Методи випробування пінопластів
Пінопласти (піни) - це загальна назва групи матеріалів, що містять безліч порожніх осередків (відкритих або замкнутих), диспергованих за обсягом речовини. Застосування та популярність пінопластів, що розширюється, призводять до необхідності створення методів випробувань, специфічно придатних саме для матеріалів цього типу. Протягом тривалого часу методи, що створювалися для випробувань твердих полімерів, використовувалися і для пінопластів. Тим не менш, ці методи повинні бути модифіковані, що пояснюється низькою міцністю пінопластів. Необхідність у такій модифікації та запропоновані зміни призвели до розробки численних нестандартизованих методів випробувань, що, своєю чергою, викликало непорозуміння серед фахівців, які застосовували ці матеріали. Завдяки старанням та зусиллям комітетів ASTM, SPI (Society of the Plastic Industry — Товариство фахівців, які працюють у промисловості пластмас). і постачальників матеріалів було розроблено низку стандартів. Більшість методів випробувань пінопластів цілком аналогічні раніше використовуваним для інших полімерних матеріалів. Однак деякі методи спрямовані на те, щоб відповідати необхідності випробувань саме пінопластів, і вони є унікальними. До таких методів належать, зокрема, вимірювання пористості, визначення відносного змісту відкритих та замкнутих осередків у матеріалі. Методи випробування жорстких пінопластів
Щільність (ASTM D1622, ISO 845) Щільність пінопластів становить значний інтерес для конструкторів виробів з цих матеріалів, оскільки багато фізичних властивостей матеріалу визначаються їх щільністю. Методика визначення густини пінопластів дуже проста. В її основі лежить приготування зразка певної форми, яка дозволяла б досить просто виміряти його обсяг.Далі зразок зважується, а його об'єм обчислюється за лінійними розмірами, що вимірюються за допомогою мікрометра, кронциркуля або калібру.
Щільність розраховується як: Щільність (фунт/фут 3) = Вага зразка (фунт)/Обсяг зразка (фут 3) Цей метод був розроблений для визначення як сумарної густини матеріалу, так і ефективної густини центральної частини жорстких пінопластів. Ефективна щільність матеріалу в цілому визначається як вага, віднесена до одиниці об'єму, зразка в цілому, включаючи поверхневі шари. Ефективна густина центральної частини (ядра) матеріалу визначається аналогічним чином, але після видалення поверхневих шарів.
Розмір осередків та його орієнтація є дуже важливими характеристиками пінопластів, оскільки від них залежать деякі фізичні властивості матеріалу. Так, наприклад, для оцінки адсорбції води та вмісту відкритих осередків необхідне знання поверхні осередків, яка, у свою чергу, розраховується на основ їх розмірів.
Метод випробувань поширюється визначення ефективного розміру осередків в жорстких пінопластах шляхом вимірювання кількостей перетинів прямий з межами осередків певної довжині. У цьому використовуються дві базові методики. Відповідно до процедури А необхідно приготувати тонкі зрізи завтовшки не більше половини середнього діаметра одного осередку, що забезпечує механічну стійкість зрізу. Після того, як із зразка за допомогою мікротома робиться із зазначених розмірів, його зображення за допомогою проектора слайдів проектується на екран. Вимірюється середня довжина хорди та визначається кількість її перетинів з межами осередків. Далі розраховується середнє значення розміру осередків.
Процедура призначена для використання стосовно крихких матеріалів, з яких важко приготувати тонкі зрізи.для візуального аналізу В цьому випадку на зразку робиться розріз так, щоб вийшла гладка поверхня. Кордони осередків відзначаються маркером. Далі використовується та сама методика вимірювань що у першому випадку: проводиться пряма, розраховується кількість її перетинів з межами осередків та обчислюється середній розмір осередків.
Підрахунок кількості відкритих осередків (ASTM D2856, ISO 4590-1981)
Зразки з розмірами, зручними для випробувань, можуть бути отримані шляхом їх вирізання з великих заготовок. При цьому частина закритих осередків стає відкритою і при розрахунку вона додається до існуючих відкритих осередків. Для внесення відповідних коректив пропонуються три основні методики.
Процедура А. Підрахуйте кількість осередків, що відкрилися в процесі приготування зразка, вимірявши їх діаметр і розрахувавши на цій підставі обсяг цих осередків.
Процедура В. Підрахуйте кількість осередків, що відкрилися в процесі приготування зразка, шляхом приготування зрізу та отримання відкритої поверхні за площею, що дорівнює площі поверхні вихідного зразка.
Повітряний пікнометр, що пропонується на ринку, показаний на рис. 1.
Мал. 1. Схема повітряного пікнометра (відтворено з роздільної здатності ASTM)
Стиснення (ASTM D1621, ISO 844) Випробування, в яких визначається модуль пружності та міцність при стисканні жорстких пінопластів, багато в чому аналогічні методам, що використовуються для інших пластмас. Цей метод дуже корисний для порівняння характеристик міцності пінопластів різного складу. За допомогою методу, що розглядається, проводяться стандартні випробування, які дозволяють отримувати результати використовувані при дослідницьких роботах, контролі якості та перевірці на відповідність специфікації на матеріал. Однак цей метод не можерозглядатися як оцінка того, як пінопласт поведеться в реальних умовах експлуатації протягом тривалого часу. Для того щоб отримати вихідні дані для проектування виробів з пінопластів, призначених для роботи під навантаженням, необхідні подальші випробування на повзучість, визначення втомних властивостей матеріалу та його опору удару.
Випробування проводять із зразками, мінімальна висота яких становить 1 дюйм, а максимальна висота має перевищувати ширину зразка. Попередньо кондиціонований зразок піддається рівномірному стиску в стандартній випробувальній машині. Переміщення траверси машини розглядаєте як міру деформації. Випробування тривають до тих пір, поки не досягається межа плинності, або деформація при стисканні не досягне приблизно 13% від вихідного розміру зразка, залежно від того, яка з цих умов буде досягнута раніше. З деформаційних кривих, розраховуються міцність при стиску, модуль пружності та ефективне значення модуля.
Випробування на зсув (ASTM C273)
Цей метод розроблений спеціально для вимірювання залежності напруги від деформації при випробуваннях сендвічевих конструкцій або центральної частини пінопласту при додатку навантаження паралельно до лицьової частини зразка. Пристосування, казане на рис.2, може використовуватися для випробувань або сендвіча в цілому, або тільки його центральної частини.
Мал. 2. Апаратура для випробувань пінопластів на зсув (відтворено з дозволу ASTM) Навантаження прикладається до сталевих плит, за допомогою яких здійснюється розтягування або стиснення. При цьому навантаження рівномірно розподіляється по всій ширині зразка. Максимальна тривалість навантаження не повинна перевищувати 3-6 хвилин. зарезультатам випробувань будується залежність напруги від деформації, а по початковій ділянці цієї залежності визначається модуль пружності або сендвічової конструкції в цілому або окремо її центральної частини.
Розмірна стабільність (ASTM D2126, ISO 2796)
В останні роки пінопласту знайшли широкі сфери застосування в аерокосмічній техніці, електроніці та будівництві. Тому дуже важливо знати, як поведуться пінопласту в умовах мінливої температури і вологості навколишнього середовища. При використанні пінопластів як теплоізоляційних матеріалів також дуже важливою є розмірна стабільність, що зберігається протягом тривалого часу.
Розроблений метод випробувань для визначення реакції жорстких пінопластів на вплив температури та старіння дозволяє визначити максимально допустиму температуру експлуатації, а також отримати дані щодо стабільності розмірів в умовах мінливої температури та вологості. Для проведення цих випробувань використовують ваги, термокамеру, холодильну камеру та вимірювальний інструмент для точного визначення розмірів. Зразок заданих розмірів одержують механічною обробкою. Після кондиціонування зразок випробовують по одному з режимів, наведених в табл.1. Заключні випробування проводять після того, як зразок знову прийняв кімнатну температуру. Далі зразок досліджується візуально, та вимірюються його розміри.
Таблиця 1. Умови випробувань – температура та вологість (Температура та вологість вибираються стосовно індивідуальних вимог)