Когда сравнивают смолы для стеклопластика, чаще всего смотрят на прочность и модуль упругости при комнатной температуре — и на этом часто останавливаются.
Но изделие редко эксплуатируется только при комнатной температуре в лаборатории. Оно может нагреваться на солнце, в производственном помещении, рядом с оборудованием, во время транспортировки.
И здесь важна характеристика, которая на первый взгляд к прочности прямого отношения не имеет — температура стеклования связующего.
Механические характеристики при комнатной температуре
В исследовании Hofmann для стеклопластика на основе традиционной полиэфирной смолы получены следующие показатели: предел прочности при растяжении около 538 МПа, при сжатии около 210 МПа, при сдвиге около 52 МПа. Модули упругости составили порядка 20 ГПа (растяжение), 24 ГПа (сжатие) и 2,5 ГПа (сдвиг).
Эти значения относятся к конкретной исследованной системе «армирование + смола» (композиту), а не к самой смоле в чистом виде, и не являются универсальными для любого стеклопластика на полиэфирной или винилэфирной смоле.
При комнатной температуре это хорошие характеристики. Но если материал будет эксплуатироваться при повышенной температуре, этих цифр недостаточно, чтобы понять, как он себя поведёт.
Почему температура стеклования так важна
При приближении к температуре стеклования материал теряет значительную часть жёсткости — модуль упругости начинает падать, матрица переходит из стеклообразного состояния в более мягкое.
Если рабочая температура изделия окажется близко к температуре стеклования смолы, механические характеристики при этой температуре могут оказаться заметно ниже тех, что измерены при комнатной температуре.
Подробнее о том, от чего зависит сама температура стеклования, — в статье «Температура стеклования полиэфирной смолы».
Качественная схема: жёсткость матрицы существенно снижается по мере приближения к температуре стеклования.
Схема иллюстрирует общую закономерность, а не конкретные числовые значения для определённой смолы.
Недоотверждённая смола — заниженная Tg
Ситуацию усложняет то, что температура стеклования зависит не только от химического состава смолы, но и от степени её отверждения.
Если изделие не выдержано в нужном температурно-временном режиме, реальная степень отверждения матрицы может оказаться ниже расчётной — а значит, и фактическая температура стеклования окажется ниже той, что указана производителем для полностью отверждённой смолы.
Это уже разобрано подробно в статьях «Отверждение полиэфирной смолы: температура и время» и «Витрификация полиэфирной смолы».
Логика выбора смолы: от требований изделия к конкретной материальной системе, а не наоборот.
В каком порядке нужно смотреть на характеристики
Сначала — условия эксплуатации изделия.
При какой температуре оно будет работать, есть ли пиковые нагрузки при нагреве.
Затем — требуемая температура стеклования матрицы с достаточным запасом относительно рабочей температуры.
Затем — технология и режим отверждения, обеспечивающие нужную степень превращения смолы, при которой достигается заявленная Tg.
И только после этого — сравнение механических характеристик при комнатной температуре у смол, прошедших первые три фильтра.
Если действовать в обратном порядке — выбирать смолу только по прочности при комнатной температуре — можно получить материал, который прекрасно проходит испытания в лаборатории, но теряет жёсткость в реальных условиях эксплуатации.
Это не работает как готовая таблица «смола → температура»
Конкретные значения температуры стеклования и прочности, приведённые в этой статье, относятся к определённым исследованным системам и не являются справочником для любой смолы на рынке.
Для каждой конкретной смолы нужно смотреть данные производителя и, если это критично для изделия, проверять экспериментально — особенно с учётом того, что метод измерения тоже влияет на итоговое значение Tg.
Главное
Прочность и модуль упругости при комнатной температуре — это только часть картины при выборе смолы для стеклопластика.
Не менее важна температура стеклования матрицы и то, насколько она обеспечена реальной степенью отверждения изделия.
Смолу нужно выбирать исходя из условий эксплуатации изделия и требуемой температуры стеклования — и только затем сравнивать прочность при комнатной температуре.
В статье используются данные диссертационного исследования M. Hofmann (механические характеристики и температура стеклования стеклопластика на полиэфирной смоле). Схемы на странице — собственная визуализация Академии по данным работы.
- Mateus de Assunção Hofmann. Sustainable bio-based resins and fibre-polymer composites for civil engineering structural applications. PhD Thesis, 2022.
Разберём требования вашего изделия и подберём материал
Если хотите системно разобраться в выборе смол — этому посвящён отдельный курс Академии. Если нужно подобрать смолу и режим под конкретное изделие прямо сейчас — это можно сделать на консультации с Леонидом.