Влияние атмосферных факторов на температуру полимерных

ВИАМ/2011-205824
Влияние атмосферных факторов на температуру
полимерных материалов при климатических
испытаниях
В.П. Руднев
О.А. Добрянская
Май 2011
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем 30 научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья подготовлена для опубликования в сборнике научных
статей по материалам 2-ой Международной научно-практической
конференции, посвященной 15-летию со дня основания филиала
РГГМЦ в г. Туапсе, октябрь 2011 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
Влияние атмосферных факторов на температуру полимерных
материалов при климатических испытаниях
В.П. Руднев1, О.А. Добрянская2
1
2
Государственный южный научно-исследовательский полигон РАН, г. Сочи
Центр климатических испытаний «ВИАМ», г. Геленджик
При определении климатической стойкости полимеров и тем более при ее
прогнозировании необходимо учитывать не только температуру окружающей
среды, но и реальную (истинную) температуру образца, которая может быть
выше температуры окружающей среды. За счет различных процессов
теплообмена, происходящих в условиях окружающей среды, превышение
температуры образцов, экспонируемых на открытой атмосферной площадке,
может достигать 20–40°С над температурой окружающего воздуха [1, 2].
Повышение температуры образца интенсифицирует протекание физикохимических процессов старения (фотоокислительной и термоокислительной
деструкции) и процессов структурообразования, изменяет сорбционные
свойства полимера. При определенных условиях увеличение температуры
полимера на 10°С часто приводит к удвоению скорости реакции [3].
Отсутствие знаний о реальных температурных режимах образцов при
натурных испытаниях зачастую приводит к ошибкам при прогнозировании
изменения свойств полимерного материала в условиях длительного хранения
и эксплуатации.
Температура образца полимера при испытаниях в естественных условиях
имеет многофакторную зависимость как от свойств материала, так и от
метеорологических параметров. Зачастую [4, 5], в предлагаемых к
использованию
уравнениях
для
определения
температуры
образцов
отсутствуют как некоторые теплофизические параметры материала, так и
воздействующие атмосферные факторы.
Целью работы являлось изучение совместного влияния атмосферных
факторов
на
температуру
образцов
полимерных
материалов
при
климатических испытаниях в естественных условиях.
В
качестве
объектов
исследования
были
выбраны
полимерные
композиционные материалы: углепластик (УП) и стеклопластик (СП).
Экспонирование образцов проходило на открытой атмосферной площадке и
под навесом в условиях приморской атмосферы.
В процессе экспозиции круглосуточно производился сбор климатических
параметров (температура и относительная влажность воздуха, интенсивность
суммарной солнечной радиации, скорость ветра) и замер температуры
образцов
исследуемых
материалов.
Контроль
температуры
образцов
осуществлялся при помощи термопар, приклеенных к поверхности образцов
с не облучаемой солнцем стороны.
Анализ изменений контролируемых параметров выявил следующие
характерные
зависимости.
Превышение
температурой
окружающей
воздействием
ИК-составляющей
зависимость
наблюдается
среды
и
в
температуры
дневное
солнечного
в
зимнее
время
излучения,
время.
образцов
над
обусловлено
причем
Отмечается
эта
малая
инерционность в изменении температуры образца при преобладании
теплообмена излучением. Изменение интенсивности солнечного излучения
практически моментально отражается на температуре образца. Снижение
интенсивности излучения на ~200 Вт/м2 приводит к снижению температуры
образца на ~7°С.
Изменение скорости ветра в пределах 0–10 м/с в летний период не
оказывает существенного влияния на температурный режим образца, в то
время как в морозный день это приводит к заметному снижению
температуры образца.
Особо следует отметить, что в морозный день (при отрицательных
температурах воздуха) наблюдается повышение температуры образцов
вплоть до положительных значений, которые могут сохраняться несколько
часов. Такие знакопеременные перепады температуры оказывают серьезное
влияние на протекание процессов старения в полимере [7].
В ночное время суток, как в теплый сезон, так и в зимний, за счет
собственного теплового излучения образцов и конвективных процессов
наблюдается снижение температуры образцов на открытой площадке на
1–2°С ниже температуры окружающего воздуха. Это явление усиливается
при увеличении относительной влажности воздуха. В то же время при
экспозиции образцов под навесом этого явления не наблюдается, и в течение
всех суток
температурой
идет превышение на 1–2°С температуры
воздуха
за
счет
экранирующего
образца над
действия
навеса,
способствующего снижению отдачи тепла как образцом, так и подстилающей
поверхностью в месте расположения испытательного стенда.
В данном случае рассеянная составляющая солнечного излучения,
воздействующая на образец под навесом в дневное время, не оказывает
существенного влияния на температурный режим экспонируемого образца.
При сравнении температурных режимов образцов УП и СП установлено,
что в дневное время температура СП превышает температуру УП и это
превышение может достигать в околополуденное время 4°С. В данном
случае такое превышение невозможно объяснить цветовыми различиями
образцов, казалось бы, даже наоборот температура УП (образец черного
цвета) должна превышать температуру стеклопластика (образец желтого
цвета), но мы наблюдаем противоположную картину.
Наблюдаемые особенности, по-видимому, следует объяснять различием
теплофизических свойств и, в первую очередь, большими значениями
коэффициента теплопроводности УП по сравнению с СП [8], которые в
данном случае оказывают более значимое влияние на температуру образцов,
нежели цветовые характеристики материалов и состояние поверхностей
образцов.
Проведенные исследования показали, что превышение температуры
образцов над окружающим воздухом в дневное время при максимальных
значениях интенсивности солнечного излучения может достигать 13–15°С
для углепластика и 15–17°С для стеклопластика в летний сезон. В зимний
сезон они составляют 11–13°С, причем независимо от сезона при одинаковых
значениях интенсивностей, превышения температуры примерно равны.
Проведенный расчет параметров корреляционных зависимостей между
температурой образцов и метеорологическими параметрами (температура и
относительная влажность воздуха, интенсивность солнечного излучения,
скорость ветра) позволил выявить наиболее значимые факторы климата,
влияющие
на
температуру
образцов
полимерных
композиционных
материалов в различные сезоны года и при различных условиях экспозиции.
Для открытой площадки наиболее высокие коэффициенты корреляции
получены для зависимостей температуры образцов от интенсивности
солнечной радиации (0,88–0,92), что позволяет утверждать об интенсивности
солнечного излучения, как о наиболее значимом климатическом факторе,
отвечающем за перегрев образцов в дневное время суток. Отрицательный
характер зависимости получен для влажности воздуха при достаточно
высоких значениях коэффициентов корреляции (0,72–0,73).
Следует обратить внимание на то, что несмотря на низкие значения
коэффициентов корреляции, зависимость температуры образцов от скорости
ветра
носит
разнонаправленный
характер,
в
летний
период
она
положительна, а в зимний – отрицательна.
Список литературы:
1. Кириллов В.Н., Ефимов В.А., Мазаев П.Ю. Методика обработки результатов натурных
испытаний материалов. // Сб. докл. VI науч. конф. по гидроавиации «Гидроавиасалон–
2006». М.: Изд-во ЦАГИ, 2006. С. 117–123.
2. Lesley F.E. Crewdson – Weathering testing of automotive coatings. // Sunspots, 1994, Vol.
24, Is. 47, p. 1–4.
3. Boxhammer J. and Schonlein A. Paper presented at Polymer Testing '96 Conference at Rapra
Technology Limited, Shawbury, UK, September, 1996.
4. Павлов H.H. Старение пластмасс в естественных и искусственных условиях. М.:
Химия, 1982, С. 212.
5. Kurt P. Scott – Accelerated Weathering Test Correlation Study – Sunspots, 1996, Vol. 26,
Is. 53, p. 1–5.
6. Старцев О.В. Старение полимерных авиационных материалов в теплом влажном
климате. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М.:
ОНТИ ВИАМ, 1990. 80 с.
7. Попов Н.С. Влияние влаги и знакопеременных температур на механические свойства
полимерных намоточных композитов. Диссертация на соискание ученой степени канд.
тех. наук. Якутск, ИНФТПС СО РАН 1989.129 с.
8. Композиционные
материалы.
Справочник
под
Ю.М. Тарнопольского. М.: Машиностроение, 1990. С 57–59.
ред.
В.В.
Васильева,