7.1. Выбор материала

Материал для тары выбирают на основе анализа соответствия наи­более важных свойств пластмасс техническим требованиям к упаковке. Свойства пластмасс можно условно разделить на три группы: эксплуа­тационные, технологические и экономические (рис. 7.2).

Эксплуатационные свойства имеют первостепенное значение. Удов­летворение эксплуатационных свойств предъявляемым требованиям является предпосылкой обеспечения надежности и работоспособности тары и упаковки. К эксплуатационным свойствам относят прочностные, физико-химические, санитарно-гигиенические и др.

202

Глава 7

Свойства пластмасс

_I

₁

Э ксплуатационные

Технологические

Экономические

_I

Прочностные

_I

Стоимость материала

₁

ф изико-химические

_I

Санитарно-гигиенические

Подготовительный

\ Формовочный

Вспомогательный

Себестоимость производ­ства тары

Себестоимость эксплуа­тации тары

_ч

Дополнительный

[Себестоимость утилиза­ции тары

Реологические

Рис. 7.2. Схема анализируемых свойств пластмасс при выборе материала тары

7.1.1. Анализ прочностных свойств

Комплекс прочностных свойств можно охарактеризовать конст­рукционной прочностью. Под конструкционной прочностью понима­ют совокупность механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации [53]. Конструк­ционная прочность является комплексной характеристикой, включаю­щей сочетание критериев прочности, надежности и долговечности.

Критерии прочности материала выбирают в зависимости от усло­вий его работы. Критерием прочности при статических нагрузках плас­тмасс является предел вынужденной эластичности или предел текуче­сти о, характеризующий сопротивление материала вынужденно-элас­тическим и пластическим деформациям. На всех этапах жизненного цикла тары и упаковки вынужденно-эластические деформации неже­лательны, а пластические деформации недопустимы. Поэтому предель­ные рабочие напряжения при расчете тары из пластмасс определяют по величине предела вынужденной эластичности с_в (предела текучести). Предел вынужденной эластичности или предел текучести определяют совместно с другими стандартными показателями механических свойств пластмасс — пределом прочности при растяжении, относительным уд­линением при разрыве, кратковременным модулем упругости. Физи­ческая сущность перечисленных величин и методология их определе­ния приведены в [29].

^{Конструирование тары из пластмасс 203}

При конструировании тары и упаковки важное значение имеет эф­фективность ее материала по массе. Она оценивается удельными харак­теристиками: удельной прочностью ау р и удельной жесткостью Е/р, где р — плотность или удельный вес материала. Стандартные значения прочности основных применяемых в производстве тары термопластич­ных полимеров приведены в табл. 7.1.

Если тара и упаковка испытывает значительные циклические нагруз­ки, то критерием прочности может служить усталостная прочность, или выносливость.

Усталостной прочностью называют значение амплитуды напряже­ния, при котором разрушение наступает после заданного числа циклов нагружений.

Выносливостью называют число циклов нагружений до разрушения при заданном значении амплитуды напряжения.

По величине выбранных критериев прочности можно рассчитывать допустимые рабочие напряжения в элементах тары. При этом чем боль­ше прочность пластмассы, тем больше допустимые рабочие напряже­ния, а следовательно, меньше толщина стенок и масса тары.

Следует учитывать, что повышение уровня прочности и, как след­ствие, рабочих напряжений сопровождается увеличением упругих де­формаций

^еу=§' (7.1)

где Е — кратковременный модуль упругости.

Большие значения упругих деформаций нежелательны для некото­рых типов тары, заполняемой продукцией по объемному принципу на автоматах с датчиком уровня различных конструкций. Для ограниче­ния упругой деформации материал должен обладать высоким модулем упругости (или сдвига), являющимся критерием его жесткости. К от­личительным особенностям пластмасс относят возможность значитель­ного повышения прочности и модуля упругости в процессе ориентации. Поэтому в производстве тары предпочтение отдается материалам и тех­нологиям, позволяющим создавать ориентированные структуры.

Таким образом, при проектировании тары и упаковки, от которых требуется сохранение точных размеров и формы, критерием является не прочность, а жесткость материала.

Возможно и противоположное требование. Для мягкой тары, при заполнении которой продукцией происходит существенное изменение формы и размеров, важно обеспечить большие упругие перемещения. От материала мягкой тары требуются большие значения упругих де­формаций и низкий модуль упругости.

Т аблица 7.1 Стандартные значения прочности применяемых в производстве тары термопластичных полимеров при 20°С

Полимер	Удельный вес, г/см3	Разрушающее напряжение, МПа			Предел текучести при растяжени и, МПа	Кратковре­менный модуль упругости, 10* МПа	Удельная жесткость, 10*м	Относитель­ное удлинение при разрыве, %
		при растяжении	при сжатии	при изгибе
Полиэтилен:
- низкой плотности	0,917-0,930	12-16	—	12-17	9-10	1,5-2,5	1,6-2,8	500-700
- высокой плотности	0,950-0,955	23-40	21-28	20-25	22-26	\_ 5,5-12	5,8-12	400-800
Полипропилен	0,90-0,91	25-40	35-56	50-56	15-25	7-12	8-13	200-800
Поливииилхлорид	1,38-1,40	40-60	80-160	80-120	35-56	30-40	21-28	10-15
Полистирол	1,05-1,06	30-56	80-110	55-105	—	28-35	27-33	1,5-2,4
Полиметилметакрилат	1,18-1,19	45-85	70-120	60-10	40-60	30-35	26-27	2-5
Полиамид 6	1,12-136	60-90	50-65	90-140	77-85	18-23	16-20	150-400
Полиамид 6,6	1,14-138	70-92	ПО	—	49	10-31	9-27	40-280
Полиэтилентерефталат	1,33-1,45	60-170	—	—	—	—	—	65-70
Полифениленоксид	1,06	60-84	105-115	100-125	70-80	25-27	24-26	20-100
Полисульфон	1,06	55-80	100-110	108-120	70-80	22-27	20-22	10-100
Полиформальдегид	1,43	65-70	35-50	80-110	50-75	26-35	20-25	15-40
Политрифторхлорэтилен	2,09-2,16	38-40	60-65	50-56	37-38	10-16	5-8	140
Политетрафторэтилен	2,15-224	14-25	5-15	11-14	7-10	5-9	23-4	250-500
Поликарбонат	1,20	50-75	80-120	80-110	56-63	22-26	20-22	60-100

^{Конструирование тары из пластмасс 205}

Соответствующий критерий прочности выбирают по результатам анализа характеристик тары, наиболее полно отражающих особеннос­ти всех этапов ее жизненного цикла.

Под надежностью материала понимают его способность противо­стоять хрупкому разрушению [53]. Хрупкое разрушение считается наи­более опасным из-за протекания его с большой скоростью, практически мгновенно, при незначительных деформациях и напряжениях ниже рас­четных. Хрупкое разрушение пластмасс происходит при температурах ниже температуры хрупкости Т .

Для определения температуры хрупкости Т по ГОСТ 16782-71 кон-сольно закрепленный образец нагружают с постоянной и высокой ско­ростью (4,5-120 м/мин) при различных температурах. Температурой хрупкости считают температуру, при которой образец разрушается, не достигнув заданной величины деформации. К факторам, приводящим к хрупкому разрушению, относят концентраторы напряжений, пони­жение температуры, динамические нагрузки, увеличение размеров тары (масштабный фактор).

Согласно теории хрупкого разрушения очагами разрушения служат небольшие трещины (микротрещины начальным размером более 0,1 мкм) технологического или эксплуатационного происхождения. Мик­ротрещины технологического происхождения могут возникать в виде газообразных или инородных включений при формовании, сварке, скле­ивании и других технологических операциях производства тары, а так­же в виде трещиноподобных дефектов структуры, например на границе аморфных и кристаллических образований. Микротрещины эксплуа­тационного происхождения возникают в процессе постепенного накоп­ления повреждений в материале под действием нагрузок. Особенно интенсивно возникают микротрещины под действием циклических на­грузок. Эти микротрещины являются концентраторами напряжений. Напряжения в их вершине могут во много раз превышать средние рас­четные напряжения.

Для трещины длиной /, шириной Ь и радиусом г (рис. 7.3) напряже­ние в вершине

_-°л

ушах

(7.2)

^{где о — среднее напряжение в материале.}

Из формулы (7.2) следует, что концентрация напряжений тем боль­ше, чем длиннее трещина и острее ее вершина. Если напряжение в вер­шине трещины достигает критического значения о , то под действием деформаций трещина начинает расти до критических размеров, после

206