Badania właściwości mechanicznych oraz palności

Metody Badań Materiałów - laboratorium
Instrukcja do ćwiczenia:
Badania właściwości mechanicznych oraz palności
materiałów polimerowych.
w ramach laboratorium Metody Badań Materiałów
Dr inż. Andrzej Plichta, dr inż. Maciej Dębowski, Mgr inż. Konrad Żurawski
1. Cel badań
Przeprowadzenie pomiarów właściwości mechanicznych oraz palności kształtek
polimerowych metodą indeksu tlenowego. Do badań wykorzystane zostaną utwardzone
żywice poliestrowe lub epoksydowe o zróżnicowanej zawartości napełniacza (lub/i
uniepalniacza) lub/oraz wybrane tworzywa termoplastyczne. Studenci podejmą próbę
określenia wpływu struktury chemicznej polimeru lub rodzaju i ilości dodatków do tworzywa
sztucznego na jego właściwości mechaniczne i palność.
2. Wstęp teoretyczny
2.1 Ogólny wstęp do zarysu podstaw
Polimery są to związki złożone z makromolekuł. Makromolekuły są zbudowane z
powtarzalnych jednostek zwanych merami. Polimery powstają z substratów
małocząsteczkowych - monomerów. Aby cząsteczka była monomerem - prekursorem
polimeru - musi spełniać jeden z warunków:
-posiada w swojej strukturze wiązania nienasycone np. eten, styren, chlorek winylu
-posiada w swojej strukturze pierścień podatny na otwarcie np. tlenek etylenu, laktony
-posiada w swojej strukturze dwie grupy funkcyjne np. glikol etylenowy i kwas tereftalowy
lub kwas mlekowy.
W zależności od mechanizmu polimeryzacji można wyróżnić dwie podstawowe
metody syntezy polimerów tj. polireakcja łańcuchowa i stopniowa. W polireakcji
łańcuchowej (zwanej potocznie polimeryzacją) wymagany jest inicjator, który rozpoczyna
łańcuch polimerowy a w etapie wzrostu łańcucha w każdym akcie reakcyjnym przyłączeniu
ulega jedna cząsteczka monomeru.
W polireakcji stopniowej (dawniej: polikondensacji lub poliaddycji) nie występuje inicjator a
łączeniu mogą ulegać cząsteczki monomeru oraz większe jednostki, powstałe na skutek
wzajemnej reakcji monomeru, dimeru, trimeru, tetrameru, etc. Z tego też wynika, że stężenie
monomeru maleje bardzo szybko w trakcie reakcji.
Między tymi rodzajami polireakcji występują znaczne różnice:
-polimeryzacja wymaga inicjatora (polimeryzacja rodnikowa, anionowa, kationowa) bądź
katalizatora (polimeryzacja koordynacyjna), polikondensacja może zachodzić bez udziału
katalizatora;
1
Metody Badań Materiałów - laboratorium
- w reakcjach polimeryzacji łańcuchowej nie wydzielają się małocząsteczkowe produkty
uboczne, natomiast w polimeryzacjach stopniowych może wydzielać się produkt
małocząsteczkowy (np. woda kondensacyjna, sól itp.);
- w wyniku reakcji polimeryzacji polimer o dużym ciężarze cząsteczkowym powstaje już w
pierwszym okresie reakcji a długi czas prowadzenia procesu zapewnia wysoką wydajność,
lecz wpływa nieznacznie na ciężar cząsteczkowy. W przypadku polikondensacji ciężar
cząsteczkowy polimeru wzrasta stopniowo w ciągu reakcji, a długi czas reakcji jest
najważniejszym czynnikiem warunkującym otrzymanie polimeru o dużym ciężarze
cząsteczkowym;
-zarówno w polimeryzacji i polikondensacji synteza danego polimeru może być realizowana
według kilku różnych mechanizmów. W przypadku polimeryzacji łańcuchowej używamy
tego samego monomeru (np. styrenu), ale możemy zmieniać centra aktywne odpowiadające
za inicjację lub propagację polimeryzacji (np. wolne rodniki, karboaniony, karbokationy będące centrami aktywnymi inicjatora lub rosnącego łańcucha odpowiednio w polimeryzacji
rodnikowej, anionowej i kationowej lub tworzenie kompleksu aktywnego katalizatormonomer w polimeryzacji koordynacyjnej). W przypadku polikondensacji dany polimer
często można otrzymywać z różnych monomerów, które reagują ze sobą wg podobnych
mechanizmów [np. poli(tereftalan etylenu) (PET) można otrzymać z kwasu tereftalowego i
glikolu etylenowego, dichlorku kwasowego i glikolu, diestru kwasu tereftalowego i glikolu,
etc.). Na skalę przemysłową największe znaczenie mają: polimeryzacja rodnikowa i
koordynacyjna.
Polimery obok metali i ceramiki są jednymi z najważniejszych materiałów znanych
człowiekowi. O ile metale i ceramikę dosyć łatwo opisać zbiorczo, różnorodność polimerów
utrudnia znalezienie ich cech wspólnych, jako materiałów. Niemniej jednak niektóre cechy
odpowiadają większej ilości tych związków a są to:
-mała gęstość,
-małe przewodnictwo cieplne,
-mała żaroodporność,
-dość duża odporność korozyjna.
Wiele istotnych cech polimerów zależy od ich budowy, co utrudnia charakterystykę
ogólną. Różnice we właściwościach wynikają z różnorodności struktury na poziomie
cząsteczkowym. Istotna jest nie tylko budowa pojedynczego meru, ale też architektura
polimeru [polimery liniowe, (hiper)rozgałęzione, gwiaździste, blokowe]. W zależności od
struktury polimeru zmieniają się takie cechy tych materiałów jak wytrzymałość mechaniczna,
plastyczność, stopień krystaliczności, zdolność do (bio)degradacji, rozpuszczalność w wodzie
i mediach organicznych, odporność termiczna, palność, właściwości elektryczne,
włóknotwórcze etc. Wobec tego niezbędne jest poznanie i zrozumienie budowy chemicznej
polimeru, dzięki czemu można przewidzieć pewne właściwości, na które wpływ ma:
-obecność grup zwiększających rozpuszczalność (alkilowych, alkoksylowych),
-obecność ugrupowań aromatycznych,
-obecność grup polarnych, atomów fluorowców, heteroatomów, etc.
-regularność w budowie polimeru.
Do charakterystycznych właściwości materiałów polimerowych należą:
• podstawowe właściwości fizyczne (gęstość, temperatura zeszklenia, temperatura topnienia
lub mięknienia polimeru, chłonność wody),
• właściwości mechaniczne (wytrzymałość na rozciąganie i zginanie, moduł sprężystości
przy rozciąganiu i zginaniu, wydłużenie przy zerwaniu, wytrzymałość na ściskanie,
udarność, twardość, ścieralność, współczynnik tarcia, wytrzymałość zmęczeniowa),
2
Metody Badań Materiałów - laboratorium
• właściwości cieplne (temperatura ugięcia pod obciążeniem, temperatura mięknienia wg
Vicata, wytrzymałość cieplna wg Martensa, rozszerzalność cieplna, przewodność cieplna),
• właściwości elektryczne (oporność właściwa skrośna, oporność właściwa powierzchniowa,
wytrzymałość dielektryczna, współczynnik strat dielektrycznych),
• właściwości optyczne (przepuszczalność światła, współczynnik załamania światła),
• właściwości chemiczne (odporność na działanie różnych chemikaliów, odporność na
starzenie, palność).
2.2 Palność polimerów, badanie i możliwości uniepalniania polimerów
WSKAŹNIK TLENOWY, indeks tlenowy (oxygen index OI lub IO) - najmniejsze
stężenie tlenu, w procentach obliczonych objętości, w mieszaninie tlenu z azotem
wprowadzonej w temperaturze 23 °C ± 2 °C, przy którym palenie się materiału w
określonych warunkach badania jest zaledwie podtrzymane.
powietrze zawiera 20,95 % O2
IO dla przykładowych materiałów:
PEO = 15, PE = 18, PS = 18,5 PET = 21
PUR = 23, PC = 27, PCW = 42
grafit = 60, Teflon® = 95
ZJAWISKO PALENIA TWORZYWA
Powstanie ogniska zapalnego jest wynikiem działania trzech czynników: ciepła, tlenu i
obecności substancji łatwopalnej. Proces palenia obejmuje cztery główne fazy:
- wydzielanie się ciepła
- degradację/dekompozycję materiału
- zapłon
- spalanie i rozprzestrzenianie się ognia
Pomimo, że reakcja spalania jest jedną z najbardziej znanych w chemii organicznej, wciąż
mało wiadomo o jej aspektach mechanistycznych. Z pewnością można stwierdzić, że jest to
proces o charakterze rodnikowym, przez co trudny do kontrolowania. Z chemicznego punktu
widzenia, rozprzestrzenianiem się palenia jest egzotermiczny etap propagacji. Ponieważ
istnieje bardzo wiele możliwości etapów rozwijania łańcucha rodnikowego, spalanie jest
procesem niezwykle skomplikowanym, w trakcie którego powstaje mnóstwo produktów
przejściowych, przed finalnym całkowitym utlenieniem do dwutlenku węgla i wody przez
tlen. Sam tlen cząsteczkowy (dirodnik) jest substancją podtrzymującą palenie, mimo że w
wielu innych reakcjach rodnikowych działa jako inhibitor.
Pewne informacje dotyczące palności można wywnioskować opierając się na prostych
analogach małocząsteczkowych znanych z chemii organicznej np. polimery zawierające
ugrupowania aromatyczne będą mniej palne od polimerów alifatycznych. Jest to analogia do
benzenu czy acetylenu gdzie substancja ma dużą zawartość węgla a małą wodoru, wobec tego
spala się kopcącym płomieniem a całkowicie dopiero przy bardzo dużej ilości tlenu. Podobnie
niektóre polimery zawierające chlorowce (np. PCW) mają obniżoną palność lub nawet brak
palności tak jak proste chlorowcopochodne typu chloroform. Warto jednak pamiętać, że w
drastycznych warunkach polimery typu PCW podczas spalania/rozkładu wydzielają bardzo
toksyczne gazy. Tego typu rozważania nie uwzględniają jednak szeregu składników
dodawanych do polimerów. W związku z większą energią dysocjacji tworzywa usieciowane
odznaczają się mniejszą palnością od tworzyw nieusieciowanych.
3
Metody Badań Materiałów - laboratorium
ROLĄ UNIEPALNIACZA jest zatrzymanie lub spowolnienie procesu palenia, przy czym
muszą być uwzględnione mechanizmy i zjawiska skuteczne na poszczególnych etapach
procesu palenia. Oceniając skuteczność działania środka uniepalniającego w zależności od
tworzywa i rodzaju testu należy brać pod uwagę fakt, że powinien on zadziałać w
początkowych etapach procesu palenia.
MECHANIZMY UNIEPALNIANIA można podzielić na zjawiska o charakterze fizycznym
i chemicznym. Do efektów o charakterze fizycznym zaliczamy m.in.: formowanie warstwy
ochronnej, efekt chłodzenia czy rozcieńczanie. Zjawiska o charakterze chemicznym to reakcje
chemiczne, jakie towarzyszą działaniu poszczególnych uniepalniaczy.
ANTYPIRENY są składnikami tworzyw sztucznych, zmniejszającymi ich palność. Są to
związki zawierające atomy Cl, Br, P, N, B, etc. Zwiększają one pojemność cieplną tworzywa
sztucznego lub utrudniają dostęp tlenu do jego powierzchni, wytwarzając ochronną warstwę
niepalnego gazu albo piany.
Formowanie warstwy ochronnej
Niektóre typy uniepalniaczy mogą powodować powstanie na powierzchni chronionego
materiału warstwy ochronnej, która ma bardzo słabą przewodność cieplną, dzięki czemu
ograniczane jest przekazywanie energii cieplnej z procesu spalania. Tworzywo nie ulega
dalszemu stapianiu i degradacji, a proces spalania jest spowolniony i może być nawet
zatrzymany, ponieważ tak powstała warstwa ochronna działa jak zapora ogniowa, która
ogranicza dostęp tlenu i nie dopuszcza do rozprzestrzenienia się ognia. W taki sposób działają
np. pochodne fosforowe, wodorotlenki metali.
Efekt chłodzenia
Reakcje prowadzące do rozkładu uniepalniacza mogą mieć wpływ na zaburzenie równowagi
termodynamicznej układu. Reakcje endotermiczne rozkładu dodatku znajdującego się w
matrycy polimerowej mogą doprowadzić do ochłodzenia powierzchni materiału do
temperatury poniżej wymaganej dla procesu palenia. Tak działają różnego rodzaju
wodorotlenki metali, a ich wydajność zależy od poziomu dozowania. Bardzo często w tym
wypadku podczas procesu dekompozycji powstaje woda. Całkowita zużyta energia to 1,051
J/g. Wytworzona woda przechodzi w fazę gazową i tworzy gaz ochronny. Ponadto sam tlenek
glinu tworzy warstwę ochronną na powierzchni tworzywa.
Gaszenie rodnikowe
Jak już wcześniej wspomniano wcześniej spalanie jest procesem rodnikowym, który napędza
etap propagacji, będący reakcją łańcuchową. Jako środek gaszący można więc użyć
odczynniki które konsumują wolne rodniki. Takie własności posiadają gaśnice halogenowe
zawierające niepalne flourowcowęglowodory (freony), które pochłaniają wolne rodniki, przy
czym same tworzą rodniki o niskiej reaktywności. Na niekorzyść tych środków przemawia
szkodliwość dla środowiska. Stabilne rodniki np. trifluorometylowe niszczą ozon.
2.3 Właściwości mechaniczne - wytrzymałość materiałów polimerowych.
Badania wytrzymałości dzielimy na:
• długotrwałej, doraźnej statycznej i dynamicznej,
• zmęczeniowej,
• twardości.
4
Metody Badań Materiałów - laboratorium
2.3.1 Oznaczanie właściwości mechanicznych przy statycznym rozciąganiu
Zasada oznaczania: kształtkę do badań rozciąga się wzdłuż jej głównej osi wzdłużnej, przy
stałej prędkości, aż do zerwania kształtki lub do określonej wartości naprężenia (obciążenia)
lub odkształcenia (wydłużenia). W czasie tego postępowania mierzy się trwałe obciążenie
kształtki i jej wydłużenie.
WYTRZYMAŁOŚĆ NA ROZCIĄGANIE jest to maksymalne naprężenie (nominalne),
jakie tworzywo przenosi podczas statycznego, krótkotrwałego rozciągania.
Polska norma PN-81/C-89034 (ISO 527-1 i 527-2) określa próbki w kształcie wiosełek.
gdzie:
σ- wartość naprężenia, MPa
F – wartość siły naprężającej, N
A – początkowy przekrój poprzeczny kształtki, m2
GRANICA PLASTYCZNOŚCI jest to pierwsze naprężenie, przy którym wzrost wydłużenia
nie powoduje wzrostu naprężenia, wyraża się w megapaskalach (MPa)
WYDŁUŻENIE WZGLĘDNE PRZY ZERWANIU jest to maksymalne odkształcenie
względne przy rozciąganiu (nominalne):
ε – wartość wydłużenia względnego, wyrażona, jako wielkość bezwymiarowa lub w
procentach
lo - początkowa długość odcinka pomiarowego, m
l - przyrost długości odcinka pomiarowego, m
Typowe krzywe naprężenie/wydłużenie
σR – naprężenie przy zerwaniu
σB – maksymalne naprężenie
rozciągające
σS – granica plastyczności
εR – wydłużenie przy zerwaniu
εB – wydłużenie przy
maksymalnym naprężeniu
rozciągającym
εS – wydłużenie przy granicy
plastyczności
5
Metody Badań Materiałów - laboratorium
2.3.2 Oznaczanie właściwości mechanicznych przy ściskaniu
Wytrzymałość na ściskanie oblicza się dzieląc maksymalne obciążenie przez pierwotne pole
przekroju poprzecznego próbki poddawanej próbie ściskania. W celu scharakteryzowania
właściwości tworzywa poddanego ściskaniu są stosowane następujące pojęcia:
 wytrzymałość na ściskanie,
 granica plastyczności,
 umowna granica plastyczności,
 odkształcenie przy zniszczeniu (zerwaniu),
 odkształcenie na granicy plastyczności,
 naprężenie ściskające przy założonym odkształceniu względnym.
2.3.3 Oznaczanie właściwości mechanicznych przy zginaniu
Próba zginania polega na tym, że próbkę tworzywa podpartą na końcach obciąża się
punktowo, prostopadle do jej osi podłużnej. Odległość pomiędzy punktami podparcia musi
być ściśle określona i jest zwykle unormowana. Badanie stosuje się tylko do tworzyw
kruchych, które pękają w czasie badania. Badania tworzyw sztucznych, z których nie można
wykonać próbek dużych wykonuje się aparatem Dynstat, dla którego wystarczają próbki o
wymiarach 15x10x2 mm. Zasada badania polega na tym, że do próbki pomiarowej
zamocowanej w obrotowym uchwycie jest przytwierdzone ramię z obciążnikiem. W miarę
wznoszenia się ramienia, tj. odchylania od pionu, powstaje i zwiększa się jego moment
obrotowy działający na próbkę jako moment zginający. Wzrost tego momentu powoduje
wzrost naprężeń w próbce prowadzący do jej zginania, a dalej do zniszczenia. Odczytany w
chwili zniszczenia moment zginający służy do obliczania wytrzymałości na zginanie, a
jednocześnie zmierzony kąt ugięcia jest miarą odkształcenia próbki.
2.3.4 Udarność jest miarą kruchości materiałów określaną przez pracę potrzebną do
dynamicznego złamania próbki i odnoszoną do wielkości poprzecznego przekroju próbki.
Badania wykonywane są metodami:
•Charpy'ego,
•Dynstat,
•Izoda.
Metoda Charpy'ego
Młot Charpy'ego zawieszony na osi porusza się jak swobodne wahadło. Młot ustawia się w
pozycji startowej i sprawdza czy zwolniony bez próbki pokazuje energię 0. Próbkę umieszcza
się na podporach i ustawia wskazówkę zabieraka na maksymalnej wartości na skali. Bez
wstrząsów należy zwolnić zapadkę i odczytać energię zaabsorbowaną przez łamaną próbkę.
Metoda Dynstat
Udarność oznacza się na próbkach o małych wymiarach, umocowanych pionowo jednym
końcem w uchwycie podstawy młota i łamie wahadłem młota w określonej odległości od
krawędzi uchwytu. Praktyczne znaczenie pomiarów aparatem Dynstat polega na tym, że
próbki o tak małych wymiarach udaje się wycinać z wielu gotowych wyrobów, co nie jest
możliwe przy próbkach do młota Charpy'ego.
2.3.5 Badanie twardości
Pojęcie twardości w odniesieniu do tworzyw sztucznych określa się za pomocą oporu, jaki
stawia materiał, gdy wciska się w jego powierzchnię pionowo odpowiedni wgłębnik, stosując
6
Metody Badań Materiałów - laboratorium
naciski tak wielkie, aby powstało odkształcenie trwałe. Jako wgłębniki stosuje się tu elementy
o znormalizowanych kształtach, np. kulki, stożki lub piramidki.
Przy pomocy metody wciskania kulki. Metoda polega na powolnym wciskaniu stalowej
kulki w badane tworzywo. Po upływie pewnego czasu ustala się stan równowagi, w którym
zwiększająca się powierzchnia odcisku równoważy obciążenie wywierane przez wgłębiającą
się kulkę. W tym stanie stosunek siły obciążającej do powierzchni odcisku wgniecionego w
badanym materiale określa jego twardość.
Twardość wg Shore'a. Do badania tworzyw gumopodobnych nadaje się metoda Shore’a.
Aparat mieszczący się w dłoni dociska się podstawą do tworzywa. Wgłębnik wystający z
podstawy, wypychany sprężyną wgniata się w materiał, przy czym ustala się równowaga
między naciskiem sprężyny a reakcją tworzywa. Dla materiałów o umiarkowanej twardości
stosuje się typ A, w którym wgłębnik jest zakończony tępym stożkiem. Dla układów o dużej
twardości (typ D) stosowany wgłębnik jest na końcu zaostrzony. Po dociśnięciu wskazówka
zatrzymuje się na odpowiednim zakresie skali wyrażonej w stopniach Shore'a.
Do pomiaru miękkości gum stosuje się aparat Schoppera, w którym wykorzystuje się kulkę o
średnicy 10 mm i obciążenie 9,81 N, mierząć głębokość odcisku, nie usuwając obciążenia.
Dla elastycznych tworzyw porowatych wprowadzono pojęcie wskaźnika twardości. Jest to wg
metody 1. siła potrzebna do wciśnięcia stopki przyrządu pomiarowego lub wg metody 2.
talerza wciskowego w badaną próbkę. W metodzie 1. wynik odczytuje się wprost w °Sch
(stopnie Schiltknechta). W metodzie B grubość próbki mierzy się wstępnie pod naciskiem
9,81 N, a następnie ściskają do 40% grubości wyjściowej.
2.3.6 Badanie ścieralności
Zużyciem ściernym nazywa się odrywanie tworzywa z dwu stykających i przesuwających się
względem siebie powierzchni, spowodowane występującymi nierównościami lub obecnością
twardych cząsteczek obcego materiału. Ten sam układ dwu tworzyw trących może dawać
zupełnie inny obraz ścierania w zależności od prędkości przesuwu powierzchni trących,
temperatury, sposobu usuwania tworzywa ścieranego, występujących równocześnie drgań itp.
Metody pomiaru:
•aparat Schoppera,
•aparat Graselli,
•tarcze ścierne.
Aparat Schoppera nadaje się do wszystkich tworzyw sztucznych. Jako wzorzec ścieralności
stosuje się specjalnie zwulkanizowaną gumę. Próbki tworzywa w postaci walca są dociskane
jedną z podstaw do papieru ściernego za pomocą określonego obciążenia. Śruba pociągowa
przesuwa uchwyt próbki z równomierną prędkością wzdłuż walca tak, aby próbka posuwa się
cały czas po świeżym papierze. Po przebyciu 40 m drogi tarcia próbki oczyszcza się z pyłu i
ponownie waży.
Oznaczanie ścieralności na aparacie Grasselli. Proces ścierania przebiega również na
papierze ściernym, ale wynik wyraża się w cm3/(kWh). W charakterze wzorca stosuje się
gumę wzorcową taką samą jak w metodzie Schoppera. Tarcza pokryta papierem ściernym
obraca się ścierając jednocześnie dwie próbki. Po upływie czasu odpowiadającego 200
7
Metody Badań Materiałów - laboratorium
obrotom tarczy wyłącza się silnik, oczyszcza próbki i waży. W ten sposób ustala się wskaźnik
ścieralności gumy wzorcowej dwóch próbek i wskaźnik ścieralności badanego materiału.
3. Część eksperymentalna
3.1 Oznaczanie zapalności wybranych tworzyw sztucznych metoda wskaźnika tlenowego
Aparatura: komin do badań, uchwyt kształtki, układ doprowadzania gazów, butla z tleniem i
butla z azotem, palnik zapalający, stoper (ilustracja ZAŁACZNIK 1).
Prowadzenie eksperymentu
Małą kształtkę do badań ("beleczkę") utrzymuje się pionowo w mieszaninie tlenu z azotem
przepływającej ku górze przez przezroczysty komin. Czas jaki potrzebny jest do wyrównania
warunków po zmianie przepływu gazu uzależniony jest od szybkości przepływu gazu przez
komin, którą wyznaczyć można dzieląc całkowitą szybkość przepływu gazu przez komin
przez pole przekroju poprzecznego otworu komina- zgodnie z rówaniem:
qv
F= 1,27 x 10
6
D
2
gdzie:
F – szybkość przepływu przez komin, w milimetrach na sekundę;
qv – całkowity przepływ gazu w temperaturze 23 °C ± 2 °C przez komin, w litrach na
sekundę;
D - jest średnicą otworu komina, w milimetrach.
Zapala się górny koniec kształtki do badań i obserwuje dalsze jej spalanie w celu porównania
czasu palenia lub długości odcinka, który uległ spaleniu, zgodnie z wytycznymi zawartymi w
normie. Badając serie próbek przy różnych stężeniach tlenu, ustala się jego minimalne
stężenie.
Sposób oznaczania wskaźnika tlenowego.
Po ustawieniu aparatury i umocowaniu kształtki do badań należy wybrać takie
początkowe stężenie tlenu, jakie ma być stosowane. Jeżeli to możliwe, wybór należy oprzeć
na wynikach uzyskanych dla podobnych materiałów. Alternatywnie, należy wykonać próbę
zapalenia kształtki w powietrzu i zanotować jej zachowanie się podczas palenia. Jeżeli
kształtka pali się szybko, należy wybrać początkowe stężenie tlenu wynoszące około 18 %
(V/V), jeżeli natomiast kształtka pali się spokojnie lub nierówno, należy wybrać początkowe
stężenie tlenu wynoszące około 21 % (V/V). Jeżeli palenie się kształtki nie jest
podtrzymywanie w powietrzu, to należy, w zależności od trudności jej zapłonu od czasu jej
palenia w powietrzu, przed zgaśnięciem wybrać początkowe stężenie tlenu wynoszące, co
najmniej 25 % (V/V).
Otrzymane wyniki zależą od kształtu, ustawienia i izolowania kształtki do badań oraz
od warunków zapłonu, dlatego też ważnym jest, by właściwie ją ustawić. Kształtkę należy
umieścić pionowo w osi komina, tak aby wierzchołek kształtki znajdował się co najmniej 100
mm poniżej szczytowego otworu komina, a najniższa część kształtki poddana działaniu
płomienia, znajdowała się co najmniej 100 mm powyżej szczytowej części układu
doprowadzającego gaz umieszczony w podstawie komina.
Urządzenia regulujące przepływ gazów należy ustawić tak, aby mieszanina tlenu z
azotem o temperaturze 23 °C ± 2 °C o wymaganym stężeniu tlenu, przepływała przez komin z
prędkością 40 mm/s ± 2 mm/s. Przepływ gazu należy uruchomić, co najmniej 30 s przed
8
Metody Badań Materiałów - laboratorium
zapaleniem każdej kształtki i utrzymać go bez zmian podczas zapalenia i spalania się każdej
z kształtek.
Należy zanotować stężenie użytego tlenu, w procentach objętościowych, obliczone
zgodnie z równaniem:
100 V
Co =
o
Vo + VN
CO - jest stężeniem tlenu w procentach obliczonych objętościowo;
VO - jest objętością tlenu w objętości mieszaniny, w 23 °C;
VN - jest objętością tlenu w objętości mieszaniny, w 23 °C.
3.2 Oznaczanie właściwości mechanicznych przy statycznym rozciąganiu
Do pomiaru zostaną wykorzystane kształtki wykonane z polimerów termoplastycznych,
żywic poliestrowych lub epoksydowych oraz folie poliestrowe. Wszystkie powierzchnie
kształtek powinny być wolne od pęknięć, rys i innych defektów. Kształtkę do badań
rozciąga się wzdłuż jej głównej osi wzdłużnej, przy stałej prędkości, aż do zerwania lub do
osiągnięcia określonej wartości naprężenia (lub zadanego obciążenia) albo odkształcenia
(wydłużenia). Pomiar zostanie przeprowadzony na maszynie wytrzymałościowej Instron.
3.3 Oznaczanie udarności
Do wykonania oznaczenia stosuje się młot wahadłowy sztywnej konstrukcji, umożliwiający
oznaczenie energii zużytej na złamanie próbki. Wartość tej energii stanowi różnicę
początkowej energii potencjalnej młota i energii pozostałej po złamaniu próbki. Wskazówkę
skali energii młota należy ustawić tak, aby stykała się ona z zabierakiem, gdy wahadło jest w
pozycji podniesionej i zablokowanej. Próbkę ustawia się na podporach. Zwalnianie aretażu
powinno być przeprowadzone ostrożnie, bez wstrząsów. Następnie należy odczytać na skali
energię zaabsorbowaną przez próbkę. Udarność próbek (an ) oblicza się ze wzoru:
an=An/b∙t,
w którym An oznacza energię uderzenia zużytą na złamanie próbki, b jest szerokością próbki
a t jej grubością.
BIBLIOGRAFIA:
1. Norma PM-ISO 4589-2 opracowana przez Polski Komitet Normalizacyjny.
2. Materiałoznawstwo i korozja - polimery - wykład profesora Rokickiego.
3. Funkcjonalne materiały polimerowe, wykład dla doktorantów.
4. Chemia polimerów T. I, II, III Praca zbiorowa pod red. Z. Florjańczyk, S. Penczek.
5. Metody badań i ocena właściwości tworzyw sztucznych, T. Broniewski, J. Kapko, W. Płaczek, J. Thomalla.
6. Palność polimerów i materiałów polimerowych, G.Janowska, W. Przygocki, A. Łochowicz.
9