О методах испытаний полимеров и выборе материала

Самостоятельный выбор полимера, обеспечивающий полное соответствие материала предполагаемым условиям эксплуатации, сложен. Кроме того что необходимо учесть множество воздействий как постоянных, так и кратковременных, необходимо учитывать и сочетание воздействий. Ведь один материал, обладающий отличными механическими показателями, может разрушиться при воздействии малейшей нагрузки в условиях контакта с каким-либо химическим веществом или неблагоприятной для пластика температурой, когда другой, изначально с относительными механическими характеристиками, способен выдержать эту же нагрузку в аналогичных условиях.

Для возможности сопоставления свойств различных пластиков производители полимерных заготовок проводят ряд испытаний. Обычно показатели вносятся в специальные таблицы, использование которых упрощает процесс выбора полимера. Однако стоит обратить внимание, что все эти показатели не являются максимальными или минимальными. Это средние показатели обычных испытаний произведенных в стандартных условиях и предназначены эти данные только для проецирования свойств материалов. Естественно, при изменении какого-либо условия данные испытаний могут быть совершенно отличными от заявленных производителем.

В любом случае необходимы индивидуальные испытания – только они могут подтвердить возможность применения выбранного Вами пластика. Для выбора одного материала производить индивидуальные испытания каждого вида полимера и его модификаций не целесообразно, поэтому сначала «отсеивают» полимеры не соответствующие условиям эксплуатации. «Отсев» как раз и производится на основе данных предоставляемых производителями полимерных заготовок. Далее остаются полимеры, эффективное применение которых возможно с высокой вероятностью. На этом этапе нужно быть предельно внимательным, т.к. методы или условия испытаний материалов разных производителей могут быть различными. Первый шаг на пути к выбору – сопоставление и сравнение показателей испытаний, произведенных производителем. Обычно для конструкционных и высокотемпературных полимеров испытания проводятся на:

Механические свойства

Температурные свойства

Электрические свойства

Химические свойства

Прочие свойства (физические, оптические и т.д.)

Но имея на руках данные на все материалы перед сравнением необходимо обратить внимание на методы, которые были использованы в процессе тестирования. Учитывая, что привычные нам российские ГОСТы не действуют по всему миру, а методы испытаний в разных странах зачастую отличаются, сравнение показателей тестов произведенных в соответствии с ГОСТ и каким-либо ISO, ASTM, EN DIN затруднено. И даже если процессы испытаний, оборудование и расчеты показателей по ГОСТ и ISO совпадают, то образцы или условия могут быть разными, следовательно, результаты испытаний не могут быть использованы для точного сравнения материалов. Наиболее часто применяемые стандарты для испытания пластиков: Международные методы испытаний полимерных материалов (ISO), Стандартные методы испытаний термопластичных материалов, применяемые в США (ASTM), Российские стандарты на методы испытаний пластмасс (ГОСТ). Рассмотрим несколько самых популярных методов испытаний, а также сопоставим некоторые из них с международными стандартами.

Водопоглощение (ГОСТ 4650-80). Сущность методов заключается в определении массы воды, поглощенной образцом в результате пребывания его в воде в течение установленного времени при определенной температуре. Стандарт соответствует ISO 62-80 и ASTM D570.

Воспламеняемость (ГОСТ 21207-81). Метод заключается в определении длины обуглившейся части образца и времени его горения в результате воздействия пламени газовой горелки в течение 60 секунд.

Горение (ГОСТ 28157-89). Сущность метода заключается в определении скорости распространения пламени по горизонально и/или вертикально закрепленному образцу. Общий принцип проведения испытаний аналогичен Стандарту UL 94 однако различные параметры испытаний.

Температура плавления (ГОСТ 21533-76). Сущность метода заключается в измерении температуры, при которой исчезает двойное лучепреломление от образца пластмассы, нагреваемого с регулируемой скоростью на предметном столике поляризационного микроскопа. Метод применяется для кристаллизующихся пластмасс. Стандарт соответствует международным стандартам ISO 3146-74 в части, касающейся метода ПОА и ISO 1218-75 метод А в части, касающейся метода ВА.

Растяжение (ГОСТ 11262-80). Метод основан на растяжении образца с установленной скоростью деформирования, при котором определяют такие показатели как: удлинение, предел текучести, кривую «нагрузка-удлинение», прочность при растяжении, прочность при разрыве, предел текучести при растяжении, относительное удлинение при разрыве, относительное удлинение при максимальной нагрузке, относительное удлинение при пределе текучести и др. Механические испытания на растяжение (напряжение, деформация, модуль упругости, предел текучести, предел прочности, разрушающая деформация, предел пропорциональности и др.) согласно международным стандартам определяются в соответствии с ISO 527 (DIN 53455, 53457, ASTM D 638M).

Сжатие (ГОСТ 4651-82). Метод основан на нагружении испытуемого образца сжимающей возрастающей нагрузкой при установленной скорости деформирования. При данном методе определяют следующие показатели: напряжение при сжатии, деформацию при сжатии, напряжение при сжатии при пределе текучести, разрушающее на напряжение при сжатии, коэффициент гибкости и др.

Статический изгиб (ГОСТ 4648-71). Сущность метода заключается в том, что образец для испытаний, свободно лежащий на двух опорах, кратковременно нагружают в середине между опорами. При этом определяют: изгибающее напряжение и значение прогиба в момент разрушения для пластмасс, разрушающихся при заданной величине прогиба или до достижения этой величины; изгибающее напряжение при заданном значении прогиба для пластмасс, не разрушающихся при заданной величине прогиба или до достижения этой величины; изгибающее напряжение при максимальной нагрузке для пластмасс у которых при данной величине прогиба или до достижения этой величины нагрузка проходит через максимум; изгибающее напряжение при разрушении или максимальной нагрузке, когда прогиб превышает заданное значение прогиба, если это предусмотрено в нормативно-технической документации на пластмассу. Механические испытания на изгиб согласно международным стандартам определяются в соответствии с ISO 178 (DIN 53452, ASTM D 790).

Ударная вязкость (прочность).

По Шарпи (ГОСТ 4647-80). Определение ударной вязкости по Шарпи в определенных условиях применяется для исследования поведения образцов пластмасс в условиях испытаний на удар, а также для определения ударной вязкости. Сущность метода заключается в испытании при котором образец, лежащий на двух опорах, подвергается удару маятника, причем линия удара находится посередине между опорами и непосредственно напротив надреза у образцов с надрезом. Стандарт полностью соответствует ISO 179-82 (ASTM D256). Данный метод имеет более широкую область распространения по сравнению с ISO 180.

По Изоду (ГОСТ 19109-84). Сущность метода заключается в разрушении консольно-закрепленного образца с надрезом ударом маятника поперек образца на определенном расстоянии от места закрепления. Стандарт соответствует ISO 180-82 (ASTM D256) кроме допуска на толщину образцов.

Модуль упругости при растяжении, сжатии и изгибе (ГОСТ 9550-81).

Растяжение. Сущность метода заключается в определении модуля упругости при растяжении как отношения приращения напряжения к соответствующему приращению относительного удлинения. Модуль упругости при растяжении, а также другие испытания на растяжение согласно международным стандартам определяются в соответствии с ISO 527-2 (DIN 53455, 53457, ASTM D 638M).

Сжатие. Сущность метода заключается в определении модуля упругости при сжатии как отношения приращения напряжения к соответствующему приращению относительной деформации сжатия. Модуль упругости при сжатии согласно международным стандартам определяется в соответствии с ISO 604.

Изгиб. Сущность метода заключается в определении модуля упругости при изгибе как отношения приращения напряжения к соответствующему приращению относительной деформации. Модуль упругости при изгибе, а также другие испытания на изгиб согласно международным стандартам определяются в соответствии с ISO 178 (DIN 53452, ASTM D790).

Ползучесть при растяжении (ГОСТ 18197-82). Сущность метода заключается в приложении к испытуемому образцу постоянной растягивающей нагрузки в течение длительного времени в условиях постоянной температуры и влажности. Поведение пластмасс при испытании на ползучесть при растяжении характеризует прочность их при долговременном воздействии статической нагрузки. Результаты испытаний на ползучесть при растяжении могут быть использованы для прогнозирования поведения деталей из пластмасс (их деформацию и разрушение) в случае одинаковых условий испытания и применения пластмасс.

Прочность на срез (ГОСТ 17302-71). Метод заключается в определении величины перерезывающей силы при срезе образца по двум плоскостям.

Абразивный износ (ГОСТ 11012-69). Сущность метода заключается в определении уменьшения объема образца в результате истирания. Показатель истирания предназначен для сравнительной оценки износа пластмасс при абразивном истирании без смазки. Оборудование и режимы испытаний по ГОСТ и ISO различны. Международные методы испытания на стойкость к износу обозначены в ISO 3537 (DIN 52347, ASTM D1044) и производятся на машине Табера.

Коэффициент трения (ГОСТ 11629-75). Метод определения коэффициента трения пластмасс путем скольжения образцов по стальной плоскости контртела без смазки.

Определение твердости.

(ГОСТ 4670-91, ISO 2039/1-87). Метод вдавливания нагружаемого шарикового индентора.

(ГОСТ 24622-91, ISO 2039/2-87). Показатель твердости по Роквеллу находится в прямой зависимости от твердости пластмасс при вдавливании индентора, чем выше показатель твердости по Роквеллу, тем тверже материал.

(ГОСТ 24621-91, ISO 868-85). Твердость по Шору определяется вдавливанием с помощью дюрометров двух типов.

Методы определения твердости как по международным, так и по российским стандартам идентичны.

Плотность (ГОСТ 15139-69). Сущность метода заключается в определении плотности вещества по отношению массы образца к его объему, определяемым непосредственно взвешиванием и обмером или по вытесненному объему жидкости для образцов неправильной или трудно измеряемой формы. Общий принцип проведения испытаний аналогичен ISO 1183 (DIN 53479, ASTM D792).

Средний коэффициент линейного теплового расширения (ГОСТ 15173-70). Сущность метода состоит в испытании образца пластмассы, при котором определяют: средний коэффициент линейного теплового расширения в минимальном интервале температур; средний коэффициент линейного теплового расширения в установленном интервале температур. Общий принцип метода аналогичен ASTM D696, DIN 53752.

Удельная теплоемкость (ГОСТ 23630.1-79). Стандарт устанавливает метод определения удельной теплоемкости в интервале температур от – 100оС до +400оС. Сущность метода состоит в измерении теплового потока, поглощаемого образцом в процессе монотонного режима нагрева динамического калориметра, характеризуемого временем запаздывания температуры на тепломере с известной эффективной тепловой проводимостью. Согласно международным правилам удельная теплоемкость определяется в соответствии с ISO 22007-4:2008.

Теплопроводность (ГОСТ 23630.2-79). Стандарт устанавливает метод определения удельной теплоемкости в интервале температур от – 100оС до +400оС. Сущность метода состоит в измерении теплового сопротивления образца при монотонном режиме нагрева его при заданных значениях температур испытания. Согласно международным правилам теплопроводность определяется в соответствии с ISO 22007-4:2008.

Температура размягчения по Вика (ГОСТ 15088-83). Сущность метода заключается в определении температуры при которой стандартный индентор под воздействие силы проникает в испытуемый образец, нагреваемый с постоянной скоростью, на глубину 1мм. Стандарт полностью соответствует ISO 306 (DIN 53460, ASTM D1525).

Температура изгиба под нагрузкой (ГОСТ 12021-84). Сущность метода заключается в определении температуры, при которой испытуемый образец, горизонтально расположенный на двух опорах, находящийся под действием постоянной нагрузки (при напряжении 0,45 или 1,8МПа) и нагреваемый с постоянной скоростью, прогибается на заданную величину. Стандарт соответствует ISO 75 (DIN 53461, ASTM D648), однако из-за разных размеров испытуемых образцов значения деформационной теплостойкости, измеренные по методам ISO, могут быть ниже. Также для метода ASTM используется давление 1,82МПа.

Испытания на стойкость к воздействию температуры (ГОСТ 9.715-86). Стойкость материала к воздействию температуры устанавливается на основе результатов испытаний образцов материала при определении: интервалов температур, при которых в материале происходят химические и (или) физические процессы, в том числе процессы, сопровождающиеся изменением массы образца; области напряжений и температуры, в которой образцы сохраняют форму и целостность (для конструкционных пластмасс).

Старение пластмасс при воздействии естественных и искусственных климатических факторов (ГОСТ 9.70883).Сущность метода заключается в том, что образцы подвергают воздействию естественных климатических факторов на климатических станциях в течение заданной продолжительности испытаний и определяют стойкость к указанному воздействию по изменению одного или нескольких показателей свойств (физико-механических, электрических, оптических, внешнего вида и т.п.).