Как испытывают полимеры

Полимеры – это вещества, состоящие из длинных цепей или макромолекул, которые образуются путем полимеризации или связывания множества мономеров.

Макромолекулы можно классифицировать по их структуре, свойствам и методу получения. Они могут быть органическими или неорганическими, натуральными или синтетическими. Натуральные виды встречаются в природе, в то время как синтетические – получают из нефти за счет выполнения последовательных химических реакций. Примеры цепных молекул: крахмал, целлюлоза, вискозное волокно, полиэтилен, полипропилен, капрон, разные виды каучука и другие.

Высокомолекулярные соединения широко используются в различных областях науки и промышленности. Так в медицине часто используются изделия из полимеров, например, шприцы, контейнеры для плазмы или крови, бахилы, контактные линзы, искусственные органы и др. В автомобилестроении полипропилен служит строительным материалом при создании элементов двигателя, приборной панели, бамперов и защитных чехлов и т.п. Для улучшения качества строительных материалов пластик добавляется в смеси бетона. Провода и кабели для электронных устройств также сделаны на основе таких соединений. Нельзя обойти стороной пластиковую и резиновую промышленность, где цепные молекулы играют первостепенную роль.

Польза полимеров в разных сферах применения определена различными свойствами:

1. Высокая прочность и жесткость, что делает их очень устойчивыми к механическому воздействию.
2. Эластичность материала способствуют легкой обработке и формированию в различные конструкции и формы.
3. Устойчивость к химическим воздействиям.
4. Прозрачность и возможность окрашивания в разные цвета.
5. Хорошая электрическая изоляция.
6. Высокая термическая стабильность и способность выдерживать высокие температуры без потери своих свойств.
7. Устойчивостью к ультрафиолетовому излучению, что делает их подходящими для применения на открытом воздухе.

Чтобы определить эти многочисленные свойства и характеристики, полимеры испытывают с помощью различных методов и техник. Эти методы помогают инженерам и ученым лучше понять свойства и поведение макромолекул в различных ситуациях и условиях, что позволяет разрабатывать новые материалы и улучшать существующие. Основные методы включают в себя: механические испытания, испытания на твердость, испытания на прочность при ударе, тепловые испытания, электрические испытания, оптические испытания, физические испытания, реологические испытания, а также испытания на воспламеняемость.

Механические испытания – необходимая часть процесса разработки и производства высокомолекулярного продукта, обеспечивающей безопасность и надежность его использования.

• «Прочность, деформация и модуль упругости при растяжении ISO R527»: Прототип изделия расширяют и прописывают приложенную к нему силу. Затем строят график зависимости силы для движения энергии от деформации и анализируют результаты испытаний для определения характеристик материала и его поведения при нагрузке. Это помогает конструкторам предсказать, как изделие будет вести себя в условиях использования и принять необходимые меры для улучшения его характеристик.
• «Прочность и модуль упругости при изгибе ISO 178»: Свободно расположенная балка подвергается нагрузке и сгибается по середине, что создает трехточечную нагрузку. Модуль разрыва – показатель материала, который отражает его способность противостоять изгибу.
• «Испытания на износостойкость ISO 3537»: Экземпляр закрепляется на плоскость, вращающуюся со скоростью в один цикл в секунду. Под действием тяжести, силы прислоняют абразивный круг к пластиковому изделию.

Испытания на твердость – обязательный этап проверки полимерных материалов, обладающих высокой прочностью и жесткостью, который подтверждает устойчивость к механическому воздействию.

• «Твердость по Бринеллю ISO 2039-1»: Стандартный тест, применяемый в индустрии для определения твердости пластиков. Они могут быть использованы для контроля качества сырья, производства изделий из пластика и в конечном счете, гарантии безопасности и долговечности пластиковых изделий. Металлический шар маленького диаметра вдавливают в модель изделия, после чего замеряют его глубину.
• «Твердость по Роквеллу ISO 2039-2»: Процедура испытания твердости включает в себя вдавливание стального индентора в наружную сторону испытуемого пластика. Глубина отпечатка измеряется с помощью специального прибора или микроскопа. Затем результаты измерений сравниваются с эталонными значениями, чтобы определить твердость пластика. Результат оценивается по числовой шкале, где более высокие значения указывают на более твердый материал. Например, значение 70HRC означает, что материал очень твердый, а значение 30HRC указывает на мягкий вид пластика.
• «Твердость по Шору ISO 868»: Металлический стержень проникает в прототип изделия, после чего проводят замер. Результат также оценивается с помощью числовой шкалы, но в этом случае более высокие значения соответствуют более мягкому материалу. Например, значение 50Hs указывает на мягкий пластик, тогда как значение 90Hs указывает на более твердый материал. Такая проверка твердости позволяет определить механические свойства пластиков и их способность сопротивляться деформации под нагрузкой.

Испытания на прочность при ударе образцы полимеров подвергаются ударам, чтобы определить их ударопрочность и способность поглощать энергию при различных условиях.

• «Ударная прочность по Изоду ISO 180»: Пластиковую модель удерживают вертикально с помощью специального прибора – ударный копер. Ударная вязкость (прочность) – это количество энергии, способная разрушить соединения, разделенное на площадь сечения, перпендикулярного оси объекта.
• «Ударная прочность по Шарпи ISO 179»: Метод схож с предыдущим, но его основная разница заключается в установке материала: протопит не удерживают с помощью зажимов, а горизонтально размещают на платформу в свободном положении.

Во время тепловых испытаний изделия из макромолекул подвергаются высоким температурам для проверки их стойкости к теплу и способности сохранять свои свойства при повышенных температурах.

• «Теплостойкость по Вика ISO 306»: При особой нагрузке изогнутую иглу вставляют в полимерное изделие, после чего температура равномерно повышается.
• «Деформационная теплостойкость и деформационная теплостойкость под нагрузкой ISO 75» Прототипы пластиковых изделий, которые используются при проверке, могут быть отпущенными и неотпущенными. Отпуск – нагревание изделия до высоких температур, а после остужения до комнатного уровня. Отпуск помогает снижать и удалять внутреннее напряжение изделия, которое могло возникнуть при неправильно выполненной полимеризации.
• «Вдавливание шарика EC335-1»: Горизонтально расположенное изделие располагают в камере с высокой температурой и вдавливают в него стальной шарик небольших размеров. После изделие охлаждают и замеряют полученный отпечаток.
• «Теплопроводность ASTM C 177»: Крупногабаритные пластины с расположенными на них теплоотводящими элементами ставят на противоположные стороны нагревательного аппарата. После измерения проводимости тепла делают выводы о теплопроводимости пластика.
• «Относительный теплопроводный индекс, RTI UL 746B»: Образец размещается в печи, где его держат при экстремальных температурах. После замеряется индекс – это показатель, демонстрирующий наибольший градус, при котором изделие может эксплуатироваться.
• «Коэффициент линейного теплового расширения ASTM D696, DIN 53752»: Данный коэффициент используют для оценки габаритов изделия после повышения температуры. Этот процесс особенно необходим для полимерных деталей, выполненных с помощью метода литья пластмасс под давлением.

Электрические испытания необходимы для определения способности полимеров проводить электрический ток.

• «Электрическая прочность диэлектрика IEC 243-1»: Показатель демонстрирует прочность полимерных материалов к электрическому току.
• «Поверхностное удельное сопротивление IEC 93 (ASTM D257)»: Сопротивление изделия току. Оно определяется следующим методом: ток проходит над поверхностью пластика под напряжением, при наличии другого проводника.
• «Объемное удельное сопротивление IEC 93 (ASTM D257)»: Показатель, наглядно демонстрирующий сопротивление электричеству, когда электрическое напряжение прикладывается к полярным граням.
• «Относительная диэлектрическая постоянная IEC 250»: В вакууме не наблюдаются потери энергии из-за движения диполей частиц. В материалах, не имеющих разрывов, таких как пластик, движение диполей – существенный фактор, где мерой служит диэлектрическая константа.
• «Коэффициент рассеяния IEC 250»: Низкий коэффициент рассеивания является важным качеством изолятора из пластика для применения в устройствах с высокими частотами, например в радиолокационных системах и компонентах, работающих с использованием сверхвысокочастотного излучения. Материалы с меньшими значениями имеют лучшие диэлектрические свойства. Высокая способность тела рассеивать падающее на него излучение играет важную роль в продуктивности работы сварки. Значения диэлектрической константы и коэффициента устанавливают на одном техническом средстве.
• «Дугостойкость ASTM D495»: Дугостойкость — временная величина, необходимая для образования пропускной способности панелей с изоляционными свойствами и дуге с низкими амперными характеристиками.
• «Сравнительный индекс трекинга (Сравнительный индекс пробоя) IEC 112»: Индекс трекинга – показатель изолятора сопротивляться разрушению под действием электричества.
• «Испытания CTI»: Две пластины из платины с определенными размерами с помощью кромок округлой формы опираются на прототип модели.
• «Испытания CTI-M»: Метод аналогичен предыдущему, за исключением использования более концентрированного увлажняющего агента.

Оптические испытания отвечают за проверку основных свойств полимеров: преломление, отражение и поглощение света, прозрачность и др.

• «Мутность и светопропускание ASTM D1003»: Изделие размещают в направлении светового пучка так, чтобы одна часть света проникала через модель, а вторая часть не сталкивалась с преградами. Оба луча пролетают через сферическую область, оснащенную фотодетектором.
• «Глянец DIN 67530»: Глянцевое отражение связано со свойством отражать свет в зеркальном направлении. Такой показатель измеряется с помощью глоссметра. Фотодетектор прибора измеряет количество и угол отраженного света.
• «Коэффициент преломления DIN 53491»: Сквозь прозрачный макет изделия пропускается луч света. Показатель преломления вычисляется путем деления синуса угла падения на синус угла преломления.

Физические испытания проводятся с целью получения информации об эластичности, плотности и водопроницаемости материалов.

• «Плотность ISO 1183»: Для измерения плотности полимеров в виде мелких частиц используется прибор пикнометр. Титриметрический анализ применим для пластиков имеющих определенную форму.
• «Водопоглощение ISO 62»:  Чтобы определить способность полимера поглощать воду, изделие окунают в жидкость с определенной температурой на необходимое время, после чего проводится анализ результатов.

Реологические испытания используются для контроля полимерного изделия на набухание и усадку.

• «Усадка при формовании ISO 2577»: Усадка полимеров происходит в процессе их формования и выражена в отношении размера формы к детали, выполненной в такой форме.
• «Скорость течения расплава»: Метод заключается в установке поршня в расплавленный полимер для замера вытекшего материала. Результат представлен как отношение вытекшего материала к десяти минутам.
• «Вязкость расплава DIN 54811»: Вязкость расплава определяют с помощью капиллярного вискозиметра. Из-за разности давлений полимер вытекает через капилляр определенного сечения и длины.

Полимеры подвергаются испытаниям на воспламеняемость, чтобы определить их способность гореть, самозатухать и быть устойчивым к огню.

• «Воспламеняемость по стандарту CSA»: Метод рассчитан на определение времени затухания пламени. Полимер проходит испытание, его гаснет менее чем за 30 секунд.
• «Индекс воспламеняемости при ограниченном содержании кислорода ISO 4589»: Индекс – минимальное количество кислорода, необходимое для поддержания пламени на высокомолекулярном материале. Во время горения происходит замер уровня воспламеняемости образца при определенных условиях.
• «Испытания раскаленной проволокой IEC 695-2-1»: Проведение испытаний с использованием раскаленной проволоки позволяет имитировать тепловые нагрузки, которые могут возникнуть в результате нагрева или возгорания, например, перегретыми резисторами или разогретыми элементами. Метод заключается во вхождении раскаленной проволоки в модель полимера, далее проводится замер времени затухания возгорания.
• «Испытания игольчатым пламенем IEC 695-2-2»: Для предотвращения возгорания при неисправности систем проводят испытания, для того, чтобы сымитировать воздействие небольших пламенных факелов. Под макет изделия, испытываемого пламенем, кладут тлеющую бумагу. После проводят замеры.

Для проверки разнообразных свойств полимеров используют различные испытания. Это необходимый этап в процессе производства изделий, обеспечивающей безопасность и надежность их использования.