Теплопроводность
Технические характеристики
Значения коэффициента теплопроводности основных конструкционных пластиков при температуре +20 °C:
Капролон (ПА-6) — 0,29–0,35 Вт/(м·К)
POM (полиацеталь) — 0,30–0,40 Вт/(м·К)
Фторопласт Ф4 (ПТФЭ) — 0,23–0,25 Вт/(м·К)
Сталь (Ст45) для сравнения — 46–52 Вт/(м·К)
Бронза БрОЦС — 38–45 Вт/(м·К)
Ключевые параметры, влияющие на теплопроводность:
степень кристалличности полимера (более высокая кристалличность — лучше теплопроводность);
наполнители: введение графита или дисульфида молибдена в капролон повышает теплопроводность модификации в 1,5–2 раза по сравнению с чистым ПА-6;
температура: с ростом температуры теплопроводность полимеров незначительно снижается, что дополнительно ухудшает теплоотвод в нагруженных узлах.
Промышленное применение
Низкая теплопроводность пластиков — порядка 0,25–0,40 Вт/(м·К) против десятков единиц у металлов — делает их естественными термоизоляторами. На этом свойстве строится применение фторопластовых и полиамидных прокладок в нефтегазовой и химической промышленности: там, где металлический фланец создавал бы нежелательные тепловые мосты или требовал дополнительной теплоизоляции, полимерная деталь решает задачу конструктивно. В пищевой отрасли втулки и направляющие из POM и капролона работают в термоупаковочных линиях, где локальный нагрев влиял бы на точность позиционирования в случае применения металлических аналогов.
Оборотная сторона той же медали — применение графитонаполненного капролона в узлах скольжения. Чистый ПА-6 плохо отводит тепло трения, и при высоких скоростях скольжения поверхностный слой детали начинает «плыть». Введение графитового наполнителя решает эту проблему двойным ударом: снижает коэффициент трения и улучшает теплоотвод одновременно, что позволяет применять такие модификации в нагруженных подшипниках скольжения, успешно заменяя бронзу БрОЦС.
Плюсы и минусы
Преимущества низкой теплопроводности пластиков:
естественная термоизоляция в конструкции без дополнительных мер;
снижение потерь тепла в технологических трубопроводах через опорные хомуты и скользящие опоры из ПТФЭ или капролона;
исключение «мостиков холода» в криогенном оборудовании при применении дистанционных элементов из фторопласта (ПТФЭ) или СВМПЭ.
Ограничения и риски:
неудовлетворительный теплоотвод в высокоскоростных узлах трения из чистого ПА-6 — накопленное тепло вызывает размягчение и потерю геометрии детали;
нагрев детали из POM или капролона выше допустимой рабочей температуры (+80–100 °C для ПА-6) ускоряется именно из-за плохого теплоотвода в замкнутых узлах без принудительного охлаждения;
при мехобработке капролона на токарном станке плохой теплоотвод приводит к перегреву заготовки, плавлению стружки и потере размерной точности после остывания — чтобы этого избежать, необходимо применять охлаждение (эмульсионную СОЖ или интенсивный обдув сжатым воздухом).
Совет технолога ООО АВТЭКС
При выборе материала для нагруженного узла трения теплопроводность — не последний параметр, но её часто игнорируют, ориентируясь только на прочность и допустимую нагрузку. Если скорость скольжения превышает 0,5 м/с, а принудительного смазывания нет, чистый капролон (ПА-6) — рискованный выбор: тепло трения не успевает уйти в корпус через пластиковую втулку, и она начинает деградировать задолго до расчётного ресурса. В таких случаях обоснованно переходить на графитонаполненный капролон или рассматривать POM, у которого рабочая температура выше и теплоотвод чуть лучше.
Отдельный практический нюанс — расчёт посадок. Пластик расширяется при нагреве в 8–10 раз интенсивнее, чем сталь, поэтому тепловое расширение детали в нагруженном узле должно закладываться в допуск уже на этапе проектирования. Делать посадку «в ноль» по H7 без учёта рабочей температуры значит гарантированно получить заклинивание — вне зависимости от того, насколько точно была изготовлена деталь.