Metody oznaczania parametrów fizykomechanicznych polimerów

Jedną z częstszych analiz wykonywanych w laboratorium jest badanie samej twardości tworzyw. W trakcie tego procesu badany jest opór jaki stawia materiał, poprzez wciskanie w jego powierzchnię pionowo odpowiedniego wgłębnika. Stosowane naciski są tak wielkie, aby powstało odkształcenie trwałe. Jako wgłębniki wykorzystuje się tu elementy o znormalizowanych kształtach, np. kulki, stożki lub piramidki. Twardością wg Shore’a w skali A i D (PN-EN ISO 868) oznacza się opór, jaki tworzywo stawia elementowi penetrującemu w postaci ściętego stożka (skala A) lub stożka o zaokrąglonej powierzchni elementu wgłębiającemu się w powierzchnię tworzywa.

Dla materiałów o umiarkowanej twardości stosuje się typ A, w którym wgłębnik jest zakończony tępym stożkiem. Dla układów o dużej twardości (typ D) stosowany wgłębnik jest na końcu zaostrzony. Wynik jest podawany w stopniach Shore’a A lub D. Oznaczanie twardości według Shore’a wykorzystuje się do badania tworzyw miękkich (skala A) lub elastomerów (skala D). Analiza ta, jak widać, nie należy do zbyt skomplikowanych. 

W ocenie wielu cech materiałów polimerowych ważną rolę odgrywają temperatury umowne: ugięcia wg Martensa lub odporność cieplna wg Vicata, zapalność, temperatura zapalenia, odporność na żarzenie itp. Oznaczanie tych właściwości jest niezmiernie ważne jako istotny parametr bezpieczeństwa przy wielu zastosowaniach, szczególnie w wyrobach używanych jako elementy wyposażenia budownictwa, części konstrukcyjne maszyn, a nawet materiały do wyrobu zabawek. Ważna jest wytrzymałość na długotrwałe ogrzewanie lub, inaczej mówiąc, dopuszczalna temperatura długotrwałego ogrzewania i eksploatacji. 

Większość badań tego rodzaju polega na tym, że oznacza się temperaturę, w której pod wpływem standardowego obciążenia występują założone z góry odkształcenia. Na tej zasadzie oznacza się odporność cieplną tworzyw (najczęściej termoutwardzalnych) metodą Martensa oraz tworzyw termoplastycznych metodą Vicata, zwaną temperaturą mięknienia. 

Metoda Vicata polega na określeniu temperatury, w której znormalizowana tępa igła stalowa o określonej powierzchni przekroju, pod działaniem danego obciążenia zagłębi się w powierzchnię próbki na 1 milimetr przy równomiernym wzroście temperatury. Temperaturę w stopniach Celsjusza, w której igła zagłębi się na 1 milimetr, podaje się jako temperaturę mięknienia wg Vicata (VST). Opisuje to norma PN-EN ISO 306.

Przedstawione powyżej metody badań służyły określeniu właściwości mechanicznych i cieplnych. Podstawową analizą właściwości przetwórczych tworzywa jest z kolei badanie wskaźnika płynięcia tworzyw sztucznych (MFR). Jest ono najczęściej stosowane w celu ustalenia, jak polimer będzie się przetwarzać - czy tworzywo będzie się nadawać do wtrysku, czy raczej na wytłaczanie rur, folii, płyt etc. Pomiarów dokonuje się pod różnymi obciążeniami i można je przeprowadzić na granulacie, proszku czy też pociętych kawałkach gotowego wyrobu. Wskaźnik płynięcia tworzyw sztucznych określany jest liczbą wyrażającą ilość tworzywa termoplastycznego przepływającego przez dyszę kołową o ustalonych wymiarach w ciągu pewnego czasu, pod danym ciśnieniem oraz w danej temperaturze. 

Wyróżnia się masowy (MFR) i objętościowy (MVR) wskaźnik szybkości płynięcia. Oznaczanie objętościowego wskaźnika szybkości płynięcia jest przydatne w przypadku porównywania tworzyw termoplastycznych z napełniaczami i bez napełniaczy. Badanie wykonuje się zgodnie z normą PN-EN ISO 1133. Bardzo często przy tej metodzie wykonywane jest badanie gęstości z wytłoczki pochodzącej z MFR. Gęstość to jedna z podstawowych właściwości fizycznych charakteryzujących tworzywa sztuczne i różne gęstości się określa. Definiuje się ją jako stosunek masy próbki tworzywa do jej objętości w danej temperaturze. 

Ponieważ tworzywa sztuczne to układy wieloskładnikowe, o ich gęstości decyduje nie tylko główny składnik (polimer), lecz również rodzaj i zawartość składników pomocniczych (przede wszystkim napełniaczy). Tworzywa rozdrobnione w postaci proszku i granulatu stanowią znaczną część w procesach produkcji i przetwórstwa. Oznaczenie gęstości materiału sypkiego (proszku lub granulatu) przechodzącego przez lejek o danej konstrukcji określa się poprzez gęstość nasypową - PN-EN ISO 60, porowate tworzywa sztuczne i gumy określa gęstość pozorna - PN-EN ISO 845, a nieporowate tworzywa sztuczne gęstość rzeczywista zgodna z PN-EN ISO 1183.

Coraz częściej pojawia się problem określenia złożonych cech strukturalnych materiału lub morfologii wytworzonej mieszaniny i nie można szybko znaleźć właściwego rozwiązania. I nawet jeśli już zostanie ono opracowane, to kolejnym kłopotem jest interpretacja uzyskanych wyników. Aby określić cechy danego materiału, często trzeba sięgać po cały szereg oznaczeń i dopiero całościowa analiza zebranych danych pozwala ocenić badany materiał. 

Ciągły rozwój i postęp nauki powoduje powstawanie coraz lepszych tworzyw. Wszystko to wymaga jednak nieustannego głębszego poznawania właściwości i struktury polimerów, a to z kolei generuje nowe, udoskonalane metody badawcze. Poznanie właściwości i struktury tworzonych materiałów pozwala na zrozumienie ich cech i wymagań, co umożliwia optymalne przetwarzanie i wykorzystanie tworzyw. Charakterystyka właściwości materiałów polimerowych to kluczowy element w procesie rozwoju technologii materiałowych stosowanych w produkcji tworzyw sztucznych. Badania obejmują również proces kontroli jakości oraz wyznaczenie właściwości użytkowych gotowego produktu z istniejących tworzyw. 

Marta Lenartowicz-Klik

Marta Lenartowicz-Klik jest pracownikiem naukowym Sieci Badawczej Łukasiewicz - Instytutu Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników, który jest członkiem Sieci od 2019 r. Sieć Badawcza Łukasiewicz to trzecia pod względem wielkości sieć badawcza w Europie. Dostarcza kompletne i konkurencyjne rozwiązania technologiczne. Oferuje biznesowi unikalny system ''rzucania wyzwań'', dzięki któremu grupa 4,5 tys. naukowców w nie więcej niż 15 dni roboczych przyjmuje wyzwanie biznesowe i proponuje opracowanie skutecznego rozwiązania. Przedsiębiorca, który nie ponosi żadnych kosztów związanych z opracowaniem pomysłu na prace badawcze, może zdecydować się na kontakt nie tylko przez formularz na stronie Sieci, ale także w ponad 50 lokalizacjach: Instytutach Łukasiewicza i ich oddziałach w całej Polsce.

Czytaj więcej:
Polimery 136
Badania 187

Reportaże

Forum