Морган Ульрих и Энди Саймон (TA Instruments)
Перевод и подготовка: ЛЕМ Украина
Полимеры повсюду: от компонентов электронных устройств, которыми Вы пользуетесь, до жизненно важных медицинских приборов, энергоэффективных солнечных панелей и легких авиационных или автомобильных деталей. Материаловеды и инженеры постоянно совершенствуют высокоэффективные полимеры для улучшения их прочности, износостойкости и стабильности в сложных условиях эксплуатации.
Разработка полимеров для конкретных применений на каждом этапе требует проведения тщательных испытаний и принятия решений на основе полученных данных. Процесс разработки материалов можно разделить на пять этапов, описанных ниже, на протяжении которых разработчики проходят путь от выбора и усовершенствования материалов до анализа конечного продукта.
В процессе разработки полимеров исследователи переходят от быстрого тестирования многочисленных кандидатов к выбору нескольких наиболее перспективных вариантов и проведению углубленных испытаний для проверки их пригодности. Проведение правильного испытания на соответствующем этапе разработки помогает сэкономить время и избежать увеличения стоимости проекта, а также разрушения материалов и продукции в процессе эксплуатации.
Методы анализа материалов для каждого этапа разработки полимеров
1. Ранний этап разработки материалов
На этом этапе инженеры определяют приемлемое сырье в соответствии с будущим применением. Эти начальные исследования требуют проведения достоверных испытаний для быстрой оценки специфических свойств материала, таких как температура стеклования и температура разложения, с целью обоснования выводов касательно стабильности материала и технологичности смолы.
Термический анализ обеспечивает эффективное и достоверное определение характеристик материалов. Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) позволяет наблюдать фазовые переходы и измерять температуру плавления полимеров, что помогает определить, пригодна ли смола для конечного использования, или каким образом добавки влияют на ее свойства. Термогравиметрический анализ (ТГА) позволяет анализировать термостойкость полимеров, определяя температуру разложения, а также оценивать содержание летучих веществ, растворителей и наполнителей. Метод ТГА в сочетании с инфракрасной (ІК-) или масс-спектрометрометрией (МС) позволяет проводить анализ выделяющихся газов и является эффективным для определения продуктов разложения полимеров и анализа состава неизвестных смол. Термомеханический анализ (ТМА) помогает определять изменения размеров материалов в зависимости от температуры (температурный коэффициент линейного расширения), что дает возможность оценить их тепловую историю и пригодность для использования в определенных условиях.
Автоматизированный анализ в программном обеспечении TRIOS Guided Methods облегчает проведение термического анализа с помощью приборов Discovery DSC и Discovery TGA производства TA Instruments. Guided Methods сокращает время обучения за счет предварительно сконфигурированных шаблонов испытаний для распространенных экспериментов с полимерами, позволяя новым пользователям выполнять автоматический интеллектуальный анализ.
Точное определение характеристик сырья на этом этапе является критически важным. Использование неправильных материалов может привести к убыткам при производстве, а также к затратам времени на исправления. Надежные методы испытаний помогают избежать этих ошибок и ускоряют разработку.
2. Оценка материалов-кандидатов
На этом этапе производители полимеров оценивают базовую стабильность материалов и их пригодность для производства. Реометры измеряют вязкость и вязкоупругое поведение полимеров, что предоставляет данные по технологичности и свойствам расплавов. Вязкость показывает, как материалы будут течь и деформироваться при разных температурах, что важно для выбора наилучшего кандидата под определенные условия обработки, а также для обеспечения стабильности во время производства.
Программное обеспечение Auto-Trim для Discovery Hybrid Rheometer автоматизирует испытания расплавов полимеров, что позволяет получить данные быстрее и с более высокой достоверностью.
Определение характеристик полимеров на этом этапе важно для того, чтобы заранее убедиться, что материал-кандидат соответствует технологическим требованиям, и предотвратить выбор такого материала, который сложно или невозможно обработать. Поиск технологических проблем или необходимость добавления технологических веществ на поздних этапах разработки могут дорого стоит и даже нивелировать результаты предыдущих испытаний.
3. Выбор материалов
На этом этапе проводится углубленная оценка технологических условий и методов, а также усовершенствование материалов для их обработки и конечного использования. Реометры дают ценную информацию о вязкоупругом поведении полимеров, помогают выбирать наполнители и устранять технологические проблемы, которые влияют на качество продукции. ДСК помогает прогнозировать свойства продукции на основе использованных смол и добавок. ТГА помогает оценивать термостойкость смол, а также определять загрязняющие вещества или содержание наполнителей.
Динамический механический анализ (ДМА) помогает измерять механические свойства материалов в зависимости от времени и температуры (модули упругости и механических потерь) – это ключевой аспект для оценки того, как именно температура влияет на эксплуатационные характеристики. ДМА также определяет пригодность к смешиванию, что помогает подобрать оптимальную смесь.
Испытание на растяжение позволяет оценить механическую целостность материалов при сосредоточенной нагрузке, обеспечивая предварительную оценку их износостойкости до включения в прототип. Механическое тестирование является особо ценным на этом этапе, поскольку перечень спецификаций, предоставляемый поставщиками материалов, зачастую является неполным.
Испытание на усталость дополняет испытание на растяжение за счет измерения отклика материалов на повторную нагрузку, что дает ценную информацию до того, как части будут собраны в прототипы.
Использование набора этих методов термических и механических испытаний позволяет специалистам проектировать эффективные технологические методы, одновременно выбирая лучшие материалы и методы для успешного использования, отбрасывая догадки и оптимизируя процесс разработки.
4. Усовершенствование материалов
Во время разработки готовых компонентов внимание сосредоточено на механических испытаниях, разработанных для имитации реальных условий применения. ДМА и ТГА показывают, как факторы окружающей среды влияют на эксплуатационные характеристики материалов, например, как низкие температуры делают полимерные шлемы хрупкими и склонными к разрушению.
На этом этапе используются такие механические испытания полимеров: испытание на растяжение, испытание на усталость и определение других механических свойств. Испытание на растяжение определяет предел прочности материала при сосредоточенной нагрузке, тогда как испытание на усталость - отклик материала на повторную нагрузку. На этой стадии часто проводятся специфические для конкретного применения механические испытания на ползучесть, релаксацию напряжений, а также измеряются другие характеристики. Производители используют эту информацию для прогнозирования эксплуатационных характеристик и надежности продукции, эффективно предотвращая повреждение продукции на поздних этапах, когда эти материалы или компоненты включаются в состав прототипов или конечных изделий.
5. Постпроизводственный этап
Наконец, как Ваш готовый полимер ведет себя в условиях применения? Идеально, чтобы на этом этапе уже были сформированы представления о свойствах выходных материалов и оптимальных технологических условиях. ДСК помогает корректировать или изменять технологию благодаря анализу термостойкости полимера и фазовых переходов в нем. ТГА может помочь измерять температуру разложения полимера, а также выявлять основные источники проблем с материалом, которые возникают в процессе обработки или при определенных условиях эксплуатации.
Механические испытания изготовленных полимеров имеют решающее значение для гарантирования их безопасности и эксплуатационных характеристик. Испытания на растяжение и усталость позволяют определить прочность и износостойкость материала при определенных температурах или под влиянием нагрузок. Испытание на растяжение дает общее представление о том, как и когда материал разрушается при сосредоточенной нагрузке, тогда как испытание на усталость дополняет механические исследования более детальной картиной разрушения материала. Например, испытания на усталость могут выявить технологические эффекты, которые нельзя наблюдать иным способом, и которые приводят к такому повреждению продукции, которое не может быть определено только лишь с помощью испытаний на растяжение.
Почему стоит интегрировать анализ материалов в Ваш процесс разработки полимеров?
Добавление всех этих испытаний в процесс разработки полимеров может выглядеть как лишняя работа, но принятие на каждом этапе решений, которые опираются на полученную от них информацию, минимизирует дорогие ошибки и переделку неудачных конструкций. Точно так же, как испытания в процессе разработки прототипов и пилотных партий продукции гарантируют ее эксплуатационные характеристики до выделения ресурсов на полноценное производство и запуск, так и проверка материала до выделения ресурсов на изготовление оборудования и тестирование продукции является необходимой гарантией от неудачи.
Проведение испытаний на ранних стадиях процесса может сэкономить множество часов и материалов. Предварительный анализ материалов обеспечивает успешную и оптимальную разработку полимеров для эффективного производства и успешности продукции.
