+7 (499) 302-16-40
sale@inner.su
Меню
Заказать звонок

Поставляем оригинальные
комплектующие

Производим аналоги под
брендом INNER

Оставить заявку

Калькуляторы

  • Таблица сравнения прочностных характеристик конструкционных пластиков (ABS, PLA, PETG, POM)

Таблица сравнения прочностных характеристик конструкционных пластиков (ABS, PLA, PETG, POM)

Сравнительные характеристики конструкционных пластиков

Материал Предел прочности при растяжении (МПа) Предел прочности при изгибе (МПа) Ударная вязкость (кДж/м²) Теплостойкость (°C) Твердость Плотность (г/см³) Модуль упругости (ГПа)
ABS 40-50 60-80 10-15 85-100 Rockwell R105-R110 1.04-1.06 2.1-2.4
PLA 50-60 80-100 2.5-5 55-65 Rockwell R70-R90 1.24-1.26 3.5-4.0
PETG 50-60 70-80 6-8 70-80 Rockwell R106-R108 1.27-1.29 2.0-2.2
POM (Ацеталь) 62-70 90-110 5-8 110-120 Rockwell M80-M94 1.41-1.43 2.7-3.1
PC (Поликарбонат) 55-75 90-105 12-18 130-140 Rockwell M70 1.2-1.22 2.3-2.4
PA (Нейлон) 70-85 90-120 4-15 80-100 Rockwell R119 1.13-1.15 1.5-3.0
PEEK 90-100 140-170 7-10 150-170 Rockwell M99 1.30-1.32 3.6-4.1
PP (Полипропилен) 30-40 40-60 3-8 100-120 Rockwell R80-R110 0.9-0.91 1.1-1.6
PMMA (Акрил) 60-80 100-115 1.5-2 75-105 Rockwell M90-M100 1.18-1.20 2.8-3.3
PVC (ПВХ) 40-60 75-105 2-10 70-85 Shore D 65-85 1.35-1.45 2.4-4.1
Оглавление

1. Введение в конструкционные пластики

Конструкционные пластики представляют собой класс полимерных материалов, специально разработанных для применения в нагруженных конструкциях и механизмах. В отличие от обычных пластиков, конструкционные полимеры характеризуются повышенными показателями прочности, жесткости, износостойкости и термостойкости, что позволяет им заменять металлы во многих инженерных применениях.

Ключевыми факторами, определяющими конструкционную пригодность полимера, являются:

  • Механические свойства – прочность при растяжении, изгибе и сжатии, модуль упругости, ударная вязкость
  • Термические свойства – теплостойкость, температура стеклования, коэффициент теплового расширения
  • Долговременные характеристики – ползучесть, усталостная прочность, старение
  • Химическая стойкость – устойчивость к различным средам и веществам

Современные конструкционные пластики по своим характеристикам могут конкурировать с традиционными конструкционными материалами, предлагая при этом ряд существенных преимуществ:

  • Низкая плотность (обычно в 5-7 раз меньше, чем у стали)
  • Высокое отношение прочности к весу
  • Стойкость к коррозии
  • Электроизоляционные свойства
  • Возможность интеграции функций в одной детали
  • Экономичность массового производства

История конструкционных пластиков началась в середине XX века с развитием нефтехимической промышленности. Первоначально были разработаны базовые инженерные пластики, такие как нейлон, поликарбонат и ABS. В последующие десятилетия появились высокотехнологичные полимеры, такие как PEEK, PPS и LCP, обладающие экстраординарными свойствами для специализированных применений.

2. Методы испытаний прочностных характеристик

Для объективной оценки и сравнения прочностных характеристик конструкционных пластиков применяются стандартизированные методы испытаний, регламентированные международными и национальными стандартами (ISO, ASTM, ГОСТ).

2.1. Испытания на растяжение

Испытания на растяжение (согласно ASTM D638, ISO 527) позволяют определить ключевые механические характеристики:

  • Предел прочности при растяжении – максимальное напряжение, которое материал выдерживает до разрушения
  • Модуль упругости (модуль Юнга) – отношение напряжения к деформации в области упругости
  • Относительное удлинение при разрыве – показатель пластичности материала
σ = F/A
где σ – напряжение (МПа), F – приложенная сила (Н), A – площадь поперечного сечения (мм²)

2.2. Испытания на изгиб

Испытания на изгиб (ASTM D790, ISO 178) особенно важны для оценки пластиков, работающих в условиях изгибающих нагрузок. Обычно используется схема трехточечного изгиба, где определяются:

  • Предел прочности при изгибе – максимальное напряжение в крайних волокнах образца
  • Модуль упругости при изгибе – жесткость материала при изгибе
σf = 3FL/(2bh²)
где σf – напряжение при изгибе, F – приложенная сила, L – расстояние между опорами, b – ширина образца, h – толщина образца

2.3. Ударные испытания

Ударная вязкость (ASTM D256, ISO 179) характеризует способность материала поглощать энергию при динамическом нагружении. Существуют два основных метода:

  • Испытание по Шарпи – образец с надрезом располагается горизонтально на двух опорах и подвергается удару со стороны, противоположной надрезу
  • Испытание по Изоду – образец закрепляется вертикально как консоль, удар наносится со стороны надреза

2.4. Определение теплостойкости

Для конструкционных пластиков крайне важны термические характеристики, определяющие их работоспособность при повышенных температурах:

  • Температура изгиба под нагрузкой (Heat Deflection Temperature, HDT, ASTM D648, ISO 75) – температура, при которой образец под стандартной нагрузкой деформируется на заданную величину
  • Температура размягчения по Вика (Vicat Softening Temperature, VST, ASTM D1525, ISO 306) – температура, при которой стандартный индентор проникает в материал на глубину 1 мм

2.5. Испытания на твердость

Для оценки твердости пластиков применяются следующие методы:

  • Твердость по Роквеллу (ASTM D785) – шкалы R (для пластиков средней твердости) и M (для твердых пластиков)
  • Твердость по Шору (ASTM D2240) – шкалы A (мягкие материалы) и D (твердые материалы)
  • Твердость по Барколу (ASTM D2583) – для твердых композитных материалов
Важно понимать

Результаты испытаний могут значительно варьироваться в зависимости от условий проведения (температура, влажность, скорость нагружения), а также от параметров изготовления образцов (технология формования, ориентация молекул, степень кристалличности). Для получения сопоставимых данных необходимо строго соблюдать методики испытаний.

3. Детальный анализ конструкционных пластиков

3.1. ABS (Акрилонитрил-бутадиен-стирол)

ABS представляет собой аморфный термопластичный полимер, состоящий из трех мономеров: акрилонитрила, бутадиена и стирола. Каждый компонент придает материалу определенные свойства:

  • Акрилонитрил – химическую стойкость и термостойкость
  • Бутадиен – ударопрочность и эластичность
  • Стирол – жесткость, блеск и технологичность

Прочностные характеристики:

  • Предел прочности при растяжении: 40-50 МПа
  • Модуль упругости: 2.1-2.4 ГПа
  • Ударная вязкость: 10-15 кДж/м²
  • Относительное удлинение при разрыве: 5-30%

ABS отличается сбалансированным сочетанием жесткости и ударопрочности даже при низких температурах, что делает его универсальным материалом для различных применений. Однако он имеет ограниченную стойкость к УФ-излучению и открытому пламени, а также умеренную теплостойкость (HDT около 85-100°C).

Типичные области применения: автомобильные детали интерьера, корпуса электронных устройств, защитные шлемы, трубы и фитинги, игрушки (включая знаменитый конструктор LEGO), 3D-печать.

3.2. PLA (Полилактид)

PLA — биоразлагаемый термопластичный алифатический полиэфир, производимый из возобновляемых ресурсов, таких как кукурузный крахмал или сахарный тростник. Это полукристаллический полимер с высокой степенью кристалличности (около 37%).

Прочностные характеристики:

  • Предел прочности при растяжении: 50-60 МПа
  • Модуль упругости: 3.5-4.0 ГПа
  • Ударная вязкость: 2.5-5 кДж/м²
  • Относительное удлинение при разрыве: 2.5-6%

PLA обладает высокой жесткостью и прочностью при растяжении, превосходящими показатели ABS, но существенно уступает по ударной вязкости и эластичности. Важной особенностью PLA является его низкая теплостойкость (HDT около 55-65°C), что ограничивает применение в нагруженных конструкциях, работающих при повышенных температурах.

Экологичность и биоразлагаемость являются ключевыми преимуществами PLA, делая его привлекательным для экологически ответственных производств.

Типичные области применения: медицинские имплантаты и рассасывающиеся швы, упаковка пищевых продуктов, одноразовая посуда, 3D-печать, текстильные волокна.

3.3. PETG (Полиэтилентерефталат-гликоль)

PETG представляет собой модифицированный гликолем полиэтилентерефталат, где добавление гликоля препятствует кристаллизации, делая материал более прозрачным и менее хрупким по сравнению с обычным PET.

Прочностные характеристики:

  • Предел прочности при растяжении: 50-60 МПа
  • Модуль упругости: 2.0-2.2 ГПа
  • Ударная вязкость: 6-8 кДж/м²
  • Относительное удлинение при разрыве: 110-130%

PETG сочетает хорошую прочность с исключительной прозрачностью (светопропускание до 90%) и химической стойкостью. Особенно стоит отметить высокое относительное удлинение при разрыве, обеспечивающее материалу хорошую пластичность и устойчивость к многократным деформациям.

Теплостойкость PETG (HDT около 70-80°C) выше, чем у PLA, но ниже, чем у инженерных пластиков, таких как PC или POM.

Типичные области применения: медицинская и пищевая упаковка, защитные экраны и щитки, рекламные вывески, детали для бытовой техники, корпуса электроники, 3D-печать.

3.4. POM (Полиоксиметилен/Ацеталь)

POM — высококристаллический инженерный термопласт с высокой степенью кристалличности (70-80%), что обуславливает его выдающиеся механические свойства. Существует в двух основных формах: гомополимер (Delrin) и сополимер (Ultraform, Kepital).

Прочностные характеристики:

  • Предел прочности при растяжении: 62-70 МПа
  • Модуль упругости: 2.7-3.1 ГПа
  • Ударная вязкость: 5-8 кДж/м²
  • Относительное удлинение при разрыве: 25-75%
  • Твердость: Rockwell M80-M94

POM характеризуется превосходной жесткостью, высокой усталостной прочностью и исключительно низким коэффициентом трения (μ ≈ 0.2), сопоставимым с фторопластами, что делает его идеальным для изготовления высокоточных механических компонентов. Материал также обладает выраженной упругостью (пружинит) и высокой стойкостью к истиранию.

Теплостойкость POM (HDT 110-120°C) значительно выше, чем у большинства стандартных пластиков, что позволяет использовать его в условиях повышенных температур.

Примечание по химической стойкости

POM обладает высокой устойчивостью к органическим растворителям, но неустойчив к сильным кислотам и щелочам. Гомополимер имеет более высокую механическую прочность и термостойкость, но сополимер обладает лучшей термической стабильностью и химической стойкостью.

Типичные области применения: шестерни и зубчатые рейки, подшипники скольжения, клапаны и фитинги водопроводных систем, детали топливных систем, точные технические детали (защелки, фиксаторы), музыкальные инструменты (флейты).

3.5. PC (Поликарбонат)

Поликарбонат — аморфный термопластичный полимер, характеризующийся исключительной прозрачностью и ударной прочностью. Структурно PC содержит карбонатные группы (-O-(C=O)-O-), обеспечивающие жесткость полимерной цепи.

Прочностные характеристики:

  • Предел прочности при растяжении: 55-75 МПа
  • Модуль упругости: 2.3-2.4 ГПа
  • Ударная вязкость: 12-18 кДж/м² (без надреза может достигать 900 кДж/м²)
  • Относительное удлинение при разрыве: 80-150%
  • Твердость: Rockwell M70

Выдающейся особенностью поликарбоната является его экстраординарная ударная прочность, превосходящая большинство прозрачных полимеров в десятки раз. PC сохраняет высокую ударопрочность даже при низких температурах (до -40°C). Материал также обладает высокой теплостойкостью (HDT 130-140°C) и превосходными оптическими свойствами (светопропускание до 89%).

Основные недостатки PC включают низкую стойкость к царапинам, склонность к гидролизу при длительном воздействии влаги и повышенных температурах, а также чувствительность к УФ-излучению (без стабилизаторов).

Типичные области применения: защитные экраны и очки, пуленепробиваемые стекла, автомобильные фары, медицинское оборудование, компакт-диски, линзы, оптические приборы, детали самолетов.

3.6. PA (Полиамид/Нейлон)

Полиамиды — семейство полукристаллических термопластов, содержащих амидные связи (-CO-NH-). Различные типы полиамидов обозначаются цифрами, указывающими на количество атомов углерода в мономерах (например, PA 6, PA 66, PA 12).

Прочностные характеристики (для PA 6):

  • Предел прочности при растяжении: 70-85 МПа
  • Модуль упругости: 1.5-3.0 ГПа
  • Ударная вязкость: 4-15 кДж/м²
  • Относительное удлинение при разрыве: 20-150% (зависит от марки и влагосодержания)
  • Твердость: Rockwell R119

Полиамиды отличаются высокой прочностью на разрыв, превосходной износостойкостью и низким коэффициентом трения. Важной особенностью PA является гигроскопичность — способность абсорбировать влагу из окружающей среды, что существенно влияет на механические свойства (с увеличением влагосодержания прочность снижается, но повышается ударная вязкость).

PA демонстрирует выраженную анизотропию свойств, особенно в литьевых изделиях с ориентированной структурой. Теплостойкость (HDT 80-100°C) может быть увеличена путем кристаллизации или армирования стекловолокном.

Сравнение различных типов полиамидов

PA 6 — более гигроскопичен, легче кристаллизуется, ниже температура плавления
PA 66 — выше прочность и теплостойкость, но более хрупкий
PA 11, PA 12 — ниже влагопоглощение, лучше химическая стойкость, более гибкие

Типичные области применения: шестерни, подшипники, втулки, корпуса инструментов, кабельные стяжки, текстильные волокна, спортивный инвентарь, детали автомобилей, крыльчатки насосов.

3.7. PEEK (Полиэфирэфиркетон)

PEEK — высокоэффективный полукристаллический термопласт, принадлежащий к семейству полиарилэфиркетонов (PAEK). Благодаря ароматическим кольцам в основной цепи, PEEK обладает исключительной термической и химической стойкостью.

Прочностные характеристики:

  • Предел прочности при растяжении: 90-100 МПа
  • Модуль упругости: 3.6-4.1 ГПа
  • Ударная вязкость: 7-10 кДж/м²
  • Относительное удлинение при разрыве: 30-50%
  • Твердость: Rockwell M99

PEEK считается одним из самых высокоэффективных конструкционных пластиков, сохраняющим механические свойства при экстремальных температурах (от -60°C до +250°C). Температура стеклования составляет около 143°C, а температура плавления — приблизительно 343°C, что делает его пригодным для длительной эксплуатации при температурах до 260°C.

PEEK имеет превосходную стойкость к гидролизу, радиации и практически всем известным органическим и неорганическим химикатам, за исключением концентрированной серной кислоты. Материал самозатухающий и обладает чрезвычайно низким дымовыделением при горении.

Механические свойства PEEK могут быть дополнительно улучшены за счет армирования углеродным или стекловолокном (до 30%), что повышает модуль упругости до 13 ГПа.

Типичные области применения: аэрокосмическая промышленность (детали двигателей), медицинские имплантаты (позвоночные и ортопедические), компоненты нефтегазового оборудования, работающего в агрессивных средах, высокотемпературные электроизоляционные детали, подшипники в химическом оборудовании.

3.8. Другие конструкционные пластики

3.8.1. PP (Полипропилен)

Полукристаллический термопласт с хорошим балансом свойств и низкой стоимостью. Характеризуется высокой химической стойкостью, низкой плотностью (0.9-0.91 г/см³) и высоким сопротивлением многократным изгибам благодаря эффекту "живого шарнира". Предел прочности при растяжении: 30-40 МПа, модуль упругости: 1.1-1.6 ГПа.

3.8.2. PMMA (Полиметилметакрилат, Акрил)

Аморфный термопласт с исключительной оптической прозрачностью (светопропускание до 93%) и высокой атмосферостойкостью. Обладает высокой жесткостью (модуль упругости 2.8-3.3 ГПа) и твердостью поверхности, но ограниченной ударной вязкостью (1.5-2 кДж/м²). Используется для остекления, оптических линз, световых панелей.

3.8.3. PPS (Полифениленсульфид)

Высокоэффективный полукристаллический термопласт с исключительной химической и термической стойкостью. Сохраняет форму и 50% прочности при температурах до 200°C. Предел прочности при растяжении: 65-75 МПа, модуль упругости: 3.3-4.4 ГПа. Применяется в электронике, автомобильной и химической промышленности.

3.8.4. PSU (Полисульфон) и PEI (Полиэфиримид)

Аморфные термопласты с исключительной термостабильностью (HDT 170-200°C), высокой прочностью и жесткостью. Характеризуются прозрачностью (PSU — янтарный, PEI — янтарно-коричневый), огнестойкостью и стойкостью к гидролизу. Применяются в медицинском оборудовании, аэрокосмической промышленности и электронике.

3.8.5. TPU (Термопластичный полиуретан)

Эластомерный материал, сочетающий эластичность резины с технологичностью термопластов. Обладает высоким сопротивлением истиранию, маслостойкостью и широким диапазоном твердости (Shore A 70 - Shore D 80). Используется для производства уплотнений, амортизаторов, гибких соединений, спортивной обуви.

4. Применение в зависимости от требований к прочности

Выбор конструкционного пластика для конкретного применения должен основываться на анализе комплекса требуемых прочностных характеристик и условий эксплуатации.

4.1. Высоконагруженные механические компоненты

Требования: высокая прочность, жесткость, усталостная прочность, износостойкость

Рекомендуемые материалы:

  • POM — для шестерен, подшипников, кулачков, высокоточных механизмов
  • PA с стекловолокном — для конструкционных элементов, работающих под высокой нагрузкой
  • PEEK — для экстремальных условий эксплуатации (температура, химическая среда)

4.2. Ударопрочные конструкции

Требования: высокая ударная вязкость, энергопоглощение, сопротивление растрескиванию

Рекомендуемые материалы:

  • PC — для прозрачных ударопрочных элементов (защитные экраны, очки)
  • ABS — для корпусов, защитных элементов, шлемов
  • PC/ABS смеси — для оптимального баланса ударопрочности и технологичности
  • HIPS (ударопрочный полистирол) — для упаковки, защитных корпусов

4.3. Высокотемпературные применения

Требования: термостойкость, сохранение механических свойств при повышенных температурах

Рекомендуемые материалы:

  • PEEK, PPS — для длительной работы при температурах до 200-250°C
  • PEI, PSU, PPSU — для температур до 170-200°C с сохранением прозрачности
  • PPA (полифталамид) — для автомобильных применений под капотом

4.4. Конструкции с требованиями к химической стойкости

Требования: устойчивость к агрессивным средам, гидролизу, растворителям

Рекомендуемые материалы:

  • PVDF, ECTFE — для химического оборудования, контактирующего с кислотами и щелочами
  • PP — для лабораторного оборудования, контейнеров для химикатов
  • PEEK — для экстремальной химической стойкости
  • PA 12 — для топливных систем (низкое водопоглощение)

4.5. Медицинские применения

Требования: биосовместимость, стерилизуемость, механическая прочность

Рекомендуемые материалы:

  • PEEK — для имплантатов, ортопедических компонентов
  • POM — для точных механических компонентов медицинских устройств
  • PC — для прозрачных медицинских устройств, автоклавируемых контейнеров
  • PLA — для биоразлагаемых имплантатов
Тип применения Критические свойства Оптимальные материалы Примеры применений
Зубчатые передачи Износостойкость, усталостная прочность, низкий коэффициент трения POM, PA 66 (стеклонаполненный), PPS Шестерни в принтерах, бытовой технике, автомобильных механизмах
Авиационные интерьеры Огнестойкость, низкое дымовыделение, ударопрочность PEI, PEEK, PPS, PC Внутренние панели, воздуховоды, детали сидений
Спортивное оборудование Соотношение прочность/вес, усталостная прочность, ударопрочность PA, PC, карбонкомпозиты, ABS Защитная экипировка, рамы, корпуса
Электроизоляция Диэлектрическая прочность, теплостойкость, огнестойкость PBT, PA 66, PPE, PC Электрические разъемы, корпуса выключателей
3D-печать Технологичность, размерная стабильность, прочность PLA, ABS, PETG, PA, PEEK Прототипы, функциональные детали, мелкосерийное производство

5. Факторы, влияющие на прочностные свойства

Прочностные характеристики конструкционных пластиков могут значительно варьироваться в зависимости от множества факторов, что необходимо учитывать при проектировании изделий.

5.1. Структурные факторы

5.1.1. Кристалличность

Полукристаллические полимеры (POM, PA, PEEK) обычно демонстрируют более высокие значения:

  • Предела прочности при растяжении
  • Модуля упругости
  • Твердости
  • Теплостойкости
  • Химической стойкости

Однако аморфные полимеры (PC, ABS, PMMA) часто превосходят их по:

  • Прозрачности
  • Ударной вязкости
  • Размерной стабильности

Степень кристалличности полимера может регулироваться условиями переработки, особенно скоростью охлаждения. Быстрое охлаждение снижает кристалличность, медленное — увеличивает.

5.1.2. Молекулярная масса и распределение

С увеличением молекулярной массы обычно возрастают:

  • Предел прочности при растяжении
  • Ударная вязкость
  • Сопротивление растрескиванию под напряжением

Однако чрезмерно высокая молекулярная масса ухудшает технологичность, повышая вязкость расплава.

5.1.3. Ориентация молекул

Направленная ориентация макромолекул (возникающая при экструзии, литье под давлением, вытяжке) значительно увеличивает прочность в направлении ориентации, но может снижать ее в перпендикулярном направлении. Этот эффект особенно выражен у полукристаллических полимеров.

Eориент = Eизотр × (1 + 2Afориент)
где fориент — степень ориентации, A — константа, зависящая от структуры полимера

5.2. Технологические факторы

5.2.1. Условия переработки

Параметры литья под давлением, экструзии или других методов формования могут существенно влиять на конечные механические свойства:

  • Температура расплава — влияет на степень деградации полимера
  • Давление впрыска — определяет плотность упаковки материала
  • Температура формы — влияет на кристалличность и внутренние напряжения
  • Скорость охлаждения — определяет морфологию кристаллической структуры

5.2.2. Внутренние напряжения

Остаточные напряжения, возникающие при неравномерном охлаждении или интенсивном сдвиге, могут значительно снижать прочность и долговечность изделий, особенно при контакте с агрессивными средами. Отжиг (термическая обработка ниже температуры плавления) позволяет снизить эти напряжения.

5.3. Композиционные модификации

5.3.1. Армирование волокнами

Добавление стекловолокна, углеволокна или арамидных волокон существенно улучшает механические характеристики:

  • Модуль упругости — увеличение до 3-4 раз
  • Предел прочности — увеличение на 50-100%
  • Теплостойкость — повышение на 20-40°C
  • Ползучесть — значительное снижение
Материал Модуль упругости, ГПа (без наполнителя) Модуль упругости, ГПа (30% стекловолокна) Увеличение, разы
PA 6 2.7 9.5 3.5
PBT 2.6 9.0 3.5
PP 1.3 5.5 4.2
PEEK 3.8 11.0 2.9

5.3.2. Минеральные наполнители

Тальк, стеклянные шарики, карбонат кальция и другие минеральные наполнители увеличивают жесткость, теплостойкость и размерную стабильность, но часто снижают ударную вязкость и относительное удлинение при разрыве.

5.3.3. Модификаторы ударной вязкости

Эластомерные добавки (каучуки) повышают ударную вязкость, но снижают жесткость и теплостойкость. Этот принцип используется в ABS, где бутадиеновый компонент обеспечивает ударопрочность.

5.4. Влияние условий эксплуатации

5.4.1. Температура

Повышение температуры обычно приводит к:

  • Снижению модуля упругости и предела прочности
  • Увеличению относительного удлинения
  • Усилению ползучести (особенно при приближении к температуре стеклования)

Зависимость модуля упругости от температуры для аморфных пластиков имеет S-образную форму с резким падением в области температуры стеклования (Tg). У полукристаллических пластиков наблюдаются две ступени снижения: при Tg и при температуре плавления.

5.4.2. Влажность и воздействие жидкостей

Абсорбция влаги пластиками (особенно PA, PLA, PC) может существенно изменять их механические свойства:

  • Понижение модуля упругости и предела прочности
  • Увеличение ударной вязкости и относительного удлинения
  • Снижение температуры стеклования (пластификация)
Пример влияния влажности на PA 6

Сухой PA 6: предел прочности 80 МПа, относительное удлинение 20%
Кондиционированный (3% влаги): предел прочности 65 МПа, относительное удлинение 150%

5.4.3. УФ-излучение и окислительное старение

Длительное воздействие ультрафиолета и кислорода вызывает фотоокислительную деструкцию полимеров, приводящую к:

  • Снижению механической прочности и эластичности
  • Повышению хрупкости
  • Изменению цвета (пожелтение)
  • Появлению микротрещин на поверхности

Наиболее уязвимы к УФ-деградации полиолефины (PE, PP), полистирол, ABS. Более устойчивы — акриловые полимеры, ароматические полиэфиры и фторполимеры.

6. Расчёт и проектирование конструкций из пластиков

При проектировании изделий из конструкционных пластиков требуется учитывать специфические особенности полимеров, отличающие их от традиционных конструкционных материалов.

6.1. Линейный статический расчет

Для расчета напряжений в простейшем случае используется закон Гука, однако следует помнить, что для полимеров он применим только в области малых деформаций:

σ = E × ε
где σ – напряжение, E – модуль упругости, ε – относительная деформация

Для пластиков характерно более сложное поведение, описываемое нелинейными моделями. В области средних деформаций часто применяется модель Рамберга-Осгуда:

ε = σ/E + K × (σ/E)n
где K и n – эмпирические константы материала

6.2. Учет вязкоупругих свойств

Вязкоупругость — ключевая особенность полимеров, проявляющаяся в:

  • Зависимости механических свойств от скорости нагружения
  • Релаксации напряжений при постоянной деформации
  • Ползучести при постоянной нагрузке
  • Гистерезисе при циклических нагрузках

Для описания вязкоупругости применяются различные модели, наиболее распространенные из которых:

  • Модель Максвелла (последовательное соединение упругого и вязкого элементов)
  • Модель Кельвина-Фойгта (параллельное соединение упругого и вязкого элементов)
  • Стандартное линейное твердое тело (комбинация предыдущих моделей)
  • Обобщенная модель Максвелла или Кельвина-Фойгта (спектр времен релаксации)

6.3. Расчет на ползучесть

Ползучесть — постепенное увеличение деформации под действием постоянной нагрузки — особенно выражена у пластиков, работающих при температурах выше 0.5×Tg.

Изохронные кривые ползучести позволяют оценить модуль ползучести Ec(t) для различных моментов времени:

Ec(t) = σ/ε(t)

Для длительных предсказаний используются принципы температурно-временной суперпозиции, позволяющие экстраполировать данные краткосрочных испытаний на длительные периоды.

6.4. Коэффициенты запаса и допустимые напряжения

При проектировании изделий из пластиков используются повышенные коэффициенты запаса прочности:

Условия эксплуатации Рекомендуемый коэффициент запаса
Статическая кратковременная нагрузка 1.5 - 2.5
Длительная статическая нагрузка 3.0 - 4.0
Циклическая нагрузка 4.0 - 6.0
С учетом воздействия среды (химикаты, УФ) 5.0 - 8.0
Критические применения (безопасность) 8.0 - 12.0

Допустимое напряжение определяется как:

[σ] = σпредел/n
где σпредел – предельное напряжение (прочность), n – коэффициент запаса

6.5. Конструктивные особенности проектирования

При разработке изделий из пластиков рекомендуется следовать специфическим конструктивным принципам:

  • Обеспечивать равномерную толщину стенок для предотвращения коробления
  • Избегать острых углов, использовать скругления для снижения концентрации напряжений
  • Предусматривать ребра жесткости вместо увеличения толщины стенки
  • Учитывать анизотропию свойств, особенно для армированных материалов
  • Компенсировать температурное расширение (КТР пластиков в 5-10 раз выше, чем у металлов)
  • Проектировать с учетом технологичности (углы уклона для съема с формы, равностенность)
Формула для расчета концентрации напряжений в углах

Коэффициент концентрации напряжений для скругления:
Kt = 1 + 2 × (t/r)0.5
где t – толщина стенки, r – радиус скругления

6.6. Компьютерное моделирование

Современные методы конечно-элементного анализа (FEA) позволяют более точно прогнозировать поведение пластиковых деталей с учетом:

  • Нелинейных свойств материала (гиперупругость, вязкоупругость)
  • Анизотропии, вызванной ориентацией молекул или армирующих волокон
  • Остаточных напряжений от процесса формования
  • Температурных воздействий и термомеханических связанных задач

Специализированные программы для анализа литья под давлением (Moldflow, Moldex3D, Sigma) позволяют оптимизировать технологический процесс и прогнозировать структуру и свойства готовых изделий.

8. Сравнительный анализ "цена-качество"

При выборе конструкционного пластика важно учитывать не только его технические характеристики, но и экономические аспекты, которые могут существенно влиять на общую стоимость изделия.

8.1. Стоимостная классификация пластиков

Категория Приблизительная стоимость, $/кг Типичные представители
Базовые полимеры 1.5 - 3 PP, PE, PS, PVC
Инженерные пластики 3 - 10 ABS, POM, PA 6, PETG, PC
Специальные инженерные пластики 10 - 25 PA 12, PPS, PSU, PPE, PET
Высокоэффективные полимеры 25 - 100 PEEK, PEI, PPA, LCP
Ультра-высокоэффективные полимеры 100+ PEKEKK, PI, PAI, специальные варианты PEEK

8.2. Комплексный расчет стоимости

При выборе материала необходимо учитывать не только стоимость самого пластика, но и другие экономические факторы:

  • Технологичность переработки (температура, цикл формования, энергозатраты)
  • Процент отходов и возможность их рециклинга
  • Стоимость пресс-форм (более стойкие инструментальные стали для высокотемпературных пластиков)
  • Необходимость постобработки (удаление облоя, снятие внутренних напряжений)
  • Ожидаемый срок службы и стоимость замены деталей

8.3. Оптимизация соотношения "цена-качество"

8.3.1. Стратегии оптимизации

  • Использование смесей полимеров (блендов) для достижения требуемых свойств при меньшей стоимости (например, PC/ABS, PPE/PS)
  • Применение минеральных наполнителей для снижения стоимости при одновременном повышении жесткости
  • Оптимизация толщины стенок и применение ребер жесткости для экономии материала
  • Многокомпонентное литье для создания деталей из разных по стоимости пластиков в зависимости от локальных требований

8.3.2. Практические примеры оптимизации выбора материала

Применение Премиальный выбор Оптимизированный выбор Экономия
Шестерни малонагруженные POM (100%) POM/PA смесь 15-20%
Корпуса электроники PC PC/ABS или ABS с УФ-стабилизатором 25-40%
Детали под капотом автомобиля PA 66 GF30 PP GF30 с термостабилизаторами 30-45%
Медицинские инструменты PEEK PPS или PSU 50-70%
Авиационные интерьерные панели PEI PC с огнезащитными добавками 40-60%

8.4. Оценка совокупной стоимости владения

Для комплексной экономической оценки применяется концепция TCO (Total Cost of Ownership), учитывающая:

  • Первоначальную стоимость материала и изготовления
  • Затраты на сборку и интеграцию
  • Логистические расходы (транспортировка, хранение)
  • Эксплуатационные расходы (обслуживание, ремонт)
  • Стоимость утилизации или переработки в конце жизненного цикла

Нередко более дорогой высокоэффективный полимер может обеспечить лучшее соотношение TCO благодаря увеличенному сроку службы, снижению массы (экономия топлива в транспорте) или улучшенной функциональности.

Фактор Недорогой пластик (PP) Инженерный пластик (PA GF) Высокоэффективный пластик (PEEK)
Начальная стоимость Низкая (1×) Средняя (5×) Высокая (30×)
Срок службы 2-3 года 5-8 лет 10-20 лет
Стоимость простоя Высокая (частые замены) Средняя Низкая (редкие замены)
TCO за 10 лет 4-5× от начальной 3-4× от начальной 1.5-2× от начальной

Важно отметить, что TCO сильно зависит от конкретного применения. Например, в медицинском оборудовании стоимость материала обычно составляет менее 10% от совокупной стоимости владения, тогда как в товарах массового потребления этот показатель может достигать 40-60%.

9. Заключение

Современные конструкционные пластики представляют собой обширную и постоянно растущую группу материалов, предлагающих уникальные комбинации свойств для различных инженерных применений. Детальное понимание их прочностных характеристик, факторов, влияющих на эти характеристики, и методов расчета является ключевым для эффективного проектирования изделий.

Основные выводы по результатам анализа прочностных характеристик конструкционных пластиков:

  • Дифференциация по применениям — Универсального "идеального" полимера не существует; выбор материала должен основываться на комплексном анализе требований конкретного применения.
  • Многофакторность свойств — Прочностные характеристики пластиков зависят не только от химического состава, но и от структуры, технологии переработки, условий эксплуатации.
  • Важность комплексного подхода — При проектировании необходимо учитывать специфические особенности полимеров: вязкоупругость, релаксацию, ползучесть, анизотропию.
  • Баланс "цена-производительность" — Оптимальный выбор материала должен учитывать не только технические характеристики, но и экономические факторы, включая совокупную стоимость владения.
  • Технологический прогресс — Развитие новых материалов и композиций постоянно расширяет возможности применения пластиков в традиционно "металлических" областях.

Перспективы развития конструкционных пластиков связаны с несколькими ключевыми направлениями:

  • Разработка биобазированных высокоэффективных полимеров, сочетающих экологичность с исключительными механическими свойствами
  • Создание "умных" полимерных материалов, способных адаптивно менять свои характеристики в зависимости от условий эксплуатации
  • Интеграция функциональных свойств (электропроводность, теплопроводность, самовосстановление) в конструкционные материалы
  • Развитие аддитивных технологий для работы с высокоэффективными полимерами
  • Совершенствование методов прогнозирования долговременных свойств и поведения пластиков

Учитывая текущие тенденции развития, в ближайшие десятилетия можно ожидать дальнейшего расширения применения высокоэффективных полимеров в критически важных конструкциях, где требуется оптимальное соотношение веса, прочности, долговечности и стоимости.

Отказ от ответственности

Данная статья предназначена исключительно для информационных и образовательных целей. Приведенные данные о прочностных характеристиках пластиков являются справочными и могут варьироваться в зависимости от конкретной марки материала, производителя, условий испытаний и обработки. При проектировании ответственных конструкций необходимо получить точные характеристики используемых материалов от производителя и провести соответствующие испытания.

Автор и издатель не несут ответственности за любые прямые или косвенные убытки, вызванные использованием информации, содержащейся в данной статье. Перед применением любого материала в конкретной конструкции рекомендуется проконсультироваться с квалифицированным инженером и провести необходимые расчеты и испытания.

Источники информации

  1. Ehrenstein G.W., Theriault R.P. "Polymeric Materials: Structure, Properties, Applications" - Hanser Gardner Publications, 2020
  2. Domininghaus H. "Plastics for Engineers: Materials, Properties, Applications" - Hanser, 2018
  3. Mark J.E. "Physical Properties of Polymers Handbook" - Springer, 2021
  4. International Organization for Standardization (ISO). "ISO 527: Plastics — Determination of tensile properties" - 2019
  5. American Society for Testing and Materials (ASTM). "ASTM D638: Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics" - 2022
  6. Granta Design. "CES EduPack Polymer Database" - 2023
  7. DuPont Polymer Handbook. "Engineering Polymers: Properties and Applications" - 2021
  8. BASF Technical Data Sheets. "Ultramid, Ultraform, Ultradur: Technical Properties" - 2022
  9. Solvay Advanced Polymers. "KetaSpire PEEK Properties Guide" - 2023
  10. DSM Engineering Plastics. "Design Guide for Injection Molded Structural Components" - 2022
  11. Crawford R.J., Throne J.L. "Rotational Molding Technology" - William Andrew Publishing, 2021
  12. Stokes V.K. "Creep and Stress Relaxation in Thermoplastics" - Polymer Engineering and Science, Vol. 42, 2020
  13. European Plastics Converters (EuPC). "Mechanical Recycling of Technical Plastics: Properties and Applications" - 2023
  14. PlasticsEurope. "Plastics – the Facts 2024" - Annual Report
  15. Sperling L.H. "Introduction to Physical Polymer Science" - John Wiley & Sons, 2020

Заказать товар

ООО «Иннер Инжиниринг»

* - Обязательные поля

© 2015 - 2025 «INNER»: Производство и поставка промышленных комплектующих

+7 (499) 302-16-40
sale@inner.su
г. Санкт-Петербург, Витебский проспект 11 С, офис 3033