Badanie właściwości

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.

Gęstością d nazywamy stosunek masy próbki tworzywa do jej objętości w danej temperaturze, czyli jest to masa (w gramach) 1cm³ danej substancji

d = m / V

gdzie m - masa, V - objętość

Ciężar właściwy D wyznaczamy ze zworu

D = P / V

gdzie P = m*g - ciężar, g = przyśpieszenie ziemskie

Oznaczenie ciężaru właściwego sprowadza się do określenia ciężaru i objętości próbki badanego tworzywa. Oba te pomiary wykonuje się oddzielnie, stosując odrębne metody 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.

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 tworzyw termoplastycznych metodą wtrysku.

Metody oznaczania gęstości:

-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.

najczęściej spotykane metody oznaczeń gestości materiałów polimerowych:

1.  Pomiar objętości i masy - stosuje się do oznaczania gęstości tworzyw polimerowych uformowanych w postaci prętów, belek, rur (próbki o dowolnym, prawidłowym kształcie geometrycznym, o objętości nie mniejszej niż 1 cm³ i masie nie większej niż 180g).

2. Metoda hydrostatyczna - polega na porównaniu masy jednostkowych objętości próbki badanego tworzywa i cieczy o znanej gęstości (np. wody destylowanej) (próbki o kształcie dowolnym i masie 0.2 - 5 g). Do oznaczenia stosuje się wagę hydrostatyczną, ciecz immersyjną do zanurzania próbek, termometr, termostat.

3. Metoda piknometryczna - polega na obliczeniu stosunku masy próbki do jej objętości, czyli objętości cieczy immersyjnej o znanej gęstości wypartej przez próbkę. Metodę tę stosuje się do oznaczania gęstości tworzyw polimerowych w postaci proszków, granulek, płatków.

p_t = m p_i / (m₁ - m₂)

gdzie:

p_t - gęstość badanej próbki

m - masa próbki, g

m₁ - masa cieczy użytej do napełnienia piknometru, g

m₂ - masa cieczy do napełnia piknometru z próbką, g

p_i - gęstość cieczy immersyjnej, g/cm

4.  Metoda flotacyjna - polega na porównaniu gęstości próbki badanego tworzywa z gęstością cieczy immersyjnej w chwili przechodzenia próbki w stan zawieszenia. Istota metody jest sporządzenie kilku roztworów o różnych, znanych gęstościach a następnie zanurzenie badanej próbki w każdym z tych roztworów. Gęstość cieczy, z którą badane tworzywo jest w równowadze jest zarazem gęstością tworzywa.

Poniżej, w tabeli przedstawiono gęstość najważniejszych polimerów i tworzyw sztucznych:

Analizując gęstość poszczególnych polimerów można stwierdzić, iż w zasadzie nie zmienia się ona wraz ze zmianą stopnia polimeryzacji lub usieciowania. Tak więc, z tego samego polimeru można otrzymać wyroby o różnej wytrzymałości, nie różniące się gęstością. Dlatego też gęstość nie jest traktowana jako wskaźnik przydatności użytkowej wyrobów. W nielicznych przypadkach, gdy polimer występuje w kilku odmianach o bardzo podobnych właściwościach chemicznych i fizycznych, pomiar gęstości może być wykorzystany do identyfikacji odmiany polimeru, np. dla polietylenów czy poliamidów.

Przez wilgotność rozumiemy zawartość wody w danym materiale. Wyraża się w procentach wagowych lub objętościowych.
Większość tworzyw charakteryzuje się małą wilgotnością, wyjątkiem są poliamidy i ABS. 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 wskaźnika wilgotności wg wzoru

W = (m₁ - m₂) / m₂ *100%

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

W poniższej tabeli przedstawiono wartości pochłaniania wilgoci przez różne tworzywa polimerowe:

Chłonność wilgoci jest ważnym czynnikiem szczególnie wtedy, gdy istotne są parametry:

Tworzywa o bardzo małej chłonności wilgoci wykazują zdecydowanie lepszą stabilność wymiarową podczas pracy.

Próba rozciągania polega na jednoosiowym odkształceniu odpowiednio przygotowanych próbek i pomiarze powstających sił. Badanie takie jest jednym z podstawowych źródeł informacji o mechanicznych właściwościach tworzyw sztucznych. Wielkościami mierzonymi przy tej próbie są odkształcenie (wydłużenie) oraz siła odkształcająca. Wydłużenie bezwzględne (delta l) jest to różnica między końcową a początkową długością odcinka pomiarowego próbki:

Obraz

Wydłużenie względne jest to stosunek odkształcenia bezwzględnego do początkowej długości odcinka pomiarowego l₀:

Obraz

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

Obraz

gdzie: F - siła odkształcająca ; A₀ - powierzchnia początkowego przekroju poprzecznego

Schematycznie proces rozciągania próbki przedstawiono na poniższym rysunku:

Obraz

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.

Klasyczne stanowisko pomiarowe przedstawiono na poniższym rysunku:

Obraz

Wytrzymałość na rozciąganie oblicza się ze wzoru
 

Obraz

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.