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热固性树脂温度指标的辨析

马丁耐热试验方法是检验塑料(树脂)耐热性的方法之一。1924 年由马丁提出,1928 年正式用于德 国的酚醛塑料检验。后来,其他一些硬质塑料也使用该检验方法。它在欧洲和原苏联使用比较广泛。1970 年我国亦发布了该试验方法的国家标准,成为我国早期建立的塑料(树脂)试验方法国家标准中的一个, 所以在我国使用历史很长。
热固性树脂固化物均是线性非晶相高聚物,线性非晶相高聚物由于温度改变(在一定应力下)可呈 现三种力学状态,即玻璃态、高弹态和粘流态(见图 2-1):
图 3-1 线性非晶相高聚物形变—温度曲线 A- 玻璃态;B-过渡区;C-高弹态(橡胶态);D-粘流态 Tb-脆化温度;Tg-玻璃化温度;Tf-流动温度;Td-分解温度 当温度较高时,大分子和链段都能进行热运动。这时高聚物成为粘流态,受外力作用时,分子间相 互滑动而产生形变;除去外力后,不能回复原状,所以形变是不可逆的,这种形变称为粘性流动形变或塑 性形变,出现这种形变的温度称为流动温度Tf,这种状态成为粘流态(又叫塑性态)。如果把处于粘流态的 高聚物逐渐降低温度。粘度也就逐渐增大,最后呈弹性状态,加应力时产生缓慢的形变,解除外力后又能 缓慢地回复原状,这种状态叫高弹态。当温度继续下降,高聚物变得越来越硬,在外力作用时只产生很小 的形变这种状态叫玻璃态。热固性树脂固化物是在玻璃态使用的,所以Tg愈高愈好,也是衡量树脂耐热性 的一个指标。如:898 高交联环氧乙烯基树脂的Tg=190℃,就具有高耐热性,在烟气脱硫工业中可以承受 200℃的高温。 测量玻璃化温度常用的方法有:热机械分析法(TMA)、差热分析法(DTA)和示差扫描量热法(DSC) 三种。它们的测试方法原理不同,因而测试结果相差较大,不能相比。 另外,经过退火(即加热后处理)的树脂制品,玻璃化温度会提高,这是由于制品的内应力经过退 火升温已经消除了的缘故。 2. 热变形温度和马丁耐热 2.1 热变形温度 热变形温度(全称负荷热变形温度,英文缩写:HDT)是指对浸在 120℃/h的升温速率升温的导热的 液体介质中的一定尺寸的矩形树脂试样施以规定负荷(1.81N/mm2或 0.45 N/mm2),试样中点的变形量达到
The introduction of several technical indexes concerning thermal-setting resin
Wang Ligang Shen Wei Wang Tiantang Lu Shiping
(Shanghai Fuchen Chemicals Corp; Shanghai 200235)
随着国民经济的发展,树脂基复合材料的应用越来越广,但是对于作为树脂基复合材料主体材料树脂 的很多性能概念人们还是混淆不清,不能很好的利用各种树脂的特性为人们服务,特别是各种温度指标特 性的了解。热固性树脂的温度指标很多,例如:热变形温度、马丁耐热、玻璃化转变温度、绝缘耐热等级、 热扭转温度、脆化温度、失强温度等,我们在本文中就着重对树脂的热变形温度、马丁耐热、玻璃化转变 温度、绝缘耐热等级以及耐腐蚀使用温度五个温度概念辨析,而对其它概念就不一一加以赘述,帮助人们 在使用过程中理清头绪,正确选择树脂,有效应用于实际生产。 1. 玻璃化转变温度
马丁耐热温度是指试样在一定弯曲力矩作用下,在一定等速升温环境中发生弯曲变形,当达到规定变 形量时的温度。测定马丁耐热温度的原理示意图见图 1-1。
图 1-1 马丁耐热仪示意图 1-变形指示器;2-重锤;3-横杆;4-试样;5-底座 2.3 热变形温度与马丁耐热的辨析 热变形温度与马丁耐热都是检验塑料(树脂)耐热性的方法之一,但由于试验方法的本质区别,没 有任何可比性,没有转变公式。 由于马丁耐热温度的测量是施加悬臂梁式弯曲力矩,操作不太方便;且施加的弯曲力矩数值较大, 使很多塑料在加载后的初始挠度就十分可观,因而适用范围受到限制,一般多用于硬质塑料。另外,它使 用空气作为传热介质箱体温度分布不均,对试样的传热慢,因而升温速度不宜过快。凡此等等,使这一方 法在许多国家没有被采用,在我国也被逐渐的淘汰了。 所以在检验塑料(树脂)耐热性时,不能用马丁耐热与热变形温度比较。同时还要注意它们都不是 塑料(树脂)的最高使用温度,塑料(树脂)的最高使用温度应根据制品的受力情况及使用要求等因素来 确定。另外,热固性树脂经过退火处理,也就是我们日常所说的加热后处理,会使热变形温度和马丁耐热 升高,一般退火处理可以使热变形温度提高 10℃,这就说明在日常使用热固性树脂时加热后处理还是很必 要的。 3. 耐腐蚀使用温度: 由于树脂玻璃钢与金属材料相比,重量轻、比强度高、耐腐蚀性好、耐瞬时超高温性能好以及比金 属材料低廉的价格,因此在相关领域中得到应用。如 8mm 的普通碳钢在浓度为 0.1% 的二氧化硫潮湿环境 中,只需 1-3 个月即可腐蚀透,而 6mm 890 树脂防腐蚀层的玻璃钢制品则可保持 10 年的使用寿命。所以 各种树脂基复合材料广泛的应用于各种防腐场合,特别是重防腐场合。这就涉及了一个重要的概念:耐腐 蚀使用温度。
表 2.1 898 树脂耐腐蚀使用温度表(节选)
化学介质 盐水,脱氯
浓度(%) 100
建议使用温度 (℃) 120
化学介质 浓度(%)
双氧水
35
建议使用温度 (℃) 65
盐酸
37
110
湿氯气
-
110
盐酸
20~36
80
硫酸
Байду номын сангаас
50~70
80
盐酸
<20
80
硫酸
<50
100
硝酸:盐酸
10:10
95
烟道气
-
175
由于耐高温材料的发展,国外又提出了另一种耐热等级:
耐热等级
O
A
B
F
H
220
C
最高允许工作温度 ℃
90
105
130
155
180
220
>220
由于这种耐热等级的名称不能反映绝缘材料最高允许工作温度,给生产和研究工作带来很多不便。因 此,有人建议以最高允许工作温度代表耐热等级,即将上述各耐热等级,迳直称为 90 级、105 级、……220 级等,显然这一种耐热等级的名称更直观,也更科学。
绝缘材料的热老化性能长期以来是以耐热等级表示的,我国现行的耐热等级如下:
耐热等级
Y
A
E
B
F
H
C
最高允许工作温度 ℃
90
105
120
130
155
180
>180
这里的最高允许工作温度不等于短时耐热指标,例如:902 树脂热变形温度 82℃,耐热等级为 F 级; 890 树脂热变形温度为 135℃,耐热等级为 H 级。
耐腐蚀使用温度一般是指树脂在特定环境(特定腐蚀介质,特定的腐蚀介质浓度)中,树脂产品所 能承受的最高使用温度。这个温度区别于热变形温度、玻璃化转变温度和绝缘耐热等级,例如:898 乙烯 基树脂热变形温度 155℃、玻璃化转变温度 190℃、绝缘耐热等级 C 级(中国标准),湿法脱硫工艺中,混 合气体在进口的温度在 160-200℃左右,系统中的部件又要承受瞬间的温度交变,潜在的热破坏和产生的 强腐蚀性副产品。表 2.1 是 898 树脂耐腐蚀使用温度表的节选。
通常温度指数是根据标准老化试验规定的寿命值求出的。所以温度指数与软化点等耐热性指标的含意 是不同的。材料能否在某温度下使用,不仅短时间内不能有显著的性能改变(如不变软、不着燃、介电性能 无明显下降等),而且在长时间内也不至于产生不应有的性能变化。因此,如欲确定材料的使用温度,必须 同时测定短时耐热性和热老化性能。—般先测短时耐热性,在短时耐热性能满足使用条件的情况下,进一 步做热老化试验,评定其温度指数,但在绝缘技术中着重的是长期耐热性。 4.2 长期耐热性——绝缘耐热等级
Abstract:In this paper, several terms of thermal-setting resin are covered in detail, including HDT, Martin
Temperature, Tg, insulating grade temperature & anti-corrosion application temperature, which is quite beneficial to resin choice or proper resin application.
烷基苯磺酸
90
80
CLO2
-
80
氢氧化钠
50
80
四氯化碳
100
80
乳酸
100
110
硝酸烟气
60
80
三甘醇
100
80
磷酸
100
105
从上面的表格不难看出,耐腐蚀使用温度总要有一个特定的介质使用条件,没有介质使用条件耐腐 蚀使用温度不成立。而在不同的介质条件中,同种树脂的耐腐蚀使用温度通常不同。这也就要求选用防腐 蚀树脂时,一定要注意腐蚀介质条件。但是,目前市场上存在着一些不科学的说法,甚至还直接写在树脂 产品的说明书中,例如:“树脂使用温度为多少度;本树脂耐腐蚀使用温度为多少度;热变形温度是多少 度耐腐蚀使用温度就是多少度。”这种种说法都没有科学依据的,是对树脂耐腐蚀使用温度的误解,是树 脂使用的误区。我们要在树脂使用过程中,屏除这些误导,正确运用树脂的特性。 4. 绝缘耐热等级 4.1 概述
作为绝缘材料的树脂高聚物除了要有良好的机械性能和介电性能外,还要求具有良好的耐热性。例如 用于航空,火箭上的塑料安装线,一般要在 350℃下工作,有的甚至要求耐受 500℃的高温,但飞行进入 同温层后气温骤然降到-70℃左右,此时温度的冲击对材料是一场严峻的考验。所以良好的耐热性,不但要 求耐高温,而且要求能耐受温度的冲击。所谓耐热性,就是材料短时或长期处于高温下以及处于急速的温 度变化下,能保持其基本性能而正常使用的能力。
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