Морозостойкие полимеры. Чем обусловлена морозостойкость?

Большинство термопластов плохо переносят низкие температуры, уже при –20 .. –30 °С теряют свои исходные свойства: становятся хрупкими, легко растрескиваются. Такое состояние полимера принято называть «точкой стеклования», то есть температурой, при которой эластичный материал становится похож по хрупкости и механическим свойствам на стекло.

Химическая наука нашла решение этой проблемы: были изобретены морозостойкие марки полимеров. Рассмотрим подробнее, за счет чего достигается морозостойкость, в каких сферах применяются такие материалы.

Физико-химический механизм стеклования и способы его предотвращения

Как мы знаем, полимер – это макромолекула сложной структуры, в которой взаимодействуют мономерные звенья. Эластичность достигается за счет способности материала к релаксации напряжений, то есть передаче энергии напряжения по молекулярной цепочке. При низких температурах этот процесс тормозится, из-за чего все термопласты с высокой кристалличностью, а также большинство других видов сырья «стеклуются». Существует три способа предотвращения стеклования:

• Изменение структуры материала за счет изменения параметров полимеризации. Снижая степень кристалличности можно существенно повысить устойчивость материала к низким температурам. Особенно это актуально для полиэтилена высокого давления.
• Введение модифицирующих присадок (пластификаторов). К примеру, полиимиды и политетрафторэтилен имеют предел морозостойкости до –200 °С. За счет введения таких присадок в ПВХ, ПП, ПЭ, другие распространенные термопласты достигается понижение точки их стеклования до -50 °С.
• Изменение химических свойств путем сополимеризации с морозостойкими агентами. Самый сложный, но самый эффективный метод, который позволяет добиться принципиального изменения структуры цепочки мономеров, а как результат значительно снизить точку стеклования.

Сфера применения морозостойких полимеров

• Транспорт. Все виды транспортных средств (автомобили, речные, морские суда, авиация и даже космические летательные аппараты) содержат полимерные детали, для которых критически важно сохранять свои свойства при морозе.
• Легкая промышленность. В частности, упаковка пищевых продуктов, детали одежды и прочие подобные изделия зачастую эксплуатируются при отрицательных температурах и нуждаются в соответствующих термопластах.
• Строительство. Компоненты кровли, отделки фасадов, оконные рамы, прочие конструктивные элементы зданий требуют морозостойкости. Также задача актуальна для лакокрасочных покрытий и прочих отделочных материалов.

Следует учитывать, что наиболее актуальны морозостойкие решения для условий севера и Заполярья, однако даже в зонах более мягкого климата низкие температуры представляют серьезный риск, а потому требуют применения соответствующих полимеров.