Tworzywa sztuczne

(tu zawarte są odpowiedzi na pytania 41 - 50)

Tworzywo - to materiał do produkcji różnego rodzaju przedmiotów użytkowych.

Tworzywa sztuczne - powszechnie przyjęta nazwa materiałów, których podstawowym (a nieraz wyłącznym) składnikiem są substancje wielkocząsteczkowe.

Do charakterystycznych właściwości tworzyw sztucznych należą:

•podstawowe właściwości fizyczne (gęstość, temperatura topnienia lub mięknienia polimeru, chłonność wody),

•właściwości mechaniczne (wytrzymałość na rozciąganie i zginanie, moduł sprężystości przy rozciąganiu i zginaniu, wydłużenie przy zerwaniu, wytrzymałość na ściskanie, udarność, twardość, ścieralność, współczynnik tarcia, wytrzymałość zmęczeniowa),

•właściwości cieplne (temperatura ugięcia pod obciążeniem, temperatura mięknienia wg Vicata, wytrzymałość cieplna wg Martensa, rozszerzalność cieplna, przewodność cieplna),

•właściwości elektryczne (oporność właściwa skrośna, oporność właściwa powierzchniowa, wytrzymałość dielektryczna, współczynnik strat dielektrycznych),

•właściwości optyczne (przepuszczalność światła, współczynnik załamania światła),

•właściwości chemiczne (odporność na działanie różnych chemikaliów, odporność na starzenie, palność).

BADANIE WŁAŚCIWOŚCI tworzyw sztucznych

¨fizyczne: gęstość, temperatura topnienia, mięknienia, chłonność wody.

OZNACZANIE GĘSTOŚCI

Sprowadza się ono do określenia masy i objętości próbki badanego tworzywa. Pomiary wykonuje się przy użyciu wagi hydrostatycznej lub areometrycznie. Gęstość próbek o kształtach całkowicie regularnych, a więc próbek prostopadłościennych lub odcinków rur i prętów okrągłych o równomiernym przekroju na całej długości, można określić na podstawie masy próbki i jej objętości obliczo­nej z wymiarów liniowych.

W przypadku bardzo niewielkiej ilości badanego materiału lub materiału rozdrobnionego stosuje się metodę piknometryczną. Materiały proszkowe, np. napełniacze, można oznaczać za pomocą kolby Le Chateliera i wagi laboratoryjnej, a gdy próbka jest mała, lub gdy należy uzyskać większą dokładność - za pomocą piknometru i wagi hydrostatycznej.

Oznaczanie gęstości ciał o nieregularnych kształtach dokonuje się za pomocą wagi hydrostatycznej.

Gęstość tworzyw sztucznych w postaci proszku można oznaczyć przy pomocy kolby Henri Le Chatelier (1850-1936).

Piknometr jest to kolbka szklana z doszlifowanym korkiem, jest naczyniem zaprojektowanym do pomiarów gęstości cieczy lub niewielkich ciał

Gęstość tworzyw sztucznych w postaci płynu wykonuje się za pomocą areometru lub wagi hydrostatycznej Mohra

Areometr, gęstościomierz, przyrząd służący do pomiaru gęstości cieczy metodą wyporową.

Budowa. Jest to rurka szklana, której górna wydłużona część zaopatrzona jest w skalę, część dolna w postaci bańki wypełniona jest śrutem.

Pomiar. Po zanurzeniu areometru w cieczy ustala się stan równowagi pomiędzy ciężarem areometru a ciężarem wypartej cieczy.

Pomiar sprowadza się do zrównoważenia za pomocą odważników wyporu znormalizowanego pływaka zanurzonego w badanej cieczy. Szklany pływak jest zaopatrzony w termometr. Do suchego cylindra nalewa się badaną ciecz do po­ziomu, do jakiego sięgała woda przy kontroli wagi (zwykle w temp. 23°C), Następnie suchy pływak zanurza się w badanym płynie i przez odpowiednie dobranie koników sprowadza wagę do położenia równowagi.

•Wilgotność tworzywa - jest to zawartość wody w danym materiale. Spotyka się też określenie zawartości wilgoci. Wilgotność wyraża się przeważnie w procentach wagowych lub objętościowych.

Klasyczny pomiar polega na suszeniu zważonej próbki w określonej temperaturze do stałej masy i na obliczaniu wyniku według wzor

m1 , m2 - masa próbki wilgotnej i wysuszonej

•Nasiąkliwość wagowa - chłonność wody - jest to stosunek masy wody pochłoniętej przez próbkę do masy tej próbki w stanie suchym. Ilość pochłoniętej wody wpływa w istotny sposób na właściwości tworzywa. Oznaczanie chłonności wody dla wszystkich typów tworzyw przeprowadza się z reguły we wrzącej wodzie. Wyjątkiem są tworzywa, które w tej temperaturze miękną lub ulegają deformacjom i uszkodzeniom; chłonność ich oznacza się w wodzie zimnej. Ponadto rozróżnia się dwa sposoby badania w zależności od tego, czy w tworzy obecne są substancje rozpuszczalne w wodzie, czy nie.

Właściwości mechaniczne

Badania wytrzymałości:

•długotrwałej, doraźnej statycznej i dynamicznej,

•zmęczeniowej,

•twardości.

Próba rozciągania polega na jednoosiowym odkształcaniu odpowiednio przygotowanych próbek i mierzeniu powstających sił.

Właściwości mechaniczne tworzyw sztucznych można mierzyć m.in. maszynami wytrzymałościowymi.

W celu scharakteryzowania właściwości tworzywa poddanego rozciąganiu lub ściskaniu są stosowane następujące pojęcia:

• wytrzymałość na ściskanie,

• granica plastyczności,

• umowna granica plastyczności,

• odkształcenie przy zniszczeniu,

• odkształcenie na granicy plastyczności,

• naprężenie ściskające przy założonym odkształceniu względnym.

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 określona i jest zwykle unormowana. Badanie stosuje się tylko do tworzyw kruchych, które pękają w czasie badania. Badania tworzyw sztucznych, z których nie można wykonać próbek dużych wykonuje się aparatem Dynstat, dla którego wystarczają próbki o wymiarach 15x10x2 mm. Zasada badania polega na tym, że do próbki pomiarowej zamocowanej w obrotowym uchwycie jest przytwierdzone ramię z obciążnikiem. Wskutek obrotu uchwytu próbki przenosi się przez ruch obrotowy na ramię. W miarę wznoszenia się ramienia, tj. odchylania od pionu, powstaje i zwiększa się jego moment obrotowy działający na próbkę jako moment zginający. Wzrost tego momentu powoduje wzrost naprężeń w próbce prowadzący do jej zginania, a dalej do zniszczenia. Odczytany w chwili zniszczenia moment zginający służy do obliczania wytrzymałości na zginanie, a jednocześnie zmierzony kąt ugięcia jest miarą odkształcenia próbki.

Udarność jest miarą kruchości materiałów określaną przez pracę potrzebną do dynamicznego złamania próbki i odnoszoną do wielkości poprzecznego przekroju próbki. Badania wykonywane są metodami:

•Charpy'ego,

•Dynstat,

•Izoda.

Metoda Charpy'ego

Młot Charpy'ego zawieszony na osi porusza się jak swobodne wahadło. Młot ustawia się w pozycji pionowej i sprawdza czy zwolniony bez próbki pokazuje energię 0. Próbkę umieszcza się na podporach i ustawia wskazówkę zabieraka na maksymalnej wartości na skali. Bez wstrząsów należy zwolnić zapadkę i odczytać energię zaabsorbowaną przez łamaną próbkę.

Metoda Dynstat

Udarność oznacza się na próbkach o małych wymiarach, umocowanych pionowo. Praktyczne znaczenie pomiarów aparatem Dynstat polega na tym, że próbki o tak małych wymiarach udaje się wycinać z wielu gotowych wyrobów, co nie jest możliwe przy próbkach do aparatu Charpy'ego.

Badanie twardości

Pojęcie twardości w odniesieniu do tworzyw sztucznych określa się za pomocą oporu, jaki stawia materiał, gdy wciska się w jego powierzchnię pionowo odpowiedni wgłębnik, stosując naciski tak wielkie, aby powstało odkształcenie trwałe. Jako wgłębniki stosuje się tu elementy o znormalizowanych kształtach, np. kulki, stożki lub piramidki.

Przy pomocy metody wciskania kulki

Metoda polega 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 jego twardość.

Do badania używa się aparatu Brinella w którym można nastawiać obciążenie wstępne i kilka do wyboru obciążeń roboczych. Czujnik rejestruje głębokość wgniotu pod naciskiem. Ustala się za pomocą klocka z miękkiej miedzi pod wstępnym obciążeniem Fo = 9,8 N odkształcenie ramy przyrządu, jakie wystąpi w czasie pomiaru z zastosowaniem wybranego obciążenia pomiarowego Fm.

Do próbki umieszczonej na stoliku przykłada się obciążenia wstępne oraz pomiarowe i mierzy po 30 s głębokość odcisku. Należy wykonać 10 pomiarów. Odcisk powstający pod wpływem wybranego obciążenia jest sumą odkształceń plastycznego i sprężystego, które w tworzywach sztucznych mogą być większe niż u wielu metali. Po zdjęciu obciążenia następuje stosun­kowo szybki powrót poodkształceniowy odcisku w zakresie odkształcenia sprężystego.

Twardość wg Brinella

Do badania tworzyw gumopodobnych nadaje się metoda Shore'a. Aparat mieszczący się w dłoni dociska się podstawą do tworzywa. Wgłębnik wystający z podstawy, wypychany sprężyną wgniata się w materiał, przy czym ustala się równowaga między naciskiem sprężyny a reakcją tworzywa. Dla umiarkowanych twardości stosuje się typ A, w którym wgłębnik jest zakończony tępym stożkiem. Dla dużych twardości (typ D) stosowany wgłębnik jest na końcu zaostrzony. Po dociśnięciu wskazówka zatrzymuje się na odpowiednim zakresie skali wyrażonej w stopniach Shore'a.

Do pomiaru miękkości gum stosuje się aparat Schoppera, w którym wykorzystuje się kulkę o średnicy 10 mm i obciążenie 9,81 N, mierząć głębokość odcisku, nie usuwając obciążenia.

Dla elastycznych tworzyw porowatych wprowadzono pojęcie wskaźnika twardości. Jest to wg metody 1 siła potrzebna do wciśnięcia stopki przyrządu pomiarowego lub wg metody 2 talerza wciskowego w badaną próbkę. W metodzie 1 wynik odczytuje się wprost w °Sch (stopnie Schiltknechta). W metodzie B grubość próbki mierzy się wstępnie pod naciskiem 9,81 N, a następnie ściskają do 40% grubości wyjściowej

Badanie ścieralności

Zużyciem ściernym nazywa się odrywanie tworzywa z dwu stykających i przesuwających się względem siebie powierzchni, spowodowane występującymi nierównościami lub obecnością twardych cząsteczek obcego materiału. Ten sam układ dwu tworzyw trących może dawać zupełnie inny obraz ścierania w zależności od prędkości przesuwu powierzchni trących, temperatury, sposobu usuwania tworzywa ścieranego, występujących równocześnie drgań itp.

Metody pomiaru:

•aparat Schoppera,

•aparat Graselli,

•tarcze ścierne.

Aparat Schoppera nadaje się do wszystkich tworzyw sztucznych. Jako wzorzec ścieralności stosuje się specjalnie zwulkanizowaną gumę. Próbki tworzywa w postaci walca są dociskane jedną z podstaw do papieru ściernego za pomocą określonego obciążenia. Śruba pociągowa przesuwa uchwyt próbki z równomierną prędkością wzdłuż walca tak, aby próbka posuwa się cały czas po świeżym papierze. Po przebyciu 40 m drogi tarcia próbki oczyszcza się z pyłu i ponownie waży.

Oznaczanie ścieralności na aparacie Grasselli. Proces ścierania przebiega również na papierze ściernym, ale wynik wyraża się w cm3/(kWh).

W charakterze wzorca stosuje się gumę wzorcową taką samą jak w metodzie Schoppera. Tarcza pokryta papierem ściernym obraca się ścierając jednocześnie dwie próbki. Po upływie czasu odpowiadającego 200 obrotom tarczy wyłącza się silnik, oczyszcza próbki i waży. W ten sposób ustala się wskaźnik ścieralności gumy wzorcowej dwóch próbek i wskaźnik ścieralności badanego materiału.

Badanie właściwości cieplnych tworzyw sztucznych

Przez pojęcie właściwości cieplnych tworzywa rozumie się zmianę cech użytkowych pod wpływem podwyższonej temperatury. Właściwości te noszą też nazwę odporności cieplnej lub dla bardzo wysokich temperatur odporności na żar.

Temperatura zeszklenia Tg - to temperatura przejścia ze stanu elastycznego w stan szklisty. Stanowi ona kryterium stosowania polimerów i tworzyw sztucznych w warunkach normalnych.
Moduł ścinania przy skręcaniu - oznacza się literą G, określa się jako iloraz stałego naprężenia ścinającego i kąta skręcania w określonym czasie od chwili przyłożenia naprężenia. Badanie przeprowadza się w termostacie Dewara lub za pomocą wahadła skrętnego.

Badanie wytrzymałości cieplnej tworzyw sztucznych

¨Badanie temperatury ugięcia metodą Martensa

¨Badanie odporności cieplnej metodą Vicata (temperatura mięknienia)

Metoda Martensa

Metoda polega na poddawaniu znormalizowanych próbek zamocowanych w urządzeniu stałemu momentowi zginającemu, który wywołuje w tworzywie naprężenia zginające, przy jednoczesnym podnoszeniu temperatury ze stałą szybkością.

Badanie wykonuje się za pomocą aparatu Martensa. Jest to termostat szafkowy z przodu oszklony, zaopatrzony w urządzenie umożliwiające podnoszenie temperatury wnętrza ze stałą szybkością 50°C w ciągu 1 godziny.

Wewnątrz znajduje się urządzenie obciążające próbki. Dolny uchwyt próbki jest przymocowany do podstawy aparatu, a górny jest połączony z ramieniem, na którym znajduje się przesuwny obciążnik. Koniec ramienia jest połączony ze wskaźnikiem odkształceń, na którym odczytuje się ruch ramienia odpowiadający ugięciu próbki o 6 mm. Do badań stosuje się próbki o kształcie prostopadłościanów.

Metoda Vicata

Badanie to nazywa się również oznaczaniem temperatury mięknieniaia. Polega ono na określeniu temperatury, w której znormalizowana tępa igła stalowa o określonej powierzchni przekroju, pod działaniem określonego obciążenia, zagłębi się w powierzchnię próbki na głębokość l mm przy równomiernym wzroście temperatury.

Pomiar jest zbliżony do opisanej poprzednio metody Martensa, a inny jest tylko rodzaj odkształceń i sposób ich wywołania.

Jedną z największych wad tworzyw organicznych jest ich palność

Miarą palności polimerów jest tzw. wskaźnik lub indeks tlenowy OI. Jest to najmniejsza procentowa zawartość tlenu w mieszaninie tlenu i azotu podtrzymująca palenie się próbki w warunkach pomiaru.

Im wskaźnik ten jest niższy, tym tworzywo jest mniej odporne na palenie.

Badania zapalności metodą wskaźnika tlenowego

Metoda polega na ustaleniu minimalnego stężenia tlenu w mieszaninie, przy którym próbka tworzywa umocowana pionowo w kolumnie pomiarowej się pali. Do każdego oznaczenia przygotowuje się po 10 próbek, które nie wymagają klimatyzowania. Podczas badania próbka w zależności od stężenia tlenu w mieszaninie po zapaleniu albo gaśnie, albo pali się własnym płomieniem do końca.

Oznaczanie temperatury zapalenia

Metoda polega na ogrzaniu próbki badanego tworzywa do temperatury o 100 niższej od spodziewanej temperatury jego rozkładu oraz na próbie zapalenia gazów, które się z niej wydzieliły. Temperaturą zapalenia jest najniższa temperatura, w której nad wylotem palnika można zaobserwować płomień nie znikający co najmniej przez 5 s. Metodę stosuje się do wszystkich rodzajów tworzyw sztucznych.

Pomiary wykonuje się w ten sposób, że ogrzewa się próbki w probówkach przykrytych, zapalając wydzielające się gazy. Za wynik przyjmuje się średnią temperaturę z co najmniej trzech oznaczeń.

Badanie zapalności tworzyw sztucznych w postaci beleczek

Badanie polega na ogrzewaniu płomieniem palnika gazowego w ciągu 60 s swobodnego końca beleczki z badanego tworzywa zamocowanej poziomo w uchwycie i na określeniu długości spalonej części i czasu palenia. Do badania potrzeba co naj­mniej 5 próbek. Należy nanieść na nie linie na całej szerokości, prostopadle do podłużnej osi próbki w odległości 80 mm od końca przewidzianego do spalenia. Oznaczenie wykonuje się w ten sposób, że z chwilą zetknięcia się płomienia z próbką włącza się sekundomierz. Po 60 s ogrzewania usuwa się palnik i jednocześnie ponownie włącza sekundomierz, mierząc czas, w którym próbka dalej się pali. Gdy płomień dosięga znaku, wówczas płomień się gasi. Należy zmie­rzyć najmniejszą odległość między znakiem i zwęglonym brzegiem po obu szerokich stronach próbki. Długość spalonej części próbki wyraża się w mm i oblicza średni czas palenia.

Badanie odporności tworzyw na żarzenie

Polega na pomiarze długości spalonej części próbki i czasu jej spalania wskutek zetknięcia z karborundowym prętem rozżarzonym do 955oC.

Pomiary wykonuje się w aparacie Schrama-Żebrowskiego

Pomiar w aparacie Schrama-Żebrowskiego

Zasadniczymi elementami przyrządu są rozgrzewany prądem odizolowany pręt oraz urządzenie umożliwiające zetknięcie się pręta z próbką, aż do jej spalenia na długość 5 mm; oba elementy są umieszczone w komorze zabezpieczającej od przeciągu.

Do wykonania pomiarów używa się ponadto sekundomierza, suwmiarki i urządzenia do kontrolowania temperatury pręta.

Podczas oznaczania, gdy żarzący się pręt styka się z badana próbką, włącza się sekundomierz. Po upływie 180 s od chwili zetknięcia odchyla się pręt i mierzy czas palenia próbki. Jeżeli płomień osiągnie znak na próbce lub gdy próbka zgaśnie, oznaczenie należy przerwać - nie wcześniej jednak niż w ciągu 30 s.

Po zakończeniu badania mierzy się odległość między znakiem kontrolnym a zwęglona powierzchnią próbki na obydwu jej powierzchniach (10 mm). Jako wynik oznaczenia przyjmuje się czas palenia 5 próbek.

Własności fizykochemiczne

Lepkość - to miara tarcia wewnętrznego, charakteryzująca opór cieczy wobec płynięcia. Wynika z oporów stawianych przez cząsteczki cieczy.

¨

Do badania lepkości stosowane są różne metody pomiaru w zależności od przedmiotu badania np..:

Kubek Forda

Wiskozymetry

Kubek wypływowy Forda

Do praktycznej oceny wielu produktów ciekłych można stosować pomiar czasu wypływu przez znormalizowaną dyszę. Jest to metoda umowna, stosowana do charakteryzowania wyrobów lakierniczych oraz ciekłych polimerów i niektórych półproduktów.

Wykonanie pomiaru. Kubek stabilnie umieszcza się w statywie. Zatykając otwór kubka palcem, napełnia się go badaną cieczą, uprzednio przesączoną przez sito. W odległości 100 mm pod kubkiem umieszcza się odpowiednie naczynie. Palec usuwa się, włączając równocześnie czasomierz. Czas wypływu odpowiada pierwszemu przerwaniu strumienia wypływającego z kubka. Pomiar wymaga przynajmniej trzykrotnego powtórzenia.

W metodzie tej otrzymuje się wyniki wyrażone w sekundach, a więc przeliczać na lepkość kinematyczną.

Lepkość kinematyczna -to stosunek lepkości dynamicznej do gęstości cieczy

Wiskozymetr Hőpplera - stosuje się do pomiarów lepkości dynamicznej metodą umowną. Zasada polega na zmierzeniu czasu spadku kuli w ściśle skalibrowanej rurce szklanej napełnionej badaną cieczą. Przeźroczysty płaszcz termostatujący umożliwia obserwację spadającej kulki. Każda kulka ma fabrycznie oznaczoną gęstość i stałą K, potrzebne do obliczania lepkości dynamicznej. Na początku pomiaru kulka znajduje się na dole rurki. Przez obrót całym cylindrem umieszcza się kulkę na górnym końcu rurki. Gdy kulka zacznie opadać mierzy się czas przebycia drogi 100 mm, naznaczonej kreskami na rurce pomiarowej.

Wiskozymetr Oswalda to najprostszy wiskozymetr kapilarny charakteryzujący zawsze objętość i średnicę kapilary. Sekundomierzem określa się czas przepływu cieczy przez wiskozymetr (czas, w którym menisk mija kolejno obie kreski pomiarowe). Podciągając ciecz z powrotem pomiar można powtórzyć kilkakrotnie. Identycznie postępuje się z cieczą odniesienia, tj. w przypadku roztworów z rozpuszczalnikiem.

Reowiskozymetr. Pomiar polega na mierzeniu szybkości zagłębiania w badaną ciecz kulki połączonej prętem z dźwignią obciążoną znanym ciężarkiem. Hydrostatyczny wypór cieczy, działający na kulkę, kompensuje się przesuwanym ciężarkiem.

Wiskozymetr rotacyjny. Pomiar tym wiskozymetrem polega 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.

Pomiary konsystometryczne

Wiele półproduktów oraz niektóre produkty gotowe wykazują właściwości plastyczne, których nie da się scharakteryzować za pomocą pomiarów lepkości. Składają się na nie nakładające się wzajemnie właściwości, jak lepkość, odkształcenia w czasie, moduł odkształcenia, sprężystość. Zespół powyższych właściwości ujmuje się łącznie, przeprowadzając pomiar za pomocą konsystometrów.

Konsystometr Hőpplera składa się z termostatu, w którym w specjalnym naczyniu umieszcza się badaną próbkę, wgłębnika połączonego ramieniem z dźwignią obciążającą i czujnika rejestrującego ruchy wgłębnika.

Właściwości optyczne

Pomiar współczynnika załamania światła refraktometrem Abbego

Wykonanie pomiaru. Do wykonania pomiaru potrzebna jest ciecz imersyjna. Pryzmat oświetlający refraktometr odchyla się do pozycji pionowej, na pryzmat pomiarowy nanosi kroplę cieczy imersyjnej i przykleja do niej badaną próbkę gładką powierzchnią w ten sposób, żeby druga powierzchnia, prostopadła do powierzchni pryzmatu, była skierowana w stronę źródła światła. Źródło światła powinno być tak skierowane na pryzmat, aby wiązka promieni biegła równolegle wzdłuż pryzmatu pomiarowego. Przez obrót śrubą pomiarową znajduje się w polu widzenia okularu granicę cienia, którą naprowadza się na skrzyżowane nitki. W razie nieostrej lub wielobarwnej granicy cienia można dyspersję zmniejszyć przez obrót kompensatora. Wyniki odczytuje się wprost.

---