Гигроскопичность

Технические характеристики

Гигроскопичность полимера связана с полярностью его макромолекул. Вода удерживается полярными группами, капиллярами, микропорами и межфазными областями наполненного материала. Полиамиды поглощают влагу заметно сильнее, чем полиоксиметилен, политетрафторэтилен или полиэфирэфиркетон. Стекловолокно снижает долю набухания полимерной матрицы по объему, но не устраняет влагоперенос через границу «полимер — наполнитель».

Водопоглощение определяют как изменение массы образца после выдержки в воде или кондиционирования во влажной атмосфере. Расчет выполняют по формуле:

$W = \frac{m_{\mathrm{в}} - m_{\mathrm{с}}}{m_{\mathrm{с}}} \cdot 100\%$

Где $m_{\mathrm{в}}$ — масса увлажненного образца, а $m_{\mathrm{с}}$ — масса высушенного образца. Методика зависит от материала, толщины образца, температуры и продолжительности выдержки. Для пластмасс применяют ГОСТ 4650–2014, гармонизированный с ISO 62.

• полиамид 6 может поглощать до нескольких процентов воды по массе; фактическое значение зависит от влажности воздуха, температуры, толщины и степени кристалличности;

• полиамид 66 обычно также требует учета влагопоглощения, хотя его равновесное значение часто ниже, чем у полиамида 6;

• POM, PET, PBT и PPS относятся к маловлагопоглощающим конструкционным пластикам, но нулевого водопоглощения у них нет;

• политетрафторэтилен практически не гигроскопичен, однако его размерная стабильность ограничивается ползучестью и высоким коэффициентом теплового расширения;

• при насыщении полиамидов модуль упругости и предел текучести снижаются, а ударная вязкость может увеличиваться;

• влагопоглощение вызывает линейное и объемное набухание, которое для полиамида может достигать процентов, а не сотых долей процента;

• скорость насыщения определяется диффузией и возрастает с температурой, относительной влажностью и уменьшением толщины детали.

Для диффузионной оценки применяют зависимость, в которой характерное время насыщения приблизительно пропорционально квадрату толщины детали:

$t \sim \frac{L^2}{D}$

Здесь L — характерный путь диффузии, а D — коэффициент диффузии воды в полимере. Поэтому втулка толщиной 5 мм и массивная плита толщиной 50 мм не выйдут на равновесную влажность одновременно. Переносить результаты испытаний тонких образцов на крупногабаритную деталь без поправки на геометрию — типичная причина ошибок в посадках.

Механические характеристики следует фиксировать при заданном состоянии материала: сухом, кондиционированном или насыщенном. У полиамида разница между сухим и увлажненным состоянием способна изменить не только модуль упругости, но и фактический зазор в подвижной паре. Предел текучести у некоторых термопластов определяется условно по диаграмме растяжения; у материалов без выраженной площадки текучести используют согласованный условный предел.

Перед механообработкой ответственных деталей заготовку подвергают термическому отжигу для снятия внутренних напряжений. Режимы резания подбирают с учетом низкой теплопроводности полимера, а влажностному кондиционированию (например, в горячей воде) подвергают уже готовую деталь или полуфабрикат перед чистовым проходом.Перегрев вызывает локальное размягчение и внутренние напряжения, а обработка пересушенной полиамидной заготовки может дать размер, который изменится после последующего увлажнения. Контроль выполняют по ГОСТ 25346 и ГОСТ 25347 для назначаемых размеров, допусков и посадок, но сам допуск рассчитывают с учетом будущего набухания.

Промышленное применение

Гигроскопичность особенно критична для втулок, направляющих, роликов, шайб и вкладышей из полиамида. В сухом цехе деталь может пройти контроль, а после установки в мойке, на открытом оборудовании или в зоне конденсации увеличить наружный диаметр и уменьшить рабочий зазор. В узле трения это приводит к росту давления в контакте, ухудшению отвода тепла и заклиниванию при пуске.

В транспортном и общем машиностроении влажностные изменения учитывают при замене бронзы на капролон или другие полиамидные материалы. Полимер уменьшает массу и не требует постоянной подачи смазки, но его размеры рассчитывают для реального климата эксплуатации. Для наружных узлов, гидравлического оборудования и деталей, контактирующих с водой, часто выбирают POM, PBT, PPS, PEEK или специальные стабилизированные марки, если их температурный и трибологический режим соответствует задаче.

В пищевом машиностроении важна не только стойкость к воде, но и стабильность размеров после санитарной мойки. Полиамид может работать в таком оборудовании, однако периодическое увлажнение и сушка вызывают циклическое набухание, усадку и изменение жесткости. Для точных скребков, звездочек, направляющих и дозирующих элементов материал подбирают по допуску после кондиционирования, а не по сухому образцу из каталога.

В химическом оборудовании вода нередко присутствует вместе с кислотами, щелочами, моющими составами и растворенными солями. Поглощенная влага ускоряет проникновение среды в полимер и может менять механизм разрушения, особенно при повышенной температуре. Поэтому одной цифры водопоглощения недостаточно — проверяют совместимость с конкретной жидкостью, циклы «нагрев — охлаждение» и влияние среды на прочность.

Плюсы и минусы

• гигроскопичные полиамиды способны повышать ударную вязкость после увлажнения, но одновременно теряют жесткость и часть несущей способности;

• поглощение влаги позволяет материалу частично демпфировать ударные нагрузки, но вызывает набухание и нарушение посадок;

• измерение водопоглощения дает количественный критерий сравнения марок, но не описывает автоматически поведение детали сложной формы;

• низкогигроскопичные POM, PBT и PEEK лучше сохраняют размеры во влажной среде, но могут уступать полиамидам по ударной вязкости или экономической эффективности;

• стеклонаполненные марки обычно стабильнее по размерам, однако становятся более абразивными для ответного металлического вала и чувствительнее к концентрации напряжений;

• предварительная сушка гранул строго обязательна перед литьем под давлением, однако пересушивать блочные заготовки перед механообработкой нельзя — абсолютно сухой полиамид становится хрупким, склонен к микросколам при резании и сразу начинает неконтролируемо впитывать влагу из воздуха цеха;

• герметизация поверхности ограничивает быстрый контакт с водой, но не отменяет диффузию через торцы, микродефекты и зоны механической обработки.

Совет технолога «ООО АВТЭКС»

Для гигроскопичного пластика сначала фиксируют среду, температуру, длительность контакта с влагой и допустимое изменение размеров. Затем рассчитывают деталь в состоянии, близком к эксплуатационному. Для полиамида нельзя назначать посадку по размерам сухой заготовки, если втулка будет работать во влажном помещении или контактировать с водой.

При проектировании учитывают коэффициент линейного расширения, влаговое набухание и тепловой градиент по сечению. Для цилиндрической втулки проверяют не только изменение наружного диаметра, но и уменьшение внутреннего отверстия. Контроль размеров на соответствие операционному чертежу проводят сразу после механообработки и температурной стабилизации детали. Если техпроцесс требует влажностного кондиционирования, финальные габариты проверяют повторно — уже по сборочному чертежу, учитывающему эксплуатационное набухание.

В узлах трения оценивают пару целиком. Влажный полиамид может стать мягче, увеличить площадь фактического контакта и поднять коэффициент трения при недостаточном зазоре. Если размерная стабильность важнее ударной вязкости, рассматривают POM, PBT, PPS или PEEK; если требуется полиамид, выбирают марку с наполнителем и закладывают компенсацию набухания, а не надеются на «запас по месту».