Badanie właściwości tworzyw

Badanie tworzyw sztucznych i gotowych wyrobów

Badanie tworzyw sztucznych jest dziedziną bardzo rozległą, gdyż materiały te występują w różnych postaciach fizycznych - jako ciecze (żywice polimerowe) jako tworzywa o różnym stopniu plastyczności oraz jako tworzywa stałe (tworzywa konstrukcyjne), nieraz o bardzo dużej twardości. Każda z tych postaci wymaga odpowiednich metod badania. Najczęściej rozpatruje się takie właściwości jak: przetwórcze, mechaniczne, cieplne, elektryczne. Specjalne metody stosuje się do badania gotowych wyrobów Ze względu na to liczba metod badania może być tak duża, jak wiele jest kierunków zastosowań tworzyw sztucznych. Są pewne zastosowania priorytetowe np. w budownictwie gdzie takie wyroby jak materiały podłogowe,listwy wykończeniowe, rury kanalizacyjne i wodne doczekały się opracowania metod badawczych od wielu lat znormalizowanych.

Ogólnie tworzywa sztuczne w zależności od charakteru ich zastosowań można podzielić na konstrukcyjne, powłokowe, kleje, włóknotwórcze i specjalne . Biorąc zaś pod uwagę warunki przetwórstwa, rozróżnia się tworzywa na bazie polimerów termoutwardzalnych, termoplastycznych i chemoutwardzalnych. 

Pomimo tej różnorodności tworzyw sztucznych ich badanie za pomocą przyrządów i aparatury z zastosowaniem znormalizowanych metod może być podobne. Dzięki badaniom przeprowadzonym na tej samej aparaturze i taką samą metodą można porównać różne tworzywa i dobierać materiały o optymalnych cechach do danego rozwiązania technicznego. 

Gęstość

Gęstością nazywamy stosunek masy próbki tworzywa do jej objętości w danej temperaturze, czyli jest to masa (w gramach) 1cm³ danej substancji 
 
gdzie m-masa, v-objętość 

Ciężar właściwy
 
gdzie P-ciężar, V-objętość 

Oznaczenie ciężaru właściwego sprowadza się do określenia ciężaru i objętości próbki badanego tworzywa. Oba te pomiary wykonuje się oddzielnie, stosując odrębne metody, albo Przy użyciu tego samego przyrządu (za pomocą wagi hydrostatycznej) albo stosując jedno badanie ,w którym uwzględnia się równocześnie obie mierzone wielkości (pomiary aerometryczne). Przeprowadza się je najczęściej w temperaturze 230^oC . Pomiar gęstości najbardziej przydatny jest w badaniach kontrolnych wyrobów z tworzyw sztucznych, zwłaszcza w przypadku wyrobów napełnianych, jak z wyprasek tłoczyw fenolowych, mocznikowych itp., kitów chemoutwardzalnych, wykładzin podłogowych i in. Pomiary gęstości w laboratoriach wykonuje się w odniesieniu do cieczy oraz do identyfikacji plastyfikatorów. Plastyfikator można rozpoznać przez wykonanie dwóch bardzo szybkich i prostych oznaczeń, a mianowicie gęstości określonej areometrem lub za pomocą wagi Westphala-Mohra i współczynnika refrakcji. 

Próbki do oznaczania gęstości przygotowuje się w następujący sposób :
-formowanie kształtek z tłoczyw termoutwardzalnych przez prasowanie,
-formowanie kształtek z tłoczyw termoplastycznych przez prasowanie,
-formowanie kształtek z tłoczyw termoplastycznych metodą wtrysku,
-formowanie kształtek do badań metodą żywic poliestrowych i epoksydowych

Metody oznaczania:
-oznaczenie gęstości ciał stałych o kształtach regularnych,
-oznaczenie gęstości ciał stałych o kształtach nieregularnych za pomocą wagi hydrostatycznej,
-oznaczenie gęstości ciał sypkich,
-oznaczenie gęstości folii i podobnych materiałów,
-oznaczenie gęstości za pomocą kolumny gradientowej,
-oznaczenie gęstości cieczy,
-oznaczenie gęstości za pomocą areometru,
-oznaczenie gęstości za pomocą wagi hydrostatycznej Westphala-Mohra,
-oznaczenie gęstości za pomocą pikometru

Wilgotność

Przez wilgotność rozumiemy zawartość wody w danym materiale. Wyraża się w procentach wagowych lub objętościowych.
Większość tworzyw charakteryzuje się mała wilgotnością wyjątkiem są poliamidy. Zwiększona wilgotność powoduje "zanik technologiczny" materiału (zużycie surowca) podczas przetwórstwa i naraża producenta na straty ,oznaczenie wilgotności jest przede wszystkim oznaczeniem kwalifikującym przy atestowaniu tłoczyw i wyrobów. Do oznaczenia wilgotności najczęściej stosuje się metodę wagową. Klasyczny pomiar polega na suszeniu zważonej próbki w określonej temperaturze do stałej masy i na obliczeniu wyniku wg wzoru 


Gdzie m₁-masa próbki wilgotnej; m₂- masa próbki wysuszonej 

Oznaczenie wilgotności w procentach objętościowych przeprowadza się analogicznie, że przy obliczaniu uwzględnia się gęstość pozorną, a mianowicie 


Gdzie: W_w-wilgotność, %wag.; d_p-gęstość pozorna

Nasiąkliwość (chłonność wody)

Wielkość tą wyraża się w procentach wagowych i definiuje się jako stosunek masy wody pochłoniętej przez próbkę do masy tej próbki w stanie suchym. Nasiąkliwość objętościową można policzyć ze wzoru 


gdzie d_p-gęstość pozorna, m₁-masa próbki po wysuszeniu ,m₂-masa próbki po wyjęciu z wody 

Jeżeli nie obowiązują normy przedmiotowe to bez względu na rodzaj tworzywa do badań stosuje się próbki otrzymywane metodą prasowania lub wtrysku bądź wycina się je z prętów lub rur.

Oznaczenia chłonności wody:
-oznaczenia w wodzie zimnej tworzyw nie zawierających substancji rozpuszczalnych w wodzie,
-oznaczenia w wodzie zimnej tworzyw zawierających substancje rozpuszczalne w wodzie,
-oznaczenia w wodzie wrzącej tworzyw nie zawierających substancji rozpuszczalnych w wodzie,
-oznaczenia w wodzie wrzącej tworzyw zawierających substancje rozpuszczalne w wodzie, oznaczenie ilości substancji rozpuszczalnych w wodzie.

Cechy wytrzymałościowe badane podczas rozciągania

Próba rozciągania polega na jednoosiowym odkształceniu odpowiednio przygotowanych próbek i mierzeniu powstających sił. Badanie takie jest jednym z podstawowych źródeł informacji o mechanicznych właściwościach tworzyw sztucznych. Wielkościami mierzonymi przy tej próbie są odkształcenia (wydłużenie ?) oraz siły odkształcające. Wydłużenie bezwzględne ?lx jest to różnica między końcową a początkową długością odcinka pomiarowego próbki.
Wydłużenie względne ?x jest to stosunek odkształcenia bezwzględnego do początkowej długości odcinka pomiarowego 


Naprężenie? Definiuje się najczęściej jako stosunek siły odkształcającej do początkowej powierzchni przekroju poprzecznego rozciągania próbki, zmierzonej przed przyłożeniem obciążenia 


Gdzie F-siła odkształcająca ;A₀-powierzchnia początkowego przekroju poprzecznego 

Wybór aparatury zależy od celu badania i wymaganej dokładności.
Obecnie stosuje się nowoczesną aparaturę, za pomocą której można mierzyć naprężenia i odkształcenia przy dowolnej prędkości rozciągania(zginania, ściskania).Przebieg pomiaru obserwuje się na monitorze i zapisuje w pamięci komputera sprzężonego z przyrządem.
Odpowiednie oprogramowanie ułatwia wybranie żądanego fragmentu powiększenie go i następnie wydrukowanie.
Wytrzymałość na rozciąganie oblicza się ze wzoru


Gdzie F-maksymalna siła odkształcająca A₀-powierzchnia początkowego przekroju poprzecznego odcinka pomiarowego

Wytrzymałość na rozciąganie jest więc maksymalnym naprężeniem jakie materiał przenosi podczas krótkotrwałego rozciągania statycznego.

Cechy wytrzymałościowe badane podczas ściskania

Podczas ściskania występują dwie podstawowe wielkości tzn. odkształcenie (skrócenie) oraz naprężenie ,Odkształcenie wyraża się jako bezwzględne ?l albo jako względne ?l/l.
Naprężenia określa się jako nominalne lub rzeczywiste.

W celu scharakteryzowania właściwości tworzywa poddanego ściskaniu są stosowane następujące pojęcia:
1) wytrzymałość na ściskanie,
2) granica plastyczności,
3) odkształcenie przy zniszczeniu,
4) umowna granica plastyczności,
5) odkształcenie na granicy plastyczności,
6) naprężenia ściskające przy założonym odkształceniu względnym.

Na ogół badanie ogranicza się do zmierzenia wytrzymałości na ściskanie. Bada się przede wszystkim tworzywa kruche. Wytrzymałość na ściskanie Rc jest to największa wartość naprężenia ś ciskającego w próbce. Wytrzymałość na ściskanie Rc wyraża się wzorem 


Gdzie Fc-największa siła ściskająca ; A₀-pole początkowego przekroju próbki. 

Do tego potrzebne są znacznie większe maszyny wytrzymałościowe, umożliwiające uzyskiwanie wielokrotnie większych sił niż przy rozciąganiu .
Próbki powinny mieć kształt prostopadłościanów, prostych walców lub prostych cylindrów.

Cechy wytrzymałościowe badane podczas zginania

Próba zginania polega na tym że próbkę tworzywa podpartą na końcach obciąża się punktowo, prostopadle do jej osi podłużnej. Odległość pomiędzy punktami podparcia musi być ściśle okreœlona i jest zwykle unormowana. 

Badania stosuje się tylko do tworzyw kruchych (sztywnych), które pękają w czasie badania. Podczas zginania pod wpływem siły F górna powierzchnia próbki ulega zmniejszeniu-dolna wydłużeniu, w wyniku czego w górnej części występują naprężenia ściskające, a w dolnej rozciągające.

W tworzywach kruchych występują w materiale naprężenia ścinające, skierowane prostopadle do osi działania siły.
Pomiar wytrzymałości na zginanie obejmuje oznaczenie siły niszczącej podczas zginania.
Następnie oblicza się z niej naprężenia niszczące, które przyjmuje się jako doraźną wytrzymałość na zginanie ?f w MPa. W próbach można stosować różne beleczki o przekroju prostopadłościennym i o wysokości 1-50 mm, a szerokości 15-50 mm. Pomiaru dokonuje się w temperaturze 23+-2^oC, rozstaw podpór powinien wynosić 16h+-0,5 mm. Trzpień sprowadza się do pozycji, w której dotyka próbki dokładnie w jej środku, nie wywołując jednak wstępnych naprężeń. Po uruchomieniu maszyny należy odczytać obciążenie w chwili zniszczenia i ewentualnie odpowiadającą jej strzałkę ugięcia. Jeżeli próbka się nie złamie, to należy zanotować siłę w chwili osiągnięcia określonej strzałki ugięcia.

Pomiar zginania za pomocą aparatu Dynstat polega na pomiarze kąta ugięcia i momentu zginającego w chwili zniszczenia tworzywa, przy zastosowaniu próbek w postaci płytek o wymiarach 15x10 mm i grubości 2-4 mm. Zasada badania polega na tym, że do próbki pomiarowej jest przytwierdzone ramię z obciążnikiem. Wskutek obrotu uchwytu próbki przenosi się przez nią ruch obrotowy na ramię. W miarę wznoszenia się ramienia, powstaje i zwiększa się jego moment obrotowy działający na próbkę jako moment zginający. Wzrost tego momentu prowadzi do wzrostu naprężeń w próbce prowadzący do jej zginania, a dalej do zniszczenia. Odczytany w chwili zniszczenia moment zginający służy do obliczenia wytrzymałości na zginanie, a jednocześnie zmierzony kąt ugięcia jest miarą odkształcenia próbki.

Udarność

Udarność jest miarą kruchości materiałów określoną przez pracę potrzebną do dynamicznego złamania próbki i odnoszoną do wielkości poprzecznego przekroju próbki.

Udarność można badać za pomocą aparatu Charpy'ego , młot zawieszony na osi porusz się jak swobodne wahadło. Spadający młot łamię umieszczoną na podporach próbkę, co pochłania odpowiednią energię, a wskazówka pokazuje pracę zużytą na złamanie próbki. W przypadku mierzenia udarności próbek z karbem nacina się na beleczce zgodnie z normą. Podczas tej próby młot ma uderzyć w przeciwną powierzchnię do karbu.

Udarność bez karbu an oblicza się ze wzoru


Udarność z karbem a_k oblicza się ze wzoru


Gdzie A_n - energia udaru zużyta na złamanie próbki ; b,t - odpowiednio grubość i szerokość próbki. 

W metodzie Dynstat udarność oznacza się na próbkach o wymiarach 10x15 mm, grubości 1,5-4,5 mm, mocowanych pionowo. Ramię aretuje się w pozycji "godzina trzecia", młot spada z prędkością 2,2 m/s.

Praktyczne znaczenie pomiaru aparatem Dynstat polega na tym, że próbki o tak małych wymiarach daje się wycinać z wielu gotowych wyrobów.

Twardość

Jedną z metod badania twardości jest metoda wciskania kulki, polega ona na powolnym wciskaniu stalowej kulki w badane tworzywo. Po upływie pewnego czasu ustala się stan równowagi, w którym zwiększająca się powierzchnia odcisku równoważy wywierane obciążenie przez wgłębiającą się kulkę. W tym stanie stosunek siły obciążającej do powierzchni odcisku wgniecionego w badanym materiale określa się jako twardość. 

Do badania używa się aparatu Brinella, w którym można ustalić obciążenia wstępne i kilka do wyboru obciążeń roboczych. Czujnik rejestruje głębokość wgniotu pod naciskiem. Stosuje się próbki płaskorównoległe o grubości nie mniejszej niż 4mm.

Lepkość

Jednym z przyrządów do mierzenia lepkości jest kubek wypływowy. Do praktycznej oceny wielu produktów ciekłych można stosować pomiar czasu wypływu przez znormalizowaną dyszę. Jest to metoda umowna, szybka ale mało dokładna. W metodzie tej otrzymuje się wyniki w sekundach, a więc można je przeliczyć na lepkość kinematyczną. Kubek jest zaopatrzony w dyszę o średnicy 3,4,6 mm. 
Do pomiaru należy dobrać taką dyszę, aby czas wypływu wynosił 30-100 s. Kubek stabilnie umieszcza się w statywie. 
Lepkość można także badać za pomocą wiskozymetru Hopplera. Stosuje się go do pomiaru lepkości dynamicznej metodą umowną. Zasada polega na zmierzeniu czasu spadku kulki w ściśle skalibrowanej rurce szklanej napełnionej badaną cieczą. Wybór różnych średnic i mas kulek umożliwia oznaczenie lepkości dynamicznej w zakresie 0,6-80 000 cP w temperaturze od -60 do 150 ^oC.

Innym przyrządem do mierzenia lepkości są wiskozymetry rotacyjne. Pomiar lepkości polega tu na mierzeniu momentu obrotowego wywieranego przez ciecz na obracający się element pomiarowy, będący najczęściej cylindrem lub walcem zanurzonym w badanej cieczy . Moment ścinający rejestrowany jest elektrycznie lub często graficznie w zależności od liczby obrotów i temperatury.