Plastomery a elastomery

Elastomery - są to związki wielkocząsteczkowe, które w temperaturze pokojowej przy małych naprężeniach wykazują duże odkształcenia elastyczne, odwracalne. Odwracalność odkształceń jest związana z budową elastomerów, ich długie łańcuchy są usieciowane i tworzą nieregularną strukturę. O własnościach sprężystych elastomerów decyduje długość łańcuchów, stopień ich zwinięcia oraz ilość wiązań poprzecznych między łańcuchami polimerowymi, przy czym zwiększenie ilości mostków, czyli wiązań poprzecznych zwiększa twardość oraz wytrzymałość natomiast zmniejsza elastyczność elastomeru. Temperatura zeszklenia elastomerów jest niższa od temperatury pokojowej. W zależności od podatności na proces wulkanizacji elastomery dzieli się na wulkanizujące i niewulkanizujące.

Plastomery - pod wpływem naprężenia wykazują małe odkształcenia nie przekraczające zwykle 1% a poddawane wzrastającemu obciążeniu odkształcają się plastycznie, aż do mechanicznego zniszczenia. Temperatura zeszklenia plastomerów jest wyższa od temperatury pokojowej. Do plastomerów zaliczane są termoplasty i duroplasty.

Twardość, własność ciał stałych polegająca na stawianiu oporu odkształceniom plastycznym przy lokalnym oddziaływaniu nacisku na ich powierzchni, wywieranego przez inne, twardsze ciało. Twardość jest cechą umowną, umożliwiającą porównywanie odporności na uszkodzenia powierzchni różnych materiałów. Powszechnie stosuje się kilka metod badania twardości.

Twardość tworzyw sztucznych zależy przede wszystkim od ich struktury i zwiększa się w miarę wzrostu masy cząsteczkowej oraz zwiększenia stopnia krystaliczności. Duże znaczenie mają warunki zewnętrzne. Podwyższenie temperatury powoduje zmniejszenie twardości tworzyw sztucznych termoplastycznych, natomiast pozostałe tworzywa wykazują w tych warunkach zwiększenie twardości. Wypełniacze, zwłaszcza o charakterze mineralnym, wpływają na podwyższenie twardości. Dodatek plastyfikatorów powoduje spadek twardości. Niektóre środowiska, jak np. rozpuszczalniki, wywołują również znaczne jej obniżenie. Dla określenia twardości tworzyw twardych stosuje się najczęściej metodę Brinella lub Rockwella (skala R i M), zaś dla tworzyw miękkich — metodę Shore'a. 

Metody oznaczania twardości tworzyw sztucznych dzieli się na dwie grupy w zależności od tego, czy badane tworzywo ma temperaturę zeszklenia (Tg) powyżej temperatury normalnej eksploatacji, czy też jest to tworzywo wysokosprężyste, dla którego Tg leży poniżej zakresu temperatury normalnej eksploatacji. Twardość obu grup tworzyw oznacza się innymi metodami, tak dalece różnymi, że metod przydatnych dla jednej grupy nie można stosować dla grupy drugiej. Różne metody pomiaru twardości są między sobą tylko w przybliżeniu porównywalne, dlatego przy podawaniu twardości należy zawsze podawać dodatkowe parametry badania, jak: temperaturę otoczenia, grubość próbki, czas nacisku itd. Do pomiaru twardości tworzyw stosuje się ogólnie znane metody: Brinella, Vickersa i Rockwella.

1. Metoda Brinella.

Twardość w tej metodzie jest definiowana jak przy badaniu twardości metali. Badanie polega na wciskaniu w tworzywo stalowej kulki. Po upływie pewnego czasu ustala się stan równowagi, w którym wzrastająca powierzchnia odcisku równoważy działanie wywierane przez wgłębiającą się kulkę. Twardość określa się ze wzoru: 

HB=P/F (N/m²)

gdzie:
P - zastosowane obciążenie (N), F - powierzchnia odcisku (m²).
Ten sposób pomiaru można stosować dla tworzyw, których powrót poodkształceniowy jest na tyle powolny, że można dokonać pomiaru powierzchni odcisku po zdjęciu obciążenia. Dla wielu tworzyw niemożliwe jest przyjęcie za podstawę obliczenia twardości średnicy odcisku, ze względu na zbyt szybki powrót poodkształceniowy, dlatego pomiar twardości prowadzi się, mierząc głębokość odcisku h przy trwającym obciążeniu za pomocą czujnika sprzężonego z wciskaną kulką. Twardość oblicza się, wykorzystując zależność głębokości i powierzchni odcisku:

HB=P/ΠDh (N/m²)

gdzie:
D - średnica kulki (m),
h - głębokość odcisku (m), 
P - obciążenie (N).
W metodzie tej wyniki są powtarzalne jedynie dla określonych głębokości odcisku. Przy małych głębokościach odcisków warstwa powierzchniowa może zniekształcić wynik, gdyż przy głębokościach -1/2 D opór stawiany przez tworzywo maleje. Pomiar twardości metodą Brinella stosuje się prawie do wszystkich rodzajów tworzyw sztucznych.

2. Metoda Vickersa.

Metodą tą przeprowadza się pomiary makro- i mikrotwardości. Wgłębnikiem w tej metodzie jest ostrosłup o kwadratowej podstawie i kącie dwu-ściennym 136°. Twardość liczy się ze wzoru:

HV=1,8544P/α²  (N/m²)

gdzie:
P - zastosowane obciążenie (N),
α - średnia arytmetyczna obu przekątnych odcisku (m).

Metoda ta ma ograniczone zastosowanie w badaniu twardości tworzyw sztucznych, ponieważ bardzo często obwódka odcisku przyjmuje kształt o bardzo ostrych narożach, co uniemożliwia dokładny pomiar przekątnych.

3. Metoda Rockwella.

W metodzie tej wciska się stalową kulkę w powierzchnię tworzywa, przy czym stosuje się obciążenie wstępne 98,07 N, zwiększane stopniowo do obciążenia właściwego. Następnie zmniejsza się obciążenie do obciążenia wstępnego i odczytuje wartość twardości jako pozostające po obciążeniu odkształcenie trwałe. W metodzie Rockwella istnieją cztery skale dla tworzyw sztucznych (tabela niżej), zależnych od średnicy zastosowanej kulki pomiarowej i wielkości obciążenia. Otrzymane wyniki w różnych skalach nie są wzajemnie przeliczalne.

Skala twardości Rockwella	Obciążenie wstępne (N)	Obciążenie główne (N)	Œśrednica wgłębnika (mm)
R L M E	98,07 98,07 98,07 98,07	588,4 588,4 980,7 980,7	12,7 +/- 0,015 6,35 +/- 0,015 6,35 +/- 0,015 3,175 +/- 0,015

4. Metoda Schoppera.

Metoda ta jest odmianą metody Brinella i służy do pomiaru twardości tworzyw gumopochodnych. Pomiar przeprowadza się kulką o średnicy 1 cm i obciążeniu 1kG, mierząc głębokość odcisku, nie usuwając obciążenia. Twardość oblicza się ze wzoru : 

H=1,05/Πh (N/m²)

gdzie:
h - głębokość odcisku.
Badanie wykonuje się aparatem Schoppera. Aparatem tym można mierzyć twardość materiałów, dla których głębokość odcisku kulki o średnicy 1 cm, pod obciążeniem 1 kG, nie wynosi więcej niż 2 mm. Próbki do pomiaru powinny mieć grubość co najmniej 6 mm. Œśrodek miejsca odcisku nie powinien znaleźć się bliżej niż 10 mm od krawędzi próbki. Aparat zeruje się po umieszczeniu próbki na stoliku aparatu pod wstępnym obciążeniem 50 G korpusem aparatu. Po włączeniu obciążenia 1kG na skali odczytuje się po 10s. Wyniki pomiarów metodą Schoppera podaje się w stopniach miękkości. Za jeden stopień miękkości przyjmuję się zagłębienie kulki o 0,01mm. Skala aparatu dopuszcza pomiary do 2mm wgłębienia, dlatego zakres miękkości wynosi od 0 stopni do 200 stopni. 

5. Metoda Shore'a

Twardość gumy definiowana jest jako łatwość, z jaką igła o specjalnym kształcie zagłębia się w próbkę gumy. Istnieje kilka skal twardości, które używane są zależnie od rodzaju badanej gumy. W większości przypadków stosowana jest skala twardości według Shore'a. Skala A według Shore'a używana jest do gum miękkich, natomiast skala D przeznaczona jest do gum i tworzyw twardych i bardzo twardych. "0" w skali A wg Shore'a oznacza materiał miękki jak woda, a "100" - twardy jak beton. Aparat mieszczący się w dłoni przyciska się podstawą do tworzywa. Tępy pręt wystający z podstawy wypychany odpowiednią sprężyną wgniata się w tworzywo, przy czym ustala się równowaga pomiędzy naciskiem sprężyny a reakcją tworzywa. Ponieważ pręt jest połączony odpowiednim mechanizmem ze wskazówką aparatu, w momencie równowagi wskazówka zatrzymuje się na odpowiednim zakresie skali, co umożliwia odczytanie twardości w stopniach Shore'a (°Sh). Skala aparatu obejmuje zakres 0-100°Sh, jest więc skalą umowną. Wszystkie tworzywa na tyle twarde, że pod naciskiem sprężynki aparatu nie wykazują wgłębienia pręta, a więc zarówno diament jaki i np. winidur (nieplastyfikowany PVC) wykazują na skali tego aparatu twardość 100°Sh.
Fabryczny typ aparatu Shore'a zbudowany jest na statywie. Zawsze jednakowy docisk próbki uzyskuje się przez podniesienie stolika za pomocą odpowiedniej dźwigni.
Do badań gumy jest zalecany aparat Shore'a zaopatrzony w iglicę o kącie stożkowym 35° lub iglicę o tych samych wymiarach, zakończoną zaokrągleniem o promieniu 0,1 mm, zamiast tępego wgłębnika. Komplikacje polegają na tym, że istnieją twardościomierze typu A do materiałów miękkich oraz typu C i D do twardych, zaś wyniki uzyskiwane z pomiarów prowadzonych przy użyciu różnych typów twardościomierzy nie są porównywalne.
Zagadnienie sprowadza się więc do stwierdzenia, że przy pomiarze twardości metodą Shore'a konieczne jest podawanie zawsze typu twardościomierza. Należy więc podawać, że tworzywo ma twardość np. 70°Sh A lub 80°Sh C, co oznacza 70°Sh przy użyciu twardościomierza typu A, lub 80°Sh stosując twardościomierz typu C. Jeżeli temperatura pomiaru jest różna od 20°C, podaje się ją w wyniku w sposób następujący: 70°Sh A/28°C lub 80°Sh C/25°C.

---