Полимерные материалы должны быть приспособлены к упаковочному и полиграфическому оборудованию. Требования, в общем и целом, сводятся к следующему: физико-механические свойства материала должны обеспечить его удобную, качественную и производительную обработку на данном конкретном оборудовании.

В числе многочисленных требований к материалу упаковки важное значение имеют так называемые требования упаковочного оборудования, или, точнее, требования приспособленности материала к упаковочному, полиграфическому и другому оборудованию. В общем и целом, такие требования сводятся к следующему: физико-механические свойства материала должны обеспечить его удобную, качественную и производительную обработку на данном конкртеном оборудовании. 

О том, что свойства полимерных упаковочных материалов могут существенно влиять на качество, надежность и производительность работы фасовочно-упаковочного, формующего, штамповочного, термоусадочного, полиграфического и другого оборудования известно достаточно хорошо. Поэтому неслучайно, несмотря на гарантии поставщиков материалов, международная система обеспечения качества предусматривает необходимость входного контроля поступающих на предприятия материалов. Имеется в виду проверка фактических показателей механических, физических и прочих свойств материалов.

Механические свойства: прочность, жесткость, эластичность, относительное удлинение, коэффициент трения, а также релаксация напряжений в наибольшей степени характеризуют пригодность или приспособленность материалов к механическому оборудованию.

Методы определения физико-механических и прочих характеристик конструкционных и пленочных полимерных материалов разработаны достаточно основательно и подробно изложены в соответствующих государственных стандартах. Для пленок частично используются методы испытаний бумаги по Мюллену и Эльмендорфу.

Большинство механических характеристик, таких, как: предел упругости — sy, предел текучести — sт, предел прочности — sв, модуль упругости — Е, максимальное удлинение — dmax при разрыве определяется по результатам испытаний материала на растяжение и построения диаграммы растяжения «напряжение–деформация».

Типичная диаграмма растяжения упруго-пластичных металлов изображена на рисунке 1. На диаграмме напряжение означает силу растяжения P, приходящуюся на единицу площади F поперечного сечения образца материала, то есть s= P/F, Н/м2 (Па), относительная деформация e=Dl/l есть отношение абсолютной деформации Dl к исходной длине l растягиваемого образца.

В пределах упругих деформаций действует закон Гука, согласно которому напряжения прямо пропорциональны деформациям:

s= E х e,

где E — модуль упругости, Па.

Модуль упругости материала при растяжении является физической константой материала, характеризующей его жесткость и способность к вытяжке, имеет размерность напряжения. Модуль упругости металлов является практически величиной постоянной при температуре до 600° С.

Поведение металлического образца при растяжении можно представить упрощенной реологичесокй моделью в виде последовательно соединенных упругого и пластичного звеньев.

Наличие зоны пропорциональности и упругости на диаграмме растяжения объясняется тем, что металлы имеют поликристаллическую структуру, т. е. состоят из множества мелких кристалликов, имеющих неправильную огранку и хаотично расположенных в объеме металла. Внутри кристаллов атомы располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Между атомами в решетке существуют постоянные силы взаимодействия. Если к кристаллу приложены внешние силы, атомы в решетке получают взаимные смещения и силы взаимодействия между ними меняются. Эти смещения и вызывают пропорциональную зависимость между деформациями и внешними силами, выражаемую законом Гука.

При устранении внешних сил атомы снова занимают в решетке свое строго определенное положение и геометрические размеры образца полностью восстанавливаются.

Возникновение пластичных деформаций связано со смещением сдвига в кристаллической решетке — смещением части кристалла по некоторой плоскости.

В отличие от кристаллических металлов свойства аморфных полимерных материалов определяются природой звеньев в молекулярной цепи, их размерами, формой, пространственной конфигурацией.

Например, полиолефины состоят из цепей, образованных одинаковыми звеньями. Цепь полиэтилена обычно закручивается и свертывается в случайных направлениях подобно волокнам в жгуте. Макромолекула может легко деформироваться, проявляя гибкость. Цепь ПЭ прочна, так как отношение поверхности к длине цепи достаточно велико. ПЭ имеет сравнительно низкую температуру размягчения, потому что его цепи могут легко распутываться и скользить одна относительно другой при нагревании.

Свойства полимерных материалов очень легко изменить различными способами. Гибкость можно повысить добавлением пластификатора, а уменьшить, вводя загуститель. Прочные и жесткие полимеры можно создать, изменяя длину полимерных цепей от нескольких сотен до нескольких тысяч звеньев. Можно получить полимеры с частично упорядоченной или кристаллической структурой, плотность которых увеличивается. Доля упорядоченных цепей в полимере увеличивается за счет его вытяжки — ориентации. Известны и другие технологические приемы, изменяющие свойства полимеров. Надо иметь в виду, что даже одни и те же мономеры могут обладать существенно различными свойствами. Различаются и диаграммы растяжения мягких пластичных и жестких пластичных и особенно хрупких полимерных материалов.

Типичная диаграмма растяжения вязко-упругого полимерного материала имеет вид по Тернеру, представленный на рисунке 2 (С. Тернер. Механические испытания пластмасс. Пер. с англ. — М.: Машиностр., 1979).

Реологическая модель вязко-упругого полимерного материала отличается наличием как последовательно, так и параллельно соединенных упругих и вязких звеньев. Особенность поведения такого полимера состоит в том, что, начиная с определенного уровня напряжения l, называемого пределом вынужденной эластичности, дальнейшее даже незначительное увеличение нагрузки вызывает непропорциональный рост деформации. Это явление называется ползучестью материала. Чем выше температура, тем быстрее нарастает деформация ползучести. Дальнейшим развитием и появлением ползучести является релаксация напряжений — самопроизвольное изменение напряжений во времени при неизменной деформации.

На диаграмме растяжения полимера имеется, как и у металлов, отрезок прямой пропорциональности напряжений и деформаций. Но при этом из-за проявления вязко-упругих реологических особенностей модуль упругости полимера не является постоянной величиной, а зависит от времени T и температуры и может изменяться в очень широких пределах:

 

s = E (t, T) х e.            E = f (t, T) « 109 … 0, Па.

Зависящая от времени составляющая модуля упругости изменяется по экспоненциальному закону:

 

E (T) = E0 х e-T/t ,

где E0 — мгновенный модуль упругости, у большинства полимеров E0 = 109 Па.

t — время релаксации.

В конце процесса релаксации E = 0.

Предел вынужденной эластичности полимерного материала означает и предел его прочности. Пластичность, то есть способность материала получать большие остаточные деформации без разрушения, характеризуется удлинением max при разрыве. Чем больше этот показатель, тем более пластичным является материал.

В работе термоформующего, штамповочного, полиграфического и другого оборудования очень важным оказывается реологическое поведение во времени полимерного материала, обрабатываемого на этом оборудовании.

Для определения приспособленности материала к данному оборудованию рекомендуется проводить исследование показателей ползучести и релаксации напряжения с использованием не сложных приборов — релаксометров. При нагружении образца полимерного материала постоянной нагрузкой при фиксированной температуре, измеряя его деформацию через небольшие интервалы времени, строятся так называемые кривые последействия — зависимость деформации от времени при различных постоянных значениях напряжения и температуры (рисунок 3).

На диаграмме видно, что при нагружении образец получает мгновенную деформацию, очень быстро возрастающую от нуля до некоторой величины (отрезок ОА). В дальнейшем процесс ползучести и релаксации протекает в три периода:

1) период ползучести (отрезок АВ) характеризуется убыванием скорости деформации;

2) период квазивязкого течения (ВС) — процесс ползучести с практически постоянной скоростью, зависящей от напряжения и температуры;

3) период разрушения — хрупкое разрушение в точке С, вязкое разрушение при нарастании ползучести по линии СД.

По мере необходимости для проверки приспособленности полимерных упаковочных материалов к оборудованию целесообразно проводить специальные испытания: на раздир, продавливание, термоусадку и теплостойкость, а также определение коэффициента трения и другие.

Получаемые в результате этих испытаний показатели используются для решения конкретных, специальных задач.

Сопоставляя полученные в процессе испытаний механические и физические характеристики материала с соответствующими параметрами рабочих режимов оборудования нетрудно установить степень пригодности и приспособленности материала к данному оборудованию.

На все виды испытаний полимерных упаковочных материалов имеются соответствующие ГОСТы, основанные на применении традиционного испытательного оборудования.

В настоящее время в России и за рубежом созданы и выпускаются специализированные и универсальные микропроцессорные приборы и установки для экспресс-измерений механических, физических и других показателей свойств материалов.

Можно рекомендовать прибор ПИТМ-ДВ-02 для неразрушающего экспресс-определения характеристик твердости, прочности и пластичности материалов Московского ЗАО «НПФ Экспресс-Измерения». Малогабаритный автоматизированный прибор с возможностями современной испытательной машины предназначен для оперативного макромеханического испытания материалов. На основе оригинального научно-методического и программного обеспечения прибор в реальном масштабе времени строит диаграммы «Нагрузка–перемещение», «Нагрузка–время», «Перемещение–время» и позволяет получить предел текучести, предел прочности, относительное удлинение, твердость и другие показатели физико-механических свойств материалов.

Итальянская фирма Galdabini предлагает универсальные испытательные машины серии SUN для быстрого проведения испытаний материалов на растяжение, сжатие, изгиб и т. д., программируемых и регистрируемых компьютером. Машины этой серии обеспечивают нагружение испытуемых образцов в диапазоне от 5 до 2000 кН и скорости от 0,05 до 500 мм/мин при перемещениях от 0,001 до 1000 мм.

Итальянская фирма Ceast выпускает приборы системы HDT, VICAT и CREEP для испытаний полимерных материалов на термостойкость и ползучесть. Прибор имеет встроенный микропроцессор и дисплей, что обеспечивает удобное управление, ввод параметров контроль измеряемых величин и расчет конечных значений показателей.

Представляют интерес универсальные испытательные установки группы фирм Zwick/Roell. Универсальная испытательная машина с усилием от 1,0 до 6000 кН предназначена для испытаний на растяжение, сжатие, изгиб, ползучесть, релаксацию и на циклические нагрузки металлов, пластмасс, резины и других материалов. Машина оборудована персональным компьютером с цветным монитором и печатающим устройством. Программное обеспечение испытаний позволяет автоматически получать все заданные показатели.

Фирма MTS Systems (США) выпускает универсальные испытательные машины для испытаний на растяжение, сжатие, кручение и т.д. как образцов материалов, так и изделий из них в диапазоне нагрузок от 1,0 до 150 кН.  z

 

Виктор Каверин,

д. т. н., профессор