Измерение физических характеристик полимерных пленок
Измерение показателей многих физических свойств пленочных материалов очень часто проводится на таком же оборудовании и с помощью таких же методов, как и измерение показателей свойств образцов материалов, полученных методом литья под давлением. Очень часто полимеры, из которых изготавливают пленки, могут также применять и при изготовлении литьевых изделий. Результаты измерения показателей физических свойств образцов пластмасс, полученных методом литья под давлением, должны полностью повторять результаты измерений тех же параметров, проведенных с использованием пленочных образцов, однако в некоторых случаях эти результаты могут все же отличаться, поскольку при производстве полимерных пленок материал может приобретать уникальную молекулярную структуру (а следовательно и свойства). Кроме того, имеется также ряд физических факторов и параметров, которые существенно влияют на результаты измерений показателей физических свойств, в частности величина отношения площади внешней поверхности образца к его объему.
1.1. Относительная и абсолютная плотность
Плотность (абсолютная) материала — это масса единицы объема этого материала. Относительная плотность — это отношение массы единицы объема анализируемого материала, измеренной при температуре 23 °C, к такому же объему деионизированной воды. Очень часто производители пленочных материалов пользуются также понятием «поверхностной плотности материалов» при определении характеристик своей продукции. Поверхностная плотность пленочных материалов — это отношение площади внешней поверхности отрезка пленки определенной толщины к массе этого отрезка. В метрических единицах измерения (система СИ) поверхностная плотность выражается в м2/кг, в британской системе измерения — в дюйм2/фунт. Для расчета значений указанного параметра можно использовать величину плотности материала, использованного при производстве пленки.
Один из возможных методов измерения плотности описывается в стандарте ASTM D792-08 «Стандартный метод измерения плотности и относительной плотности (удельного веса) пластмасс путем вытеснения жидкости». В стандарте ISO 1183–1:2004 «Пластмассы — Методы измерения плотности непористых пластмасс — Часть 1: Иммерсионный метод, измерение с помощью жидкого пикнометра и метод титрования» описываются аналогичные, но не полностью идентичные способы измерения плотности. В стандарте ASTM D792 определяется два возможных метода, которые могут использоваться для измерения плотности материалов — Метод A и Метод B. В Методе A в качестве среды, в которой производится измерение плотности, используется вода, а в Методе B — какая-либо другая жидкость. В Методе A при определении плотности образцы для испытаний сначала взвешиваются на воздухе, а затем погружаются в дистиллированную воду, температура которой составляет 23 °C. Для обеспечения полного погружения образца в воду в испытательных устройствах, при необходимости, могут использоваться грузики и проволока. На рис. 2.1 представлен общий вид типичного прибора, использующегося для измерения относительной плотности (удельного объема).
Значения относительной и абсолютной плотности рассчитываются по уравнениям (1) и (2), соответственно:
Относительная плотность = a / ((a + w) - b) (1)
где a — масса образца материала, измеренная на воздухе; b — масса образца и груза (в том случае, если он используется) в воде; w — масса полностью погруженного в воду груза (том случае, если он используется) и частично погруженной в воду проволоки.
Абсолютная плотность = Относительная плотность × 0,9976 (2)
Иногда образцы пластмасс могут каким-либо образом взаимодействовать с водой. В этом случае для измерения плотности материалов используется Метод B, определенный в стандарте ASTM D792. В Методе B измерение плотности материалов проводится не в воде, а в какой-либо другой жидкости. В этом случае при определении плотности материала учитывается также и плотность жидкости (d), в которой проводятся измерения, а значение плотности рассчитывается по уравнению (3):
Относительная плотность = (a × d) / ((a + w) - b) (3)
1.2. Стабильность размеров при нагревании
Стабильность размеров полимерных пленок при изменении внешних условий, в частности, очень важна для производителей, использующих упаковочные материалы, особенно в тех случаях, когда упаковочные материалы могут эксплуатироваться в условиях постоянного изменения внешней температуры. Для определения стабильности размеров пленочных материалов чаще всего используются следующие стандартные методы:· Метод, описанный в стандарте ASTM D1204-08 «Стандартный метод определения изменения линейных размеров нежестких (гибких) листовых и пленочных образцов термопластов при повышенной температуре»;· Метод, описанный в стандарте ISO 11501 «Пластмассы — Пленки и листовые материалы — Определение изменения размеров образцов при нагревании».
В указанных стандартах описываются аналогичные методики. Пленочный материал разрезается на мерные отрезки (образцы) стандартного размера — 25 см × 25 см. Обычно образцы для испытаний вырезаются из различных участков пленочного полотна (или листа) — часть образцов вырезаются из средней части полотна, а часть — вблизи кромок исходной пленки. Каждый полученный образец помечается маркером, при этом необходимо также обязательно отметить направление основного потока полимера при получении этого пленочного полотна, т.е. направление каландрования или экструзии. Кроме того, на образце необходимо также отметить середину каждой из кромок (с помощью перманентного маркера). Полученные таким образом метки в дальнейшем будут использоваться для окончательного определения степени изменения размеров образцов после воздействия на них повышенных температур.
Следует также отметить, что перед проведением непосредственных испытаний пленочные образцы должны обязательно кондиционироваться, т.е. выдерживаться при определенных условиях. Чаще всего для кондиционирования образцов их необходимо выдержать в течении как минимум 40 ч при температуре 23 °C (73,4 F) и относительной влажности 50%.
Образцы помещаются на листы плотной бумаги, размер которых превышает размеры пленочных образцов, при этом на сами листы бумаги предварительно наносится небольшое количество порошкового талька. После этого образцы накрываются еще одним листом бумаги, на которую предварительно также наносится порошок талька. Листы бумаги скрепляются между собой канцелярскими скрепками, в результате чего формируется многослойная структура бумага/образец для испытания/бумага. Образцы располагаются горизонтально в печи, нагретой до заданной температуры. Продолжительность пребывания образцов в печи определяется природой анализируемого полимерного материала. При подобном методе не допускается располагать несколько испытательных образцов друг на друге. После окончания нагревания образцов в печи, последние в течение 1 ч повторно кондиционируются при тех же условиях, при которых они выдерживались перед испытанием. По прошествии указанного времени измеряются расстояния между нанесенными на образец метками, после чего определяется степень изменения линейных размеров образца по уравнению (4):
Изменение линейных размеров (%) = ((Lк - L0) / L0) × 100 (4)
где Lк — окончательная длина (или ширина) образца в мм (дюймах), после испытания;
L0 — первоначальная длина (или ширина) образца в мм (дюймах).
Если рассчитанное таким образом значение будет отрицательным, это указывает на то, что под действием температуры пленочный образец подвергается усадке; если же значение будет положительным, то это будет означать, что при нагревании пленка расширяется. Величина усадки материала в двух направлениях (направление экструдирования и поперечное направление) может в некоторой степени отличаться. Пленка, проявляющая одинаковые свойства в обоих направлениях — в направлении экструдирования (продольное направление, НЭ) и поперечном направлении (ПН), — является изотропной пленкой. Если же величина усадки (или расширения) пленки в двух указанных направлениях отличается, то такая пленка называется анизотропной.
1.3. Гигроскопичность материалов (набухание при поглощении влаги)
При поглощении (адсорбции) низкомолекулярных веществ, например, влаги, полимерные пленки могут изменять свою форму и размеры. Так, например, полиамиды (нейлоны) могут поглощать достаточно большое количество влаги. Метод, описанный в стандарте ASTM F 1087-02(2009) «Стандартный метод испытания прокладочных материалов на изменение их линейных размеров при поглощении влаги», используется для определения способности прокладочных материалов поглощать влагу, однако этот же метод на практике очень часто применяется и для анализа пленочных материалов. В указанном методе, разработанном Американским обществом по испытаниям и материалам (ASTM), в качестве испытательных образцов используются полоски пленок шириной 2,53 см и длиной 20–30 см. Поскольку свойства пленочных материалов в различных направлениях могут в некоторой степени различаться, то в большинстве случаев полоски вырезаются из пленочных полотен в двух направлениях — в направлении экструдирования, и в поперечном направлении. Перед испытанием образцы обычно кондиционируются при относительной влажности 50%, после чего измеряется исходная длина образцов. Для определения способности пленок поглощать воду в условиях повышенной влажности, испытательные образцы, т. е. кондиционированные полоски пленок, предварительно помещаются в деионизированную воду, и выдерживаются в ней в течение 22 ч. Для определения способности пленок поглощать воду в условиях относительно невысокой влажности полоски пленок предварительно высушиваются в печи (термошкафу) горячим воздухом, нагретым до температуры 100 °C. Для расчета степени изменения линейных размеров образцов при поглощении влаги пользуются уравнением (4).
1.4. Остаточная усадка/релаксация деформации
Величина остаточной усадки (также называется степенью релаксации деформации или термической усадкой) определяется при нагревании пленок до относительно высоких значений температуры. В результате нагревания пленка в некоторой степени подвергается усадке, что объясняется протеканием процессов релаксации деформации и внутренних напряжений, возникающих при производстве пленки или при ее последующей обработке. После снятия внутренних напряжений при определенной повышенной температуре, образец пленки перестает изменять свои размеры (т.е. больше не усаживается) даже при дальнейшем нагревании, поскольку в массе материала произошли процессы релаксации напряжений и деформации. Для определения величины остаточной усадки пленочных материалов на практике используется метод, описанный в стандарте ASTM D2305-10 «Стандартные методы испытания полимерных пленок, использующихся для целей электроизоляции».
1.5. Коэффициент термического расширения
Метод определения величины коэффициента термического расширения описывается в стандарте ASTM D696-08 «Стандартный метод измерения коэффициента линейного термического расширения образцов пластмасс в диапазоне температур от –30 °C до 30 °C с помощью дилатометра с кварцевым стеклом». Величина коэффициента линейного термического расширения (α) образца с первоначальной длиной L0 при нагревании его от температуры T1 до температуры T2 определяется по уравнению (5):
α = (L2 - L1) / (L0 × (T2 - T1)) = ΔL / (L0 × ΔT) (5)
где L1 и L2 — значения длины образца при температурах T1 и T2, соответственно. Значение коэффициента α определяется за счет деления величины линейного расширения определенного участка образца (относительное удлинение при нагревании) на величину изменения температуры.
Подробнее см. книгу "Свойства пленок из пластмасс и эластомеров", издательство "Научные основы и технологии".