METODY BADAŃ TWORZYW SZTUCZNYCH
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 nazywa się stosunek masy próbki do jej objętości w danej temperaturze, czyli jest to
masa (w gramach) 1 cm
3
danej substancji.
,
[g/cm
3
] ,
gdzie: m – masa [g] , V – objętość [cm
3
] .
Ciężar właściwy
,
[N/cm
3
] ,
gdzie: P – ciężar [N] (1 N = 0,102 kG) , V – objętość [cm
3
] .
Oznaczanie gęstości ciał stałych o kształtach regularnych.
Oznaczenie polega na dokładnym zmierzeniu wymiarów próbki (np. suwmiarką, śrubą
mikrometryczną) i późniejszym jej zważeniu na wadze laboratoryjnej z dokładnością do 0,001 g.
Następnie z wzoru oblicza się gęstość.
Oznaczanie gęstości ciał stałych o zwartych kształtach nieregularnych.
Oznaczenie gęstości przeprowadza się za pomocą wagi hydrostatycznej. Metoda ta nadaje się
przede wszystkim do próbek o zwartym kształcie.
Wagi hydrostatyczne: a) typowa waga hydrostatyczna, b) waga laboratoryjna dostosowana do
pomiarów hydrostatycznych
Oznaczenie gęstości próbek o nieregularnych kształtach (próbki wydłużone, profile, zwitki,
nici, żyłki, granulaty itp.) wykonuje się za pomocą w cylindrze miarowym (do określenia
objętości próbki:
V = V
2
– V
2
,
gdzie V
1
– objętość odczytana przed umieszczeniem próbki w cylindrze, V
2
– objętość odczytana po
umieszczeniem próbki w cylindrze.
Oznaczenie gęstości ciał sypkich (rozdrobnionych)
- za pomocą kolby La Chateliera
Metodę tę stosuje się do badania materiałów mineralnych. W odniesieniu do tworzyw
sztucznych można ją wykorzystać do badania tłoczyw i napełniaczy.
Kolba La Chateliera
Oznaczenie gęstości (większych od 1 g/cm
3
) za pomocą piknometru
Według normy (PN-92/C-89035: Tworzywa sztuczne. Metody oznaczania gęstości i gęstości
względnej tworzyw nieporowatych), przewiduje się stosowanie metody piknometrycznej do
badania tworzyw, których gęstości nie można oznaczyć innymi metodami ze względu na małe
wymiary próbek.
(m
2
–m
1
)
c
] / [(m
2
–m
1
) – (m
4
-m
3
)] , g/cm
3
gdzie: m
1
– masa piknometru, m
2
– masa piknometru z cieczą, m
3
– masa piknometru z próbką,
m
4
– masa piknometru z próbką i cieczą,
c
– gęstość cieczy.
Typowe piknometry
Oznaczenie gęstości za pomocą kolumny gradientowej
Kolumny gradientowe są to kolumny (szklane cylindryczne naczynia laboratoryjne) napełnione
cieczami, których gęstości wzrastają jednolicie (w sposób ciągły) od wartości największej (u
dołu kolumny) do wartości najmniejszej (u góry kolumny). Stosowane ciecze mogą zmieniać
swoją gęstość od 0,79 do 2,89 a nawet do 3,33 g/ml.
Do wykonania pomiarów potrzebny jest komplet szklanych pływaków wzorcowych o średnicy
poniżej 5 mm. Metoda ta jest dogodna do seryjnych, a nie pojedynczych pomiarów. Zaletą
kolumny gradientowej jest duża dokładność do 0,001 g/cm3 i to, że wymaga małych próbek (np.
pojedynczego ziarna granulatu lub niewielkich ścinków - skrawków materiału).
Oznaczenie gęstości cieczy
- za pomocą piknometru
(m
2
–m
1
)
c
] / V , g/cm
3
gdzie: m
1
– masa piknometru, m
2
– masa piknometru z cieczą, V– objętość nominalna pinometru
zaznaczona na jego ściance, cm
3
.
- za pomocą aerometru
Typowe aerometry
Oznaczenie gęstości cieczy za pomocą wagi Westphala-Mohra
Zasada działania wagi Westphala-Mohra opiera się na prawie Archimedesa. Pomiar sprowadza
się do zrównoważenia za pomocą odważników wyporu znormalizowanego pływaka zanurzonego
w badanej cieczy.
Oznaczenie gęstości pozornej tłoczyw (o postaci proszku, granulek i innych o dużym
rozdrobnieniu)
Gęstość pozorna jest to masa jednostki objętości danego materiału określona wzorem:
m / V
c
, g/cm
3
gdzie: m – masa próbki, V
c
– całkowita objętość próbki, cm
3
(w praktyce często w kg/m
3
).
Przyrząd do oznaczania gęstości pozornej tłoczyw:
a) zestaw do badania tłoczyw, które można przesypać przez lejek
b) przyrząd do badania tłoczyw, których nie można przesypać przez lejek
1 – lejek, 2 – cylinder miarowy, 3 – statyw, 4 – obciążnik, 5 – cylinder miarowy
Wilgotność
Przez wilgotność rozumiemy zawartość wody w danym materiale. Wyraża się w procentach
wagowych lub objętościowych.
Większość tworzyw charakteryzuje się małą 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: m
1
- masa próbki wilgotnej, m
2
- 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.
Chłonność wody (nasiąkliwość)
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, m
1
- masa próbki po wysuszeniu, m
2
- masa próbki po wyjęciu z
wody
Cechy wytrzymałościowe badane podczas próby 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
l
x
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 , A
0
- 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 A
0
- powierzchnia początkowego przekroju
poprzecznego odcinka pomiarowego
Wytrzymałość na rozciąganie jest więc maksymalnym naprężeniem jakie materiał przenosi
podczas krótkotrwałego rozciągania statycznego.
Najpełniejszą charakterystyką zachowania się tworzywa poddanego rozciąganiu jest tzw. wykres
rozciągania, który umożliwia prześledzenie współzależności pomiędzy odkształceniem i
naprężeniem w czasie całego badania. Zwykle rozpatruje się zależność:
W tworzywie poddanym rozciąganiu naprężenia
wzrastają początkowo proporcjonalnie do
odkształceń
, zgodnie z prawem Hooke’a, czemu odpowiada początkowy odcinek 0-1 na
wykresie, gdzie naprężenia są liniową funkcją odkształceń:
Współczynnik kierunkowy tej prostej E , czyli tangens kąta, pod którym prostoliniowy odcinek
wykresu funkcji nachylony jest do osi odciętych
, nosi nazwę modułu sprężystości wzdłużnej
lub modułui Young’a.
Maszyny wytrzymałościowe: a - firmy Zwick, b - firmy Instron, c - firmy Shimadzu
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 4 mm.
Twardościomierz Brinella
Pomiar twardości ręcznym twardościomierzem Shore’a
Wgłębnik : typu D lub typu A (ścięty)
Aparat do oznaczania miękkości gum
Porównanie twardości
o
Sh ze stopniami miękkości
Ścieralność tworzyw sztucznych
Zużyciem ściernym nazywa się ubytek masy (grubości, objętości) tworzywa podczas tarcia z
określonym przeciwelementem i w określonych warunkach tarcia (prędkość względna, nacisk,
temperatura, drgania itp.) w wyniku odrywania cząstek tworzywa na skutek oddziaływania
mikronie równości powierzchni przeciwelementu lub/i twardych cząstek obcego materiału
(trzecie ciało).
Zużycie właściwe (intensywność zużywania) określa się z wzoru:
V = h / L = m / (
S L)
gdzie: h – ubytek grubości próbki, L – droga ścierania, m – ubytek masy próbki,
– gęstość próbki,
S – pole powierzchni ciernej.
- metoda Schoppera
Ścieralność oblicza się jako stratę objętości próbki na papierze ściernym :
V
(m
1
–m
2
)
0,2] / (
m
w
) ,
gdzie:
m
w
– średnia arytmetyczna straty masy trzech próbek z gumy wzorcowej [g] , m
1
– masa próbki
przed oznaczaniem [g] , m
1
– masa próbki po oznaczaniu [g],
- metoda Graselli
Wskaźnik ścieralności oblicza się wg wzoru:
K
SGr
(g
1
–g
2
) / (
t
.
M) , cm
3
/(kW
.
h)
gdzie: g
1
– łączna masa dwóch próbek po ścieraniu wstępnym, g
2
– łączna masa dwóch próbek po
zakończeniu ścierania,
– gęstość badanego tworzywa, t – czas badania [min], M – moc [W], którą
oblicza się z sił F równoważących dźwignię .
Dla użytkownika miarodajny jest wskaźnik ścieralności względnej K
SWGr
, obliczany z wzoru:
K
SWGr
K
SGrb
/ K
SGrw
)
.
100, [%]
gdzie: K
SGrb
– wskaźnik ścieralności gumy badanej, K
SGrw
– wskaźnik ścieralności wzorcowej.
