Содержание статьи
- Основные группы испытаний пластмасс
- Механические испытания пластмасс
- Испытания на ударную вязкость
- Испытания твердости пластмасс
- Термические испытания пластмасс
- Химическая стойкость и водопоглощение
- Оборудование для испытаний пластмасс
- Выбор методов испытаний и интерпретация результатов
- Часто задаваемые вопросы
Испытания пластмасс являются критически важным этапом контроля качества полимерных материалов и изделий из них. Современная промышленность предъявляет высокие требования к характеристикам пластмасс, используемых в автомобилестроении, электронике, медицине, строительстве и других отраслях. Правильный выбор методов испытаний позволяет объективно оценить механические, физические, термические и химические свойства материала, обеспечивая его соответствие установленным стандартам и требованиям безопасности.
Основные группы испытаний пластмасс
Испытания пластмасс подразделяются на несколько основных категорий в зависимости от оцениваемых свойств материала. Каждая группа испытаний регламентируется соответствующими стандартами ГОСТ и ISO, обеспечивающими единообразие методик и сопоставимость результатов на международном уровне.
| Группа испытаний | Основные параметры | Ключевые стандарты | Область применения |
|---|---|---|---|
| Механические | Прочность при растяжении, сжатии, изгибе, модуль упругости | ГОСТ 11262-2017 (ISO 527-2), ГОСТ 4651-2014 (ISO 604), ГОСТ 4648-2014 (ISO 178) | Конструкционные детали, корпуса изделий |
| Ударная вязкость | Энергия удара, характер разрушения | ГОСТ 4647-2015 (ISO 179), ГОСТ 19109-2017 (ISO 180) | Изделия, подверженные ударным нагрузкам |
| Твердость | Сопротивление вдавливанию индентора | ГОСТ 24622-91, ISO 2039-1/-2, ISO 868 | Износостойкие детали, покрытия |
| Термические | HDT, температура размягчения по Вика, температура стеклования | ГОСТ 15088-2014 (ISO 306), ГОСТ 32657-2014 (ISO 75) | Изделия, эксплуатируемые при повышенных температурах |
| Химическая стойкость | Изменение массы, размеров, свойств после воздействия химических сред | ГОСТ 12020-2018 (ISO 175) | Емкости для химикатов, трубопроводы |
| Водопоглощение | Массовая доля поглощенной воды, коэффициент диффузии | ГОСТ 4650-2014 (ISO 62) | Изделия, контактирующие с водой и влагой |
| Реологические | Показатель текучести расплава, вязкость | ГОСТ 11645-73, ISO 1133 | Контроль технологии переработки |
Механические испытания пластмасс
Механические испытания являются наиболее распространенной группой тестов, позволяющих оценить прочностные характеристики материала при различных видах нагружения. Основные методы включают испытания на растяжение, сжатие и изгиб.
Испытания на растяжение
Испытания на растяжение по ГОСТ 11262-2017 (ISO 527-2) позволяют определить прочность при разрыве, модуль упругости, относительное удлинение и другие важные характеристики. Образцы изготавливаются методом литья под давлением или вырезаются из готовых изделий.
Пример расчета напряжения при растяжении
Напряжение при растяжении рассчитывается по формуле:
σ = F / S₀
где:
- σ - напряжение при растяжении, МПа
- F - действующая сила, Н
- S₀ - начальная площадь поперечного сечения образца, мм²
Пример: При силе F = 500 Н и площади сечения S₀ = 40 мм² (образец 4×10 мм), напряжение составит:
σ = 500 / 40 = 12,5 МПа
Испытания на сжатие
Согласно ГОСТ 4651-2014 (ISO 604), испытания на сжатие проводятся для определения прочности и деформационных свойств пластмасс под действием сжимающих нагрузок. Для изотропных материалов требуется минимум пять образцов, для анизотропных - не менее десяти.
Испытания на изгиб
Метод испытания на статический изгиб по ГОСТ 4648-2014 (ISO 178) применяется преимущественно для жестких и хрупких пластмасс. Образец размером 80×10×4 мм устанавливается на опоры и нагружается в центре трехточечным изгибом.
| Тип испытания | Форма образца | Скорость деформации | Определяемые параметры |
|---|---|---|---|
| Растяжение (тип 1А) | Лопатка 170×20/10×4 мм | 1-50 мм/мин | σᵣ, E, εᵣ |
| Сжатие | Цилиндр или призма | 1 мм/мин | σс, Eс |
| Изгиб (метод А) | Брусок 80×10×4 мм | Деформация 1%/мин | σᵢ, Eᵢ |
Примечание: σᵣ - прочность при растяжении, E - модуль упругости, εᵣ - относительное удлинение, σс - прочность при сжатии, σᵢ - прочность при изгибе.
Испытания на ударную вязкость
Ударная вязкость характеризует способность материала поглощать механическую энергию при быстрой деформации и разрушении под действием ударной нагрузки. Испытания проводятся двумя основными методами - по Шарпи и по Изоду.
Метод Шарпи
Согласно ГОСТ 4647-2015 (ISO 179), при испытании по методу Шарпи образец размером 80×10×4 мм с V-образным надрезом свободно лежит на двух опорах и подвергается удару маятникового копра посередине между опорами. Это трехточечный ударный изгиб.
Расчет ударной вязкости по Шарпи
K = A / (b × h)
где:
- K - ударная вязкость, кДж/м²
- A - работа, затраченная на разрушение образца, Дж
- b - ширина образца, мм
- h - толщина образца под надрезом, мм
Пример расчета: При работе A = 2,5 Дж, ширине b = 10 мм и толщине под надрезом h = 8 мм (глубина надреза 2 мм из 10 мм):
K = 2,5 / (10 × 8) × 1000 = 31,25 кДж/м²
Метод Изода
По ГОСТ 19109-2017 (ISO 180), при испытании методом Изода образец закрепляется вертикально в тисках как консольная балка, и удар наносится по свободному концу. Данный метод лучше применим для изделий с острыми углами и концентраторами напряжений.
| Характеристика | Метод Шарпи | Метод Изода |
|---|---|---|
| Тип нагружения | Трехточечный изгиб | Консольный изгиб |
| Положение образца | Горизонтально на опорах | Вертикально в тисках |
| Размер образца | 80×10×4 мм | 80×10×4 мм |
| Единицы измерения | кДж/м² | кДж/м² |
| Температурный диапазон | от -196°C до комнатной | от -196°C до комнатной |
| Типичные значения для ПП | 30-50 кДж/м² | 20-40 кДж/м² |
| Типичные значения для АБС | 100-180 кДж/м² | 80-150 кДж/м² |
Испытания твердости пластмасс
Твердость пластмасс оценивается несколькими методами, каждый из которых подходит для материалов с различными свойствами. Основные методы включают измерение твердости по Роквеллу, Шору и вдавливанием шарика.
Твердость по Роквеллу
Согласно ГОСТ 24622-91, твердость по Роквеллу определяется как функция глубины вдавливания стального шарика после упругого восстановления материала. Используются шкалы L, M и R для различных диапазонов твердости пластмасс.
Твердость по Шору
Метод определения твердости по Шору (ISO 868) применяется для низкомодульных материалов - эластомеров, каучуков и мягких пластиков. Наиболее распространены шкалы Shore A для мягких материалов и Shore D для жестких пластиков.
| Метод | Индентор | Нагрузка | Применение | Диапазон |
|---|---|---|---|---|
| Роквелл шкала R | Стальной шарик 12,7 мм | 60 кгс | Жесткие пластики | 40-115 HR |
| Роквелл шкала M | Стальной шарик 6,35 мм | 100 кгс | Средние пластики | 20-100 HM |
| Shore A | Конус с углом 35° | 822 г | Мягкие эластомеры | 20-90 Shore A |
| Shore D | Конус с углом 30° | 5 кг | Жесткие пластмассы | 30-85 Shore D |
| Вдавливание шарика | Стальной шарик 5 мм | 49-961 Н | Универсальный метод | ISO 2039-1 |
Интерпретация значений твердости по Шору
- Shore A 20-40: Мягкие резины, гель
- Shore A 50-70: Резиновые изделия средней жесткости
- Shore A 80-90: Твердые эластомеры
- Shore D 50-70: Полиэтилен, полипропилен
- Shore D 75-85: Полистирол, АБС-пластик
Термические испытания пластмасс
Термические испытания определяют поведение пластмасс при воздействии повышенных температур, что критически важно для изделий, эксплуатируемых в условиях нагрева. Основными методами являются определение температуры теплостойкости под нагрузкой (HDT) и температуры размягчения по Вика (VST).
Температура теплостойкости HDT
Согласно ГОСТ 32657-2014 (ISO 75), температура теплостойкости определяется при трехточечном изгибе образца под заданной нагрузкой с постоянной скоростью нагрева. Это температура, при которой деформация образца достигает 0,25 мм (метод А с напряжением 1,80 МПа) или 0,34 мм (метод В с напряжением 0,45 МПа).
Температура размягчения по Вика
По ГОСТ 15088-2014 (ISO 306), температура размягчения по Вика определяется при проникновении плоского индентора на глубину 1 мм в образец, нагреваемый с постоянной скоростью. Метод А50 использует нагрузку 10 Н и скорость нагрева 50°C/час, метод В50 - нагрузку 50 Н.
| Материал | HDT (1,80 МПа), °C | VST (50 Н), °C | Температура стеклования, °C | Рабочий диапазон, °C |
|---|---|---|---|---|
| ПЭ низкой плотности | 40-50 | 90-105 | от -120 | -60 до +80 |
| ПЭ высокой плотности | 60-70 | 120-130 | от -120 | -60 до +100 |
| Полипропилен | 55-100* | 150-160 | от -10 до +5 | -20 до +100 |
| ПС общего назначения | 70-85 | 95-105 | +95 до +100 | -40 до +70 |
| АБС-пластик | 85-100 | 100-110 | +105 до +115 | -40 до +80 |
| Поликарбонат | 125-135 | 145-155 | +145 до +150 | -100 до +120 |
| Полиамид 6 | 65-80 | 180-200 | +45 до +60 | -40 до +100 |
| ПЭЭК | 150-160 | 155-165 | +143 | -50 до +250 |
Примечание: *HDT полипропилена сильно зависит от метода испытаний: метод А (напряжение 1,80 МПа) дает значения около 55-65°C, метод В (напряжение 0,45 МПа) - до 95-100°C.
Расчет нагрузки для испытаний HDT
Нагрузка для создания заданного напряжения рассчитывается по формуле:
F = (2 × σ × b × h²) / (3 × L)
где:
- F - приложенная сила, Н
- σ - заданное напряжение изгиба (1,80 или 0,45 МПа)
- b - ширина образца, мм
- h - толщина образца, мм
- L - расстояние между опорами, мм
Пример: Для образца 10×4 мм, L = 64 мм, σ = 1,80 МПа:
F = (2 × 1,80 × 10 × 16) / (3 × 64) = 3,0 Н
Химическая стойкость и водопоглощение
Испытания на химическую стойкость и водопоглощение критически важны для изделий, контактирующих с агрессивными средами или эксплуатируемых в условиях повышенной влажности.
Химическая стойкость
По ГОСТ 12020-2018 (ISO 175), химическая стойкость определяется путем полного погружения образцов в испытательную жидкость на заданный период времени. Оцениваются изменения массы, размеров, внешнего вида и механических свойств материала.
| Продолжительность испытания | Назначение | Определяемые параметры |
|---|---|---|
| 24 часа | Предварительная оценка | Изменение массы, размеров, внешнего вида |
| 7 суток | Стандартные испытания | Изменение массы, размеров, механических свойств |
| 16 недель | Длительные испытания | Полный комплекс изменений свойств |
| До 5 лет | Оценка долговечности | Сорбционное равновесие, деструкция |
Водопоглощение
Согласно ГОСТ 4650-2014 (ISO 62), водопоглощение определяется четырьмя методами с различной температурой воды: при комнатной температуре (метод 1), в кипящей воде (метод 2), во влажной атмосфере (метод 3) и в холодной воде (метод 4).
Расчет водопоглощения
W = [(m₂ - m₁) / m₁] × 100%
где:
- W - массовая доля поглощенной воды, %
- m₁ - масса образца до выдержки в воде, г
- m₂ - масса образца после выдержки в воде, г
Пример: Образец полиамида массой m₁ = 5,000 г после 24 часов в воде имеет массу m₂ = 5,125 г:
W = [(5,125 - 5,000) / 5,000] × 100% = 2,5%
Типичные значения водопоглощения
- Полиэтилен: менее 0,01% - практически не поглощает воду
- Полипропилен: 0,01-0,03% - очень низкое водопоглощение
- Полистирол: 0,03-0,1% - низкое водопоглощение
- АБС-пластик: 0,2-0,4% - низкое водопоглощение
- Поликарбонат: 0,1-0,3% - низкое водопоглощение
- Полиамид 6: 1,0-2,5% за 24 часа (при насыщении до 6-8%)
- Полиамид 66: 0,8-2,0% за 24 часа
Оборудование для испытаний пластмасс
Современное оборудование для испытаний пластмасс обеспечивает высокую точность измерений и автоматизацию процесса тестирования. Выбор оборудования зависит от типа проводимых испытаний и требований стандартов.
Универсальные испытательные машины
Универсальные разрывные машины используются для испытаний на растяжение, сжатие и изгиб. Современные электромеханические машины оснащены прецизионными датчиками усилия и перемещения, обеспечивая высокую точность контроля скорости деформации.
| Оборудование | Назначение | Диапазон нагрузки | Точность | Применяемые стандарты |
|---|---|---|---|---|
| Универсальная испытательная машина | Растяжение, сжатие, изгиб | 1-100 кН | ±0,5% от показания | ГОСТ 11262, 4651, 4648 |
| Маятниковый копер | Ударная вязкость по Шарпи и Изоду | 1-50 Дж | ±1% от показания | ГОСТ 4647, 19109 |
| Твердомер Shore | Твердость эластомеров и пластиков | Shore A/D 0-100 | ±1 единица | ISO 868 |
| Твердомер Роквелла | Твердость жестких пластиков | HR 40-115 | ±2 единицы | ГОСТ 24622 |
| HDT/Vicat прибор | Температура теплостойкости и размягчения | 30-300°C | ±0,5°C | ГОСТ 15088, 32657 |
| Пластометр | Показатель текучести расплава | 0,1-100 г/10 мин | ±2% | ГОСТ 11645 |
| ДСК калориметр | Температура стеклования, плавления | -50 до +400°C | ±0,1°C | ISO 11357 |
Специализированное оборудование
Для определенных видов испытаний применяется специализированное оборудование. Приборы HDT/Vicat нового поколения оснащены автоматической системой охлаждения масляной ванны и цифровыми датчиками перемещения, что значительно ускоряет процесс испытаний и повышает воспроизводимость результатов.
Выбор методов испытаний и интерпретация результатов
Правильный выбор методов испытаний и корректная интерпретация результатов являются ключевыми факторами для объективной оценки свойств пластмасс. Выбор зависит от цели испытаний, условий эксплуатации изделия и требований нормативной документации.
Критерии выбора методов испытаний
При выборе методов испытаний необходимо учитывать следующие факторы:
- Условия эксплуатации: температурный диапазон, механические нагрузки, контакт с химическими средами
- Требования стандартов: соответствие ГОСТ, ISO, технических условий на материал
- Цель испытаний: входной контроль, сертификация, научные исследования, контроль качества
- Тип материала: термопласты, реактопласты, эластомеры, композиты
- Форма изделия: листы, трубы, профили, готовые изделия
| Применение изделия | Рекомендуемые испытания | Критические параметры |
|---|---|---|
| Конструкционные детали под нагрузкой | Растяжение, изгиб, ползучесть | Модуль упругости, прочность, длительная прочность |
| Корпуса электроприборов | Ударная вязкость, HDT, воспламеняемость | Ударная прочность при низких температурах, теплостойкость |
| Трубопроводы | Растяжение кольцевое, химстойкость, водопоглощение | Кольцевая жесткость, стойкость к среде |
| Уплотнения и прокладки | Твердость Shore, деформация при сжатии, химстойкость | Твердость, упругость, маслостойкость |
| Детали под высокой температурой | HDT, Vicat, термогравиметрия | Теплостойкость под нагрузкой, термостабильность |
| Медицинские изделия | Биосовместимость, химстойкость к дезинфектантам, стерилизуемость | Цитотоксичность, стабильность свойств после стерилизации |
Интерпретация результатов испытаний
Результаты испытаний должны оформляться в виде протокола испытаний согласно ГОСТ Р 58973-2020. Протокол должен содержать полную информацию об условиях испытания, характеристиках образцов, примененных методах и полученных результатах с указанием погрешности измерений.
Основные элементы протокола испытаний
- Идентификация образцов и испытательной лаборатории
- Ссылка на примененные стандарты и методики
- Условия кондиционирования образцов (температура, влажность, время)
- Условия проведения испытаний (температура, скорость деформации, нагрузка)
- Характеристики испытательного оборудования
- Результаты измерений (индивидуальные значения и среднеарифметические)
- Расчет погрешности и неопределенности измерений
- Заключение о соответствии требованиям стандартов
Статистическая обработка результатов
Согласно ГОСТ 14359-69, для изотропных пластмасс испытывают не менее пяти образцов, для анизотропных - не менее десяти. Результаты обрабатываются статистически с определением среднего значения, стандартного отклонения и коэффициента вариации.
Статистическая обработка данных
Среднее арифметическое:
x̄ = (x₁ + x₂ + ... + xₙ) / n
Стандартное отклонение:
s = √[Σ(xᵢ - x̄)² / (n-1)]
Коэффициент вариации:
V = (s / x̄) × 100%
Пример: Результаты испытаний на растяжение пяти образцов: 45, 47, 46, 48, 44 МПа
- x̄ = (45+47+46+48+44) / 5 = 46 МПа
- s = 1,58 МПа
- V = (1,58 / 46) × 100% = 3,4%
Часто задаваемые вопросы
Обязательный перечень испытаний определяется техническими регламентами и стандартами на конкретный вид продукции. Как правило, для большинства изделий из пластмасс требуются механические испытания на растяжение или изгиб, определение показателя текучести расплава, испытания на воспламеняемость и токсичность продуктов горения. Для изделий, контактирующих с пищевыми продуктами, дополнительно проводятся санитарно-химические испытания. Конкретный список зависит от области применения изделия и требований нормативной документации.
Большинство современных российских стандартов ГОСТ являются гармонизированными с международными стандартами ISO и содержат обозначение типа "ГОСТ XXXXX (ISO YYYY)". Это означает, что методика испытаний идентична или эквивалентна международному стандарту. Основные различия могут быть в размерах образцов, единицах измерения и некоторых деталях процедуры. Например, ГОСТ 11262-2017 полностью соответствует ISO 527-2:2012. При проведении испытаний по гармонизированным стандартам результаты признаются как на российском, так и на международном уровне.
Выбор между методами Шарпи и Изод зависит от конструкции изделия и характера ожидаемых нагрузок. Метод Шарпи (трехточечный изгиб) лучше моделирует поведение материала в виде балок и пластин, подвергающихся ударному изгибу. Метод Изод (консольный изгиб) более подходит для изделий с острыми углами, ребрами и концентраторами напряжений, так как образец закрепляется в тисках подобно консольной балке. Для сравнения различных материалов между собой рекомендуется использовать один и тот же метод. В европейской практике более распространен метод Шарпи, в американской - Изод.
Температура теплостойкости под нагрузкой (HDT) - это температура, при которой материал начинает деформироваться под определенной нагрузкой. Это не максимальная рабочая температура изделия. Реальный диапазон эксплуатации обычно на 20-40°C ниже значения HDT. Например, если HDT материала составляет 100°C, безопасная температура эксплуатации под нагрузкой будет около 60-80°C. Для длительной эксплуатации без нагрузки возможна более высокая температура, но она ограничивается температурой стеклования и началом термодеструкции материала. Всегда следует учитывать конкретные условия эксплуатации и требования конструкторской документации.
Согласно ГОСТ 14359-69, минимальное количество образцов составляет пять для изотропных материалов и десять для анизотропных (по пять в каждом направлении). Однако это минимум для контрольных испытаний. Для научных исследований и точной оценки свойств рекомендуется использовать не менее десяти образцов. При высоком разбросе результатов (коэффициент вариации более 10%) количество образцов следует увеличить. Образцы с очевидными дефектами или разрушенные из-за ошибок в расчет не принимаются и заменяются новыми. Важно, чтобы все образцы были изготовлены в одинаковых условиях и прошли одинаковое кондиционирование перед испытаниями.
Температура и влажность существенно влияют на свойства пластмасс. Стандартные условия испытаний по ГОСТ - температура 23±2°C и относительная влажность 50±5%. Перед испытаниями образцы должны быть выдержаны в этих условиях не менее 16 часов для достижения равновесного состояния. Повышение температуры, как правило, снижает прочность и модуль упругости большинства термопластов. Влажность особенно критична для гигроскопичных материалов, таких как полиамиды, поглощающие до 2-3% воды, что приводит к снижению прочности и твердости, но повышению ударной вязкости. Для сравнения различных материалов обязательно соблюдение одинаковых условий кондиционирования и испытания.
Результаты стандартных краткосрочных механических испытаний следует использовать для конструкторских расчетов с большой осторожностью. Эти испытания проводятся на стандартных образцах в контролируемых условиях и характеризуют кратковременное поведение материала. В реальных условиях эксплуатации на изделие влияют дополнительные факторы: длительность нагружения (ползучесть), температура, влажность, концентраторы напряжений, метод переработки. Для ответственных конструкций необходимо проводить дополнительные испытания на ползучесть, усталость, релаксацию напряжений при реальных условиях эксплуатации. Коэффициенты запаса прочности для пластмасс обычно принимаются значительно выше, чем для металлов - от 2 до 5 и более.
При несоответствии результатов требованиям стандартов в первую очередь необходимо проверить правильность проведения испытаний: соблюдение методики, калибровку оборудования, условия кондиционирования образцов, отсутствие дефектов в образцах. Если методика соблюдена, возможные причины несоответствия: отклонения в составе материала, нарушения технологии переработки, деградация материала при хранении или переработке. Рекомендуется провести повторные испытания на новой партии образцов. При подтверждении несоответствия следует провести анализ причин: проверить сертификаты на сырье, параметры переработки, условия хранения. Возможно потребуется корректировка рецептуры или технологии переработки материала.
Периодичность испытаний определяется требованиями технических условий на продукцию, системой менеджмента качества предприятия и категорией продукции. Типовые схемы контроля включают: входной контроль сырья (выборочно по каждой партии или периодически), операционный контроль технологических параметров (непрерывно), приемочный контроль готовой продукции (выборочно от каждой партии), периодические испытания полного комплекса показателей (раз в квартал или полугодие). Для критически важной продукции может требоваться 100% контроль отдельных параметров. Частота периодических испытаний увеличивается при внесении изменений в технологию, смене поставщиков сырья или выявлении несоответствий при предыдущих проверках.
Испытания пластмасс проводятся в аккредитованных испытательных лабораториях, имеющих аттестат аккредитации в национальной системе аккредитации. Это могут быть лаборатории научно-исследовательских институтов, специализированных центров сертификации, заводских лабораторий предприятий. Продолжительность испытаний зависит от их вида: механические испытания занимают 1-3 дня с учетом кондиционирования образцов, испытания на химическую стойкость - от 1 до 16 недель в зависимости от заданной продолжительности выдержки, определение водопоглощения до равновесного состояния может занять несколько недель. Срочные испытания возможны за дополнительную плату, но время кондиционирования образцов сократить невозможно без нарушения методики.
