Вивчення фізико - механічних властивостей фотополімерних і полімерних матеріалів.

Мета: Визначення основних фізико - механічних показників фотополімерних і полімерних матеріалів, що використовуються в поліграфії.

Прилади і матеріали: Розривна машина (динамометр), лінійка металева, товщиномір ТБ з ціною поділки 1 мм, ножиці, прилад ИМП, блискомір ФБ-2, аналітична вага, зразки полімерних плівок і фотополімерних матеріалів.

Теоретичні відомості

Полімерні матеріали повинні бути пристосовані до пакувального і поліграфічного устаткування. Вимоги, загалом і в цілому, зводяться до наступного: фізико-механічні властивості матеріалу повинні забезпечити його зручну, якісну і продуктивну обробку на даному конкретному устаткуванні.

Асортимент пакувальних полімерних плівок дуже широкий. Це, перш за все, плівки на основі поліолефінів (поліетилен, поліпропілен і їх сополімери), полівінілхлориду, полістиролу, лавсану, полівінілденхлориду (саран), поліаміду, полікарбонату та ін. Наприклад, поліолефіни складаються з ланцюгів, утворених однаковими ланками. Ланцюг поліетилену зазвичай закручується і згущується у випадкових напрямах подібно до волокон в джгуті. Макромолекула може легко деформуватися, проявляючи гнучкість. Ланцюг ПЕ міцний, оскільки відношення поверхні до довжини ланцюга достатньо велике. ПЕ має порівняно низьку температуру розм'якшення, тому що його ланцюги можуть легко розплутуватися і ковзати одна відносно іншої при нагріванні. На відміну від кристалічних металів властивості аморфних полімерних матеріалів визначаються природою ланок в молекулярному ланцюзі, їх розмірами, формою, просторовою конфігурацією.

Пакувальні плівки повинні для забезпечення надійного захисту товару від пошкодження характеризуватися високими фізико-механічними властивостями: тепло- і морозостійкістю, хімічною стійкістю, водонепроникністю, стійкістю до старіння та ін. Для забезпечення технологічних властивостей і якісного поліграфічного оформлення плівки повинні мати високі механічні показники (твердість, міцність на розтяг і розрив, термостійкість, антистатичність); оптичні - блиск, прозорість тощо.

Всі ці показники полімерних плівок залежать від складу полімерної композиції, технології відливу і твердіння, наявності барвників, дублюючого клейового шару тощо.

У великій кількості вимог до матеріалу упаковки важливе значення мають так звані вимоги пакувального устаткування, або, точніше, вимоги пристосованості матеріалу до пакувального, поліграфічного і іншого устаткування. Загалом і в цілому, такі вимоги зводяться до наступного: фізико-механічні властивості матеріалу повинні забезпечити його зручну, якісну і продуктивну обробку на даному устаткуванні.

Про те, що властивості полімерних пакувальних матеріалів можуть істотно впливати на якість, надійність і продуктивність роботи фасувально-пакувального, такого, що формує, штампувального, термоусадочного, поліграфічного і іншого устаткування відомо досить добре. Тому невипадково, не дивлячись на гарантії постачальників матеріалів, міжнародна система забезпечення якості передбачає необхідність вхідного контролю матеріалів, що поступають на підприємства. Є на увазі перевірка фактичних показників механічних, фізичних і інших властивостей матеріалів.

Механічні властивості: міцність, жорсткість, еластичність, відносне видовження, коефіцієнт тертя, а також релаксація напруги найбільшою мірою характеризують придатність або пристосованість матеріалів до механічного устаткування.

В міру необхідності для перевірки пристосованості полімерних пакувальних матеріалів до устаткування доцільно проводити спеціальні випробування: на роздирання, продавлювання, термоусадку і теплостійкість, а також визначення коефіцієнта тертя та інші.

Одержувані в результаті цих випробувань показники використовуються для вирішення конкретних, спеціальних завдань.

До методів оцінки властивостей міцності плівки відносяться:

• вимірювання межі міцності плівки при розтягуванні,

• відносне видовження при розриві,

• модуль пружності і механічне зношування.

Ці параметри не являються константами, оскільки залежать від температури, тривалості дії деформуючої сили, швидкості і виду деформації.

Міцність полімерних плівок залежить від їх структури і тому є неоднорідною в різних напрямках. У машинному напрямку вона може в декілька раз перевищувати міцність у поперечному. Міцність залежить і від товщини: чим товстіша полімерна плівка, тим вона буде міцнішою. На практиці суттєвий вплив на строк служби форм і окремих деталей поліграфічного обладнання має такий показник як зносостійкість.

Механічне зношування (стирання) – процес відриву і видалення частинок металу з поверхні тертя. Викликається кількість мікронерівностей, які залишаються в процесі обробки деталі. Стирання відбувається найінтенсивніше у початковий період роботи нової або відремонтованої машини, у так названий період обкатки. Чим грубіше оброблені поверхні деталей, тим інтенсивніше проходить стирання і тим більше зношування виникає в період приробки.

Необхідність відновлення деталей під час планових ремонтів в основному (до 80%) обумовлена зношуванням.

Тертя і зношування у вузлах і механізмах обладнання в залежності від домінуючих факторів, які мають місце в процесі експлуатації, представляє собою:

- механічну взаємодію, пружну і пужнопластичну деформацію, а також втручання поверхонь, що труться, які мають шорсткості;

- молекулярне зчеплення (адгезія) поверхонь, що труться внаслідок появи молекулярного силового поля поблизу мікро нерівностей поверхонь, що труться і недостатнього змащування;

- молекулярно-механічна взаємодія при взаємному упровадженні окремих мікро виступів поверхонь, що труться, а також за рахунок адгезійних сил молекулярного притягання і зчеплення взаємодіючих поверхонь.

По механічній теорії тертя і зношування причина виникнення ушкодження поверхневих шарів деталей у вузлах тертя пояснюється зачепленням і взаємним упровадженням шорстких поверхонь, що труться, які мають форму мікро виступів і впадин.

Зношування обмежує строк служби (технічний ресурс) поліграфічного обладнання і матеріалів (особливо форм) і приводить до погіршання критеріїв працездатності: втрати кінематичної точності механізмів; зниженню міцності сполучених деталей; підвищенню шуму і вібрацій за рахунок збільшення зазорів у працюючих передачах; повному вичерпуванні робото здатності деталей, що труться внаслідок великих стомлюваних напружень, які виникають в результаті циклічних перевантажень і , які приводять до прогресивно-зростаючого зношування.

Зношування буває різних видів, коротко про деякі з них.

Абразивне зношування. Такому зношуванню піддаються поверхні, на які попадають абразивні частинки. Під дією зовнішнього середовища відбувається зрізування (вицарапування) поверхневого шару, його багатократна пластична деформація, зминання окремих мікрооб`ємів. Інтенсивність зношування залежить від розмірів, форми і властивостей абразиву, а також від характеристики поверхонь тертя, тобто будови і структури полімеру. Зменшенню абразивного зношування можуть сприяти: старанне видалення відпрацьованої змазки, яка містить абразивні частинки, і регулярна її заміна свіжою;конструктивні зміни; установка кожухів і різного роду ущільнювачів, які запобігають попаданню у вузли тертя абразивних частинок; підвищення твердості зношуваних поверхонь. Абразивне зношування супроводжується турбохімічними процесами, ініціюючими деструкцію полімеру.

Окислювальне зношування. Воно відбувається при появі на поверхнях, що стикаються оксидних плівок, які руйнуються і знову утворюються в процесі тертя. Це зношування протікає при нормальних і підвищених температурах в умовах сухого тертя або недостатнього змащування. Підвищення температури сприяє утворенню окисних плівок, а вібраційне навантаження - їх руйнуванню.

Зношування внаслідок пластичної деформації. Це зминання поверхонь деталей і зміна їх розмірів під дією ударних навантажень. До деталей, що працюють в таких умовах, відносяться зубчасті колеса, сідла шарових клапанів, болти і зв’язані з ними втулки, штовхачі і кулачки. Пластичній деформації поверхонь тертя сприяють підвищена температура і пластична дія змазки. Місця контакту деталей відчувають всесторонньо об’ємно-напружене стискування, при якому навіть крихкі матеріали, деформуючись, ведуть себе як пластичні. Цим пояснюється значна пластична деформація таких крихких поверхневих шарів, як електролітичне хромове покриття або цементувальні шари на зубчатих передачах. Один з методів боротьби з цим видом зношування – підвищення твердості поверхонь тертя.

Хімічне зношування – усі види корозії металів: хімічна, атмосферна, електрохімічна корозії.

Теплове зношування. Воно є наслідком дії теплоти, яка виникає внаслідок тертя поверхонь при великих швидкостях ковзання і високих питомих тисках. При цьому виникає поверхневе нагрівання металу, в результаті якого в ньому відбуваються структурні перетворення. Процес супроводжується розм’якшенням металу, значними пластичними деформаціями, контактним сполученням і т.д. Чим менше теплостійкий метал деталі, тим скоріше вона зношується.

Втомлюване зношування (руйнування металу). З’являється у поломці деталей під дією циклічних або знакозмінних навантажень. Воно реалізується при пружному характері контакту нерівностей полімерного тіла з стираючим агентом за рахунок місцевих напружень і деформацій. При цьому велике значення мають деформаційні процеси. Так, при пластичній деформації полімеру втомлюване зношування на декілька порядків вище, ніж при інших видах деформації.

Адгезійне зношування основане на фрикційному переносі: в локальних зонах контакту полімеру з контртілом при терті протікає інтенсивна молекулярна (адгезійна) взаємодія, сили якого перевищують міцність зв’язку між молекулами або надмолекулярними утвореннями в напружено-деформаційній зоні тертя. В результаті цього відбувається руйнування поверхні полімера і утворені продукти („третє тіло”) зникають з зони тертя. Зношування в цьому випадку залежить від будови і структури полімера. Наприклад, адгезій не зношування аморфних полімерів навіть при невеликих навантаженнях переходить термічний і, як правило , супроводжується втомлюваним зношуванням і абразивним.

Порядок визначення руйнуючого напруження при розтягу і відносного видовження при розриві полімерної плівки.

1. Ознайомлення з будовою приладу. Роботу починають з ознайомлення будови розривної машини ФП-100 (динамометра), а також правилами користування нею за інструкцією. За 15 хв. до випробування вмикають машину і перевіряють роботу двигуна , включаючи послідовно пускові кнопки „Робочий хід”, „Стоп”, „Зворотній хід”.

Рис. 5. Схема розривної машини.

2. Підготовка зразків. Вирізати з полотна полімерної плівки по п’ять зразків шириною 10 мм і довжиною 220 мм у двох взаємно перпендикулярних напрямках. Краї зразків повинні бути рівні, гладкі, без видимих дефектів.

3. Виконання експерименту. За допомогою металевої лінійки і товщиноміра заміряти ширину(а) і товщину (в) зразків в мм у трьох місцях: з двох країв і по середині. Розрахувати площу поперечного перерізу S₀ (в мм²) за формулою:

S₀ = а × в.

Розірвати на розривній машині спочатку зразки плівок вмрізаних в одному напрямку, а потім – у протилежному. Випробування проводити при швидкості руху затискачів розривної машини, передбаченої в нормативно-технічній документації на дану полімерну плівку (до 500 мм/хв.).

Зразки, які зруйнувалися за межами робочої довжини l₀, до уваги не приймати. Перед початком роботи на розривній машині, визначити направлення волокон по вирізаних взірцях. Далі визначити розривне зусилля та розтяг полімерної плівки перед розривом. Заміри записати у таблицю 1.

Таблиця 6.

№ зразка	Перший напрямок			Другий напрямок
	Розривне зусилля, Q1, гс	Розтяг Δl, мм	Розривне зусилля, Q2, гс		Розтяг Δl, мм
1
2
3
4
5