Холодное утро — это не только испытание для нас, но и для пластика вокруг. Почему на минусовых температурах он твердеет и ломается? И что делают, чтобы этого не произошло?
Что происходит с пластиком на морозе
В тепле полимерные цепочки подвижны, они могут «растягиваться и возвращаться назад» как резинка. При охлаждении ниже определенной температуры (так называемой температуры стеклования) молекулы «замирают», и материал теряет гибкость. Он становится жестким, а при ударе — ломким.
Поэтому пластиковая лейка, оставленная на даче, может треснуть уже при первом морозе. Точно так же пластиковые трубы, контейнеры или ящики в сильный холод рискуют сломаться от удара или давления.
Впрочем, это довольно упрощенное объяснение: морозостойкость кристаллизующихся и аморфных полимеров может варьироваться в очень широких пределах.
Какие материалы страдают больше
Полипропилен более чувствителен к морозу (гомополимер становится хрупким уже при минус 5°C, сополимеры выдерживают до минус 30°C) — именно поэтому ученые и инженеры постоянно разрабатывают для них новые рецептуры и добавки, чтобы материалы оставались надежными в любых условиях.
Интересный факт:
разные полимеры реагируют на холод по-разному. Поликарбонат или полиамиды сохраняют ударную прочность при минусовых температурах (до минус 40°C и минус 60°C соответственно), поэтому их используют для защитных шлемов или автомобильных фар.
Полиэтилен характеризуется хорошей морозостойкостью до минус 70°C и ниже, так как его температура стеклования находится в области весьма низких температур (до минус 100°C), однако он также может оказываться нестойким к морозу по причине, например, усадочных напряжений в готовых литьевых изделиях.
Другие пластики, например, поликарбонат или полиамиды, выдерживают холод лучше, поэтому их применяют там, где важна ударная прочность даже зимой. Важное замечание: у многих алифатических полиамидов в состоянии равновесной влажности морозостойкость хуже, чем у сухих: поглощенная вода просто замерзает.
Где мы это встречаем каждый день
- Авто: детали кузова и бамперы зимой становятся более уязвимыми к трещинам при ДТП.
- Быт: пластиковые ведра, ящики или садовые инструменты на морозе ломаются быстрее.
- Игрушки и спорт: санки, ледянки, уличные горки и даже детские качели зимой испытывают огромные нагрузки.
- Упаковка и логистика: контейнеры для овощей и фруктов, паллеты и баки должны сохранять прочность даже на складе при минусовых температурах.
Что придумала наука
Наука научилась «учить» пластик переносить холод. Например, обычный полипропилен при −20 °C становится хрупким, но если в его состав добавить специальные каучуковые модификаторы, материал сохраняет эластичность вплоть до -40 °C и даже ниже (до -55 °C для некоторых марок, которые называют термопластичными полиолефинами или «ТПО»).
Это важно для деталей автомобилей, контейнеров или труб, которые зимой должны выдерживать удары и нагрузки. Другой интересный прием — использование термопластичных эластомеров. Они делают полимер более «мягким» и гибким.
На первый взгляд неожиданное решение – это использование армирующих наполнителей. Гомополимер пропилена, как говорилось выше, становится хрупким уже при -5°C. Однако если ввести туда стекловолокно, полученный компаунд останется ударопрочным до минус 45°C, и при этом очень жестким.
Есть и решение для другой зимней проблемы — влаги. Когда гранулы пластика перемещают из холодного склада в теплый цех, на них образуется конденсат. Если такую влагу не убрать, в готовом изделии могут появиться пузырьки и трещины. Чтобы избежать этого, инженеры придумали особые добавки-десиканты (осушители). Они связывают воду прямо в расплаве, и пластмасса остается однородной и прочной. Это позволяет выпускать качественные трубы, пленки и упаковку даже без длительной сушки сырья. К числу самых массовых осушителей для переработки пластика относится негашеная известь, или оксид кальция.
Если кратко:
1. Специальные марки пластика
Есть сополимеры полипропилена (ТПО), которые меньше кристаллизуются и дольше сохраняют гибкость в холоде.
2. Добавки-модификаторы
В пластик вводят эластомеры — «гибкие» материалы, которые снижают температуру хрупкости. Так пластмасса остается пластичной даже при −40…−60°C.
3. Защита от влаги
Осенью и зимой растет влажность. Если гранулы сырья не просушить, в расплаве могут появиться пузырьки, и изделие теряет прочность. Чтобы избежать этого, используют осушающие добавки — десиканты.
Итог
Холод сам по себе не «враг» пластика, если знать, как с ним работать. Правильная марка полимера, добавки для эластичности и защита от влаги — и пластиковые трубы, ящики или автомобильные детали не треснут даже в мороз.
За прочной пластиковой деталью стоит не только пресс-форма и гранулы, но и целая наука о том, как молекулы ведут себя на холоде.
Переходите на нашу платформу polylab.sibur.ru, где собрана информация о деятельности центров, специализациях площадок в разных городах, типах исследований, доступном оборудовании, а также о вебинарах и обучающих курсах.