SPRAWOZDANIE

LABORATORIUM TECHNOLOGII POLIMERÓW

Badania parametrów wytrzymałościowych

tworzyw sztucznych.

1. Wstęp

Właściwości mechaniczne tworzyw charakteryzują i informują o jakości i zachowaniu tworzyw podczas eksploatacji. Właściwości odzwierciedlają zachowanie się tworzyw polimerowych podczas deformacji pod wpływem naprężeń.

Możemy wyróżnić takie właściwości mechaniczne tworzyw polimerowych jak moduł Younga, wytrzymałość na rozciąganie, zginanie, twardość czy udarność.

1. Wykonanie doświadczeń

Celem laboratorium było przeprowadzenie serii badań wytrzymałościowych tworzywa polipropylenowego i polistyrenowego.

1. Pomiar udarności wiosełka z tworzywa polistyrenowego metodą Izoda.

Jest to metoda pomiaru udarności popularna w krajach anglosaskich.

Próbkę z karbem umieszcza się pionowo w stronę młotka do wysokości karbu.

Przed przystąpieniem do pomiarów wykonano pomiar energii wahadła w powietrzu w celu wyznaczenia poprawki do pomiarów.

Wzór do obliczenia udarności:

$$a_{k} = \frac{A_{k}}{\text{bt}_{k}}\text{\ \ \ \ }\left\lbrack \frac{\text{kJ}}{m^{2}} \right\rbrack$$

Warunki podczas pomiaru: 68% wilgotność powietrza, 27°C

Tabela wyników

Nr pomiaru	Szerokość próbki t [m]	Ak [kJ]	Grubość pod karbem b [m]	Udarność ak [kJ/m^2]	Średnia udarność aksr [kJ/m^2]
Powietrze	----	0.024	0.0102	-----	2301.4
Powietrze	----	0.024		-----
1	0.0036	0.116		2505.4
2	0.0036	0.124		2723.3
3	0.00355	0.098		2043.6
4	0.0036	0.098		2015.3
5	0.0036	0.098		2015.3
6	0.0036	0.116		2505.4

1. Pomiar udarności wiosełka z tworzywa polipropylenowego metodą Charpy’ego.

Metoda Charpy’ego to jedna z najpopularniejszych metod oznaczania udarności. Swobodne wahadło uderza w próbkę mierząc energię w miejscu uderzenia. Metodę tą można stosować zarówno do pomiaru próbek z karbem jak i bez karbu.

Próbka ustawiona poziomo tyłem karbu w stronę wahadła.

Przed przystąpieniem do pomiarów wykonano pomiar energii wahadła w powietrzu w celu wyznaczenia poprawki do pomiarów.

Wzór do obliczenia udarności:

$a_{k} = \frac{A_{k}}{\text{bt}_{k}}\text{\ \ \ \ }\left\lbrack \frac{\text{kJ}}{m^{2}} \right\rbrack$ dla próbki z karbem lub $a_{n} = \frac{A_{n}}{\text{bt}_{n}}\text{\ \ \ \ }\left\lbrack \frac{\text{kJ}}{m^{2}} \right\rbrack$ dla próbki bez karbu

Warunki podczas pomiaru: 68% wilgotność powietrza, 27°C

Tabela wyników

Nr pomiaru	Szerokość próbki t [m]	Ak [kJ]	Grubość pod karbem b [m]	Udarność ak [kJ/m^2]	Średnia udarność aksr [kJ/m^2]
Powietrze	-----	0.018	0.0032	-----	7407.7
Powietrze	-----	0.018
1	0.00570	0.146		7017.5
2	0.00580	0.140		6573.3
3	0.00565	0.138		6637.2
4	0.00580	0.184		8944.0
5	0.00580	0.164		7866.4

1. Pomiar udarności wiosełka z tworzywa polipropylenowego metodą Charpy’ego.

Próbka ustawiona poziomo. Przed przystąpieniem do pomiarów wykonano pomiar energii wahadła w powietrzu w celu wyznaczenia poprawki do pomiarów.

Wzór do obliczenia udarności:

$a_{k} = \frac{A_{k}}{\text{bt}_{k}}\text{\ \ \ \ }\left\lbrack \frac{\text{kJ}}{m^{2}} \right\rbrack$ dla próbki z karbem lub $a_{n} = \frac{A_{n}}{\text{bt}_{n}}\text{\ \ \ \ }\left\lbrack \frac{\text{kJ}}{m^{2}} \right\rbrack$ dla próbki bez karbu

Próbki przygotowane bez karbu.

Warunki podczas pomiaru: 68% wilgotność powietrza, 27°C

Tabela wyników

Nr pomiaru	Szerokość próbki t [m]	An [kJ]	Grubość b [m]	Udarność an [kJ/m^2]	Średnia udarność ansr [kJ/m^2]
Powietrze	-----	0.024	----	-----	23705.9
Powietrze	-----	0.024	----
1	0.00400	0.496	0.006	19666.7
2	0.00400	0.700	0.006	28166.7
3	0.00410	0.696	0.0061	26869.3
4	0.00410	0.604	0.00615	23002.2
5	0.00415	0.676	0.00615	25546.1
6	0.00410	0.568	0.0061	21751.3
7	0.00405	0.444	0.0061	17000.6
8	0.00400	0.664	0.006	26666.7
9	0.00420	0.596	0.006	22698.4
10	0.00410	0.656	0.006	25691.1

Udarność względna tworzywa polipropylenowego KZ

$$KZ = \ \frac{a_{k}}{a_{n}}*100\% = \ \frac{7407,7}{23705,9}*100\% = 31,25\%$$

1. Pomiar udarności wiosełka z tworzywa polistyrenowego metodą Dynstat.

Warunki podczas pomiaru: 68% wilgotność powietrza, 27°C

Tabela wyników

Nr pomiaru	Szerokość próbki t [m]	Grubość próbki b [m]	Pomiar kg*cm	Konwersja kg*cm na N*m = J	Udarność an [kJ/m^2]	Srednia udarnosc an [kJ/m^2]
Powietrze	-----	------	0.6	0.05884	-----	3.838
Powietrze	-----	------	0.55	0.05393
Powietrze	-----	------	0.55	0.05393
Powietrze	-----	------	0.55	0.05393
1	0.00970	0.003600	1.80	0.17652	3.511
2	0.00970	0.003650	1.80	0.17652	3.463
3	0.00960	0.003500	2.35	0.23046	5.254
4	0.00995	0.003600	2.20	0.21575	4.518
5	0.00960	0.003700	1.10	0.10787	1.519
6	0.01000	0.003600	2.30	0.22555	4.767

1. Oznaczanie twardości tworzywa elastycznego metodą Shore’a.

Metoda ta stosowana jest dla tworzyw o właściwościach elastoplastycznych np. gum. Badany obiekt to guma wytworzona przez studentów. Do pomiaru używa się specjalnego aparatu wyposażonego w igłę i wskaźnik twardości. Pomiar wykonuje się wciskając aparat pionowo w materiał i odczytując wynik ze skali.

W pomiarach wykorzystany był twardościomierz typu A.

Warunki podczas pomiaru: 68% wilgotność powietrza, 27°C

Tabela wyników

Nr pomiaru	Twardość [°Sh]	Twardość średnia [°Sh]
1	59	57
2	55
3	59
4	54
5	58
6	57

Guma produkcji studentów Politechniki znajduje się w środku skali twardości Shore’a co określa, że jest to materiał o podwyższonej twardości w swojej skali ( maksymalnie 100°Sh).

1. Oznaczanie twardości wiosełka z tworzywa polistyrenowego metodą wciskania kulki.

Pomiary twardości tą metodą wykonuje się na aparacie Brinella dla próbek o minimalnej grubości 4 milimetrów. Twardość oznacza się ze wzoru :

$$H = \ \frac{F}{\text{πDh}}\text{\ \ \ \ \ \ \ }\left\lbrack \frac{N}{\text{mm}^{2}} \right\rbrack = \left\lbrack \text{MPa} \right\rbrack$$

gdzie: F – obciążenie D – średnica kulki [mm] h – głębokość odcisku [mm]

Głębokość odcisku mierzy się po 30 sekundach od przyłożenia obciążenia dla tworzyw polimerowych ze względu na ich pełzanie.

Obciążenie F – 358 N

Warunki podczas pomiaru: 68% wilgotność powietrza, 27°C

Tabela wyników

Nr pomiaru	Poprawka	Wynik na aparacie po 30 sekundach	Twardość [MPa]	Twardość średnia [Mpa]
1	0.045	0.220 - 0.045 = 0.175	141.8	103.9
2		0.230 - 0.045 = 0.185	123.5
3		0.390 - 0.045 = 0.345	62.8
4		0.235 - 0.045 = 0.190	98.2
5		0.260 - 0.045 = 0.215	103.5
6		0.290 - 0.045 = 0.245	93.4

1. Próba rozciągania w pionie wiosełka z tworzywa polipropylenowego.

Rozciąganie wiosełka z prędkością 10 mm / minutę.

Warunki podczas pomiaru: 67% wilgotność powietrza, 24°C

Tabela wyników

h [m]	b [m]	F[N]	Lx [m]	Lo [m]	Ao [m^2]	σ [MPa]	σsred [MPa]	Lr [m]	Er %
0.0042	0.01005	15.2	0.0153	0.1	0.0000422	0.36010	0.34792	0.1153	15.3
0.0042	0.01015	14.6	0.0179	0.1	0.0000426	0.34248		0.1179	17.9
0.0042	0.0101	15.2	0.0132	0.1	0.0000424	0.35832		0.1132	13.2
0.0041	0.0100	13.8	0.0081	0.1	0.0000410	0.33659		0.1081	8.1
0.0043	0.0102	14.6	0.0191	0.1	0.0000439	0.33288		0.1191	19.1
0.0042	0.0100	15	0.021	0.1	0.0000420	0.35714		0.1210	21

1. Próba rozciągania w pionie wiosełka z tworzywa polistyrenowego.

Rozciąganie wiosełka z prędkością 10 mm / minutę.

Warunki podczas pomiaru: 67% wilgotność powietrza, 24°C

Tabela wyników

h [m]	b [m]	F[N]	Lx [m]	Lo [m]	Ao [m^2]	σ [MPa]	σsred [MPa]	Lr [m]	Er %
0.00420	0.01025	520	0.0023	0.04	0.00004305	12.079	12.236	0.1023	2.3
0.00425	0.01030	525	0.0023	0.04	0.00004378	11.993		0.1023	2.3
0.00410	0.01020	515	0.0023	0.04	0.00004182	12.315		0.1023	2.3
0.00420	0.01020	545	0.0024	0.04	0.00004284	12.722		0.1024	2.4
0.00420	0.01020	520	0.0023	0.04	0.00004284	12.138		0.1023	2.3
0.00415	0.01020	515	0.0023	0.04	0.00004233	12.166		0.1023	2.3

1. Próba zginania pionowo ustawionego wiosełka z tworzywa polipropylenowego.

Szybkość opadania obciążenia na wiosełko - 10 mm / minutę.

Zakres pomiarowy – 1000N Rozstaw podpór – 40 mm.

Warunki podczas pomiaru: 67% wilgotność powietrza, 24°C

Tabela wyników

h [m]	b [m]	F [N]	Lo [m]	M [N*m]	W [m^3]	Rg [MPa]	Rgsred [MPa]
0.0041	0.01015	1700	0.04	17	7,0399E-08	241,48	219,87
0.0041	0.01010	1600	0.04	16	6,9707E-08	229,53
0.0042	0.01025	1760	0.04	17.6	7,3544E-08	239,31
0.0041	0.01010	1780	0.04	17.8	6,9707E-08	255,36
0.00425	0.01015	1560	0.04	15.6	7,2974E-08	213,77
0.00425	0.01015	1020	0.04	10.2	7,2974E-08	139,78

1. Próba zginania poziomo ustawionego wiosełka z tworzywa polistyrenowego.

Szybkość opadania obciążenia na wiosełko - 10 mm / minutę.

Zakres pomiarowy – 1000N Rozstaw podpór – 40 mm.

Warunki podczas pomiaru: 67% wilgotność powietrza, 24°C

Tabela wyników

h [m]	b [m]	F [N]	Lo [m]	M [N*m]	W [m^3]	Rg [MPa]	Rgsred [MPa]
0.0041	0.01015	235	0.04	2.35	2.8437E-08	82.64	76.99
0.00425	0.01025	232	0.04	2.32	3.0857E-08	75.19
0.0042	0.0103	238	0.04	2.38	3.0282E-08	78.59
0.00425	0.01035	223	0.04	2.23	3.1158E-08	71.57
0.00425	0.01025	240	0.04	2.4	3.0857E-08	77.78
0.00425	0.01025	235	0.04	2.35	3.0857E-08	76.16

MASOWY WSKAŹNIK SZYBKOŚCI PŁYNIĘCIA MFR

Wskaźnik szybkości płynięcia to liczba wyrażająca ilość tworzywa termoplastycznego przepływającego przez dyszę kołową o ustalonych wymiarach w ciągu określonego czasu pod danym ciśnieniem oraz w danej temperaturze. Masowy wskaźnik szybkości płynięcia (MFR) wyraża masę tworzywa przepływającego przez dyszę kołową w znormalizowanych warunkach; jednostka umowna – gram/10 minut.

$$\text{MFR\ }\left( \theta,\ m_{\text{nom}} \right) = \ \frac{t_{\text{rel}}*m}{t}$$

gdzie: t_rel – czas odniesienia 10 min (600s)

t – czas odcinania wypływającego tworzywa

m – średnia masa wytłoczonych odcinków

Θ – temperatura oznaczania

m_nom - obciążenie nominalne

1. Obliczenie wskaźnika MFR dla polipropylenu

Szufelką polipropylen granulowany został wprowadzony do aparatu. Został ubity i obciążony masą 5 kg. Po 3 minutach włączono mechanizm nożowy, który w odstępach czasowych podanych przez prowadzącego odcinał kolejne fragmenty wytłoczonego tworzywa.

Warunki podczas pomiaru: 67% wilgotność powietrza, 24°C

Parametry oznaczenia:

t – 17 sekund Czas uplastycznienia – 3 minuty

Θ – 190°C

m_nom – 5 kg

Tabela wyników

Nr pomiaru	Masa próbki [g]	Średnia masa próbki [g]	MFR [g/10min]
1	0.136	0.143	5.039
2	0.139
3	0.141
4	0.141
5	0.14
6	0.145
7	0.146
8	0.148
9	0.149

1. Wnioski

Badane przez nas tworzywo polipropylenowe charakteryzowało się wysoką udarnością oraz elastycznością na co wskazywało prawie 20% wydłużenie względne przy zerwaniu. Materiał ten znalazłby zastosowanie jako element odporny na średniej wielkości uszkodzenia krótkotrwałe.

Z drugiej strony tworzywo polistyrenowe nie wykazywało tak wysokich parametrów przy próbach zginania czy udarności jak tworzywo polipropylenowe, jednak jest on o wiele bardziej odporny na naprężenia co czyni go trwalszym materiałem przy długotrwałym działaniu sił na tworzywo

(wartość naprężeń σ dla polistyrenu jest 35-krotnie wyższa niż dla polipropylenu).