необходима оценка способности материала работать пластически в условиях холода. ❗️Помним, что климатическое воздействие – это не только механика, но и потенциальное влияние на химическую структуру матрицы. ⚡️При натурных испытаниях эпоксидных связующих, экспонированных в условиях очень холодного климата Якутска, методом твердотельного 13C-ЯМР были показаны изменения химической структуры матрицы после 12 месяцев выдержки. Наблюдается изменение набора карбонильных сигналов, что интерпретируется как эффект доотверждения эпоксидной системы. То есть климат может приводить к дополнительной сшивке полимерной матрицы. Рост степени отверждения повышает жесткость материала, но одновременно может снижать его способность к пластической релаксации напряжений. Полимеры – тема одного из наших след