С наступлением холодов многие задумываются, что можно оставить на балконе, а что лучше перенести в теплое место. Профессор кафедры общей физики Института физики Казанского федерального университета Юрий Захаров и доцент кафедры неорганической химии Химического института имени А.М. Бутлерова КФУ Артур Ханнанов рассказали, что происходит с бытовой химией, красками, монтажной пеной, одеждой, обувью и электроникой при отрицательных температурах.

Химик объяснил, что в основе жидких моющих средств лежат поверхностно-активные вещества (ПАВ).

«При замерзании раствора происходит в первую очередь расслоение смеси веществ на лед, из-за чего ПАВ выпадают в осадок в виде либо геля, либо кристаллов. Самой главной характеристикой любого поверхностно-активного вещества является так называемая точка Крафта. Это критическая температура, ниже которой растворимость поверхностно-активных веществ резко падает и вместо того, чтобы образовывать мицеллы, которые и являются моющим средством, ПАВ кристаллизуется. Обычно эта точка находится в диапазоне от 0 до 15 градусов Цельсия, что делает любое ПАВ уязвимым даже к легкому морозу», – пояснил Артур Ханнанов.

По его словам, при понижении температуры происходит разрушение эмульсии.

«Многие моющие средства построены по принципу „масло в воде“. Кристаллы льда физически разрывают двойные слои ПАВ вокруг капель органических веществ, из-за чего даже после оттаивания эмульсия не собирается обратно, так как фазы уже перестали быть гомогенными. Из-за этого после оттаивания и перемешивания, даже если активное вещество и моющее средство стали жидкими, кристаллическая структура ПАВ уже не восстанавливается и моющая способность падает», – подчеркнул эксперт.

В аэрозольных баллончиках используется сжиженный газ-пропеллент, обычно пропан или бутан.

«На морозе он резко уменьшает объем, из-за чего падает давление насыщенных паров. И поэтому даже сам баллон, если он сделан из тонкого металла, может сжаться, а из-за этой дополнительной конденсации испарение газа происходит неравномерно, и от этого он начинает „плеваться“ на морозе», – отметил доцент.

Помимо этого, в любом баллоне есть уплотнители, сделанные из силикона, пластика или резины.

«На морозе все эти клапаны теряют эластичность и могут треснуть. Поэтому при резком перепаде температур, например, если внести холодный баллон с мороза в тепло, давление может резко, скачкообразно вырасти, из-за чего он не удержит давление, что тоже достаточно опасно», – акцентировал специалист.

Кроме того, необходимо запомнить, что водоэмульсионная краска после замерзания не подлежит использованию.

«Обычно она состоит из эмульсии, где капли полимера стабилизированы в воде. При замерзании вода кристаллизуется, и кристаллы льда с огромной силой фактически сдавливают полимерные частицы в пустотах, что приводит к слипанию частиц, или коагуляции. После оттаивания краска фактически становится похожа на творог – вещества теряют однородность, потому что они уже заполимеризовались в маленькие частицы», – сообщил А. Ханнанов.

В свою очередь масляные краски при низких температурах устойчивее.

«Здесь связующим звеном служит масло или разные смолы, которые растворены в органическом растворителе. Эти системы не содержат воду и, соответственно, застывают либо при более низких температурах, либо переходят в первую очередь в аморфную, а не кристаллическую фазу, из-за чего их внутренняя структура не разрушается. Они действительно несколько устойчивее и переносят сильный мороз, но их вязкость может измениться. Плюс некоторые компоненты тоже могут кристаллизоваться, но часто это обратимый процесс», – добавил доцент.

Химик заметил, что монтажная пена на морозе не выходит или не расширяется как надо.

«Все дело в том, что при резком охлаждении химическая реакция полимеризации замедляется, потому что она требует как тепла, так и влаги. Если холодно, нам не хватает тепла, плюс вода, которая добавлена в качестве компонента, кристаллизуется в отдельную фазу, и реакция идет неполно или медленно. Соответственно, чтобы пена значительно расширилась, должно выделиться много газа. Этим газом обычно является вода, которая в процессе химической реакции сильно разогревается. Если вода кристаллическая, то она не может настолько разогреться, и, соответственно, получается рыхлая, хрупкая и негерметичная структура полимера», – разъяснил эксперт.

При хранении натуральной кожи необходимо помнить, что она состоит из волокнистого пористого материала на основе коллагенов, а ее поры часто забиты мелкими капельками воды.

«Соответственно, при замерзании вода всегда расширяется, из-за чего кристаллы фактически раздвигают и разрывают коллагеновые тяжи изнутри. При многократном замерзании и оттаивании это приводит к усталости материала, и кожа становится жесткой, ломкой и теряет эластичность. Единственное, что может помочь, – это постоянно ухаживать за своей кожаной обувью и обрабатывать ее большим количеством специальных масляных кремов», – поделился рекомендациями он.

Полиуретановая подошва трескается на морозе из-за температуры стеклования.

«Полиуретан – это в первую очередь полимер, который проходит через так называемую температуру стеклования. Это температура, ниже которой полимер из эластичного, или высокоэластичного, состояния переходит в стеклообразное. Обычно полиуретан имеет температуру стеклования около минус 10–20 градусов, поэтому на сильном морозе подошва дубеет и стекленеет, а при изгибе просто трескается, так как не может нормально деформироваться. Существуют морозостойкие мягкие пластики, но они значительно дороже и не всегда встречаются в доступной обуви», – уточнил химик.

Юрий Захаров отметил, что сочетание низкой температуры и высокой влажности – одна из самых опасных сред для электроники.

«Главный разрушительный фактор здесь заключается не в самом холоде, а в физическом явлении, которое происходит при изменении температуры – выпадении конденсата (эффекте „точки росы“). Когда холодное электронное устройство попадает в теплое и влажное помещение, воздух вокруг него резко остывает. В результате избыточная влага мгновенно оседает в виде микроскопических капель воды на всех охлажденных поверхностях. Самое опасное то, что этот конденсат образуется не только снаружи, но и внутри корпуса», – рассказал он.

Конденсат растворяет соли и остатки флюса, превращаясь в активный электролит.

«Если в этот момент на устройство подано питание, запускается гальванический процесс. Металлические дорожки на плате, выводы микросхем и припой начинают стремительно разрушаться. Буквально за несколько часов или дней тонкие медные соединения могут полностью раствориться, превратившись в зеленый или белый налет. Влажная пленка на плате связывает между собой соседние контакты, которые в нормальном состоянии изолированы друг от друга. Возникают токи утечки, сигналы между компонентами начинают искажаться, устройство начинает глючить или вести себя непредсказуемо. В худшем случае вода перемыкает силовые цепи питания, что приводит к короткому замыканию», – предупредил физик.

Отдельно профессор остановился на литий-ионных аккумуляторах.

«При хранении на морозе электролит замерзает постепенно в диапазоне от минус 20 до минус 40 градусов. Глубокое замерзание и циклы „заморозка-оттаивание“ запускают опасные деструктивные процессы, такие как механическое разрушение из-за разности температурного расширения, микротрещины анода и катода, повреждение SEI-слоя. При оттаивании аккумулятор начинает „залечивать“ SEI-слой, безвозвратно расходуя активный литий, что приводит к необратимой потере емкости. Также возможно газообразование, из-за которого аккумулятор может вздуться», – сообщил он.

Главное правило безопасности – не заряжать литий-ионный аккумулятор при температуре ниже нуля градусов.

«Если попытаться зарядить замерзший аккумулятор, ионы лития не смогут внедриться в густой или замерзший графитовый анод. Вместо этого они начнут ускоренно оседать на его поверхности в виде чистого металлического лития. Это приводит к образованию острых металлических игл (дендритов), которые гарантированно пробивают сепаратор и уничтожают батарею. Если аккумулятор долго находился на морозе, перед использованием или зарядкой его необходимо выдержать при комнатной температуре не менее 12–24 часов», – подчеркнул специалист.

А. Захаров поделился несколькими практическими рекомендациями.

«При заносе устройства с мороза в теплое помещение не включайте его и не доставайте из сумки или чехла минимум два-три часа. Пусть оно нагревается медленно внутри сумки, тогда теплый влажный воздух комнаты просто не доберется до холодных плат и конденсат не выпадет. Храните и транспортируйте технику в сумках или пакетах с пакетиками силикагеля. Устройства с заводской герметизацией защищены от попадания влаги извне, но даже они не застрахованы от внутреннего конденсата», – посоветовал он.

Помимо этого, специалист предупредил об опасности для электролитических конденсаторов.

«На холоде вязкость электролита стремительно растет, ионы теряют подвижность, и емкость конденсатора может упасть в 2–10 раз. Внутреннее сопротивление (ESR) может вырасти в 10–100 раз, из-за чего конденсатор начинает работать как обычный резистор и греться изнутри. Это приводит к тепловому удару и физическому разрушению корпуса. При глубокой заморозке замерзшая масса электролита может оторвать внутренние контактные лапки от фольги, и конденсатор навсегда уходит в „обрыв“», – заключил профессор.

Для работы в условиях сильного мороза применяют твердотельные (полимерные) конденсаторы, танталовые конденсаторы и специальные «арктические» серии с расширенным температурным диапазоном.

При частичной или полной перепечатке материала, а также цитировании необходимо ссылаться на пресс-службу КФУ.

Присоединяйтесь к каналу КФУ в MAX.