литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem

3.9. Источники информации о свойствах пластмасс

Выбор пластмассы при конструировании изделия должен быть основан на срав­ нении свойств, предъявляемых к проектируемому изделию, с комплексом свойств тех пластмасс, которые уже имеются на рынке. Существует более 15 000 промышлен­ ных марок пластмасс [16]. Разработчик должен выбрать одну или несколько марок материалов, комплекс свойств которых будет соответствовать эксплуатационным требованиям предполагаемого изделия. Материал, выбранный окончательно, должен максимально соответствовать требованиям по соотношению цена/качество. Бывают случаи, когда нет доступных промышленных материалов, соответствующих экс­ плуатационным требованиям. В этом случае можно:

1)изменить конструкцию изделия в целях снизжения эксплуатационных тре­ бований;

2)снизить эксплуатационные требования или ограничения на стоимость материала;

3)поработать с поставщиком материала/составителем смесей в направлении раз­ работки «новой» марки материала.

Очень трудно поддерживать базу данных, содержащую сведения о всех новых марках материалов и их стоимости, так как происходит изменение как марок матери­ алов, так и цены на них. Даже если конструктор будет иметь в своем распоряжении полную базу данных, придется потратить очень много времени на рассортировку ин­ формации «вручную» (если только область поиска «материалов-кандидатов» не бу­ дет существенно сужена).

На стадии выбора материала конструкторы обычно консультируются с предста­ вителями поставщиков. Кроме того, для помощи при выборе материала можно ис­ пользовать уже существующие базы данных [16-22]. Базы данных могут быть доступны в виде каталогов (буклеты, диски или в режиме он-лайн). Компьютерная база данных очень легко обновляется, что дает значительные преимущества для автоматического поиска в заданных рамках. Базы данных обычно делятся на три главных категории:

•базы данных производителей материалов (фирменные базы данных);

•универсальные базы данных (принадлежащие третьим сторонам);

•базы данных специальных свойств (в которых собраны материалы, обладаю­ щие специальными свойствами, например, предельной химической стойко­

стью, обычно также принадлежат третьим сторонам).

Лучше всего работать с несколькими поставщиками материалов или использо­ вать несколько фирменных баз данных, что позволяет рассмотреть как можно боль­ шее число материалов. Поскольку все поставщики материалов представляют данные в различных формах, а процедуры тестирования/методы подготовки образцов не все­ гда совпадают, то прямое сравнение данных, полученных от разных поставщиков, не всегда возможно. Таблицы свойств материалов часто имеют отметку о том, что свой­ ства перечисленных материалов нельзя считать техническими характеристиками [5].

Универсальные базы данных пластмасс являются альтернативой фирменных баз данных. В них собирается информация от различных поставщиков. Компьютерные базы данных дают возможность поиска подходящего материала среди тысяч возмож­ ных вариантов. Такое представление данных также упрощает сравнение и выбор ма­ рок материалов, поставляемых разными производителями [17].

Процедуры тестирования в настоящее время стандартизированы, но нужно учиты­ вать, что образцы, полученные компрессионным формованием, будут давать результа­ ты, отличные от образцов, полученных литьем под давлением. Такие переменные пара­ метры процесса переработки пластмасс, как температура расплава, длительность цикла, содержание влаги, температура оснастки, скорость впрыска и аналогичные им, могут оказывать значительное влияние на свойства отлитых образцов.

Толщина, тип контрольных образцов, расположение впускных литников и кон­ фигурация литниковой системы играют не менее важную роль.

Базы данных поставщиков обычно содержат список, состоящий из 30-40 различ­ ных свойств материалов (большинство из них основаны на стандартных методах ASTM или ISO) и описаний марок (основные добавки, сертификаты контролирую­ щих органов, характеристики процесса переработки и т. п.). Тем не менее такие базы содержат разные наборы свойств для разных материалов. Например, существует бо­ лее 30 различных методов получения данных об ударной прочности полимерного ма­ териала [18]. Совокупность данных иногда основана на несовместимых методах контроля, и в результате получаются свойства, которые нельзя сравнивать напрямую. В некото­ рых случаях совокупность данных для конкретного материала бывает неполной.

Зачастую базы данных содержат обширные списки свойств, но большинство из них являются кратковременными или представляют результаты измерений, полу­ ченных в одной контрольной точке (обычно это измерения при комнатной темпера­ туре и 50 % относительной влажности). Как правило, в базах данных приводятся зна­ чения начального модуля упругости, предела текучести при растяжении или предела прочности, ударная вязкость по Изоду, твердость по Роквеллу, температуры начала термической деформации или термостойкость при изгибе и т. п. Некоторые фир­ менные базы данных предлагают информацию о функциональных свойствах, но про­ блемы, связанные со способом получения данных и соответствие их формата стандар­ там, все еще остаются окончательно не решенными. Признавая этот факт, европейские производители материалов работают вместе над разработкой стандартного набора базовых свойств и форматов представления данных. Подобный стандартный набор был представлен в 1988 году под названием «Предварительный выбор материалов с помо­ щью компьютерных систем в соответствии с унифицированными стандартами» {CAMPUS) [16,18, 20]. Формат баз данных CAMPUS представляет собой унифици­ рованную систему тестирования и представления баз данных. Здесь используются

218 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

более строгие методы, предложенные ISO. Существует некоторый разброс в способах получения образцов для тестирования, но наборы данных, соответствующие требова­ ниям CAMPUS, стандартизированы.

Исходная версия компьютерной базы данных CAMPUS {version 1) была создана на основе 30 стандартных измерений в одной точке и давала возможность конструк­ тору автоматически выбирать материалы с требуемыми механическими, тепловыми и электрическими свойствами. Этой версией данных можно пользоваться только для начального отбора материалов, поскольку в ней содержатся лишь самые необходи­ мые их функциональные характеристики.

Следующая версия программного обеспечения, CAMPUS {version 2), уже включа­ ла в себя:

1)данные измерений в одной контрольной точке для начального отбора;

2)характеристики механических свойств, зависящих от времени/температуры;

3)реологические данные;

4)данные компьютерного анализа по заполнению литьевой формы, которые мож­ но использовать как для подбора технологического процесса, так и конструк­ ции изделия.

Развитие базы данных CAMP US представляет собой первый шаг на пути распро­ странения международных стандартов среди поставщиков материалов. Базы данных предоставляют полный список всех свойств материалов, и создают прочную основу для выбора материала или его отсева.

К функциональным данным, которые приведены в базе данных CAMPUS {version 2). относятся:

•Изотермические зависимости растягивающего напряжения от деформации в широком диапазоне температур для оценки кратковременного механическо­ го поведения (до предела текучести).

•Зависимости секущего модуля от деформаций растяжения, полученные из изотермических зависимостей напряжения от деформации.

•Изохронные зависимости растягивающего напряжения от деформации, как правило, для 6-ти значений температур (обычно при 23,60 и 100 °С) для оцен­ ки долгосрочных механических эксплуатационных характеристик.

•Зависимости модуля ползучести при растяжении от времени, полученные из изохроных зависимостей напряжения от деформации.

•Зависимость модуля сдвига от температуры в очень широком диапазоне темпе­ ратур для оценки жесткости материала в зависимости от температуры.

•Зависимость сдвиговой вязкости от скорости сдвига в широком диапазоне температур переработки как характеристика реологических свойств полиме­ ра (с различными вариантами аппроксимации кривых).

После выбора материала необходимы дополнительные более подробные конст­ рукторские данные, которые могут быть получены от производителей материалов. Предполагается, что в дальнейшем версии базы данных CAMPUS будут включать данные о химической стойкости, стойкости к воздействию ультрафиолетового излучения и погодных условий, тепловом старении, а также PVT-диаграммы различ­ ных пластмасс [16,20].

Рис. 3.51. Некоторые данные, предоставляемые в базе данных CAMPUS {version 2)

3.10.Оценка материалов с использованием готовых отлитых образцов

Чаще всего варианты материалов для данного конкретного изделия подбираются путем оценки свойств. После того как область поиска материалов сужена, желательно согласовывать с поставщиками материала возможность провести испытания прото­ типа. Это очень важно при выборе нового незнакомого материала. Один из произво­ дителей [23] разработал универсальный прототип {Evaiuator®), представляющий со­ бой устройство из двух отлитых деталей, которое можно использовать для оценки свойств применяемых чистых и армированных промышленных термопластов.

Evaiuator® может помочь конструктору изделий из пластмассы в разных аспектах работы. Он позволяет органолептически оценить твердость, прочность и внешний вид различных термопластов. Изделия могут иметь различную толщину стенок и от­ ливаться с различным расположением мест впуска. Наличие двух частей дает воз­ можность использовать в Evaiuator® бобышки для винтов, выступающие головки и защелки, что позволяет собрать/соединить изделие шестью различными способами. Уникальный образец дает обширную информацию за относительно небольшую цену.

Рис. 3.52. Evaluator® является универсальным прототипом, который можно использовать для оценки как свойств эластомера, так и свойств изделий из него

Evaluator® считается универсальным прототипом, который можно использовать для сравнения свойств полимера, сборочных единиц и расположения впускных литников.

3.11. Стандартные обозначения пластмасс

Поставщики материалов определяют материалы следующим образом:

•Торговая марка: описывает принадлежность материала определенному типу.

•Марка: конкретная структура, молекулярная масса, молекулярно-массовое рас­ пределение и набор добавок.

•Партия: для каждой конкретной партии продукции (обычно эта информация не предназначена для конструктора).

Обозначения торговой марки и марки материала не дают информации о хими­ ческом составе материала, добавках или физических свойствах (обычно в виде ко­ дового обозначения включается лишь ПТР). Торговые марки у одних поставщиков не имеют сходства с обозначениями других поставщиков, так как среди производи­ телей материалов не существует единых стандартов.

Существует стандарт ASTM D4000 («Standart Classification System for Specifying Plastic Materials»), в котором предпринята попытка классифицировать самые разные пластмассы — без наполнителей, с наполнителями и армированные [24]. Система классификации и строка символов (технические условия на материалы) предназна­ чена для предоставления универсального средства идентификации полимерных ма­ териалов, используемых для изготовления изделий, аналогично тому, как обознача­ ется сталь (например, сталь 1030 означает общее обозначение марки стали, которую можно приобрести у большого количества производителей). Система классифика­ ции основана на предположении, что пластмассы могут быть разделены на широкие группы по типу их химического строения и основным свойствам.

0- Одна цифра, свидетельствующая о принадлежности к более широкой группе, используется при необходимости.

1- Две или более букв для идентификации семейства материалов на основе сокращений, приведенных в D 1600.

2— Три цифры обозначают определенную химическую группу, модификацию или класс, а также марку вязкости или степень модификации. Таблица базовых свойств, которая содержит информацию о свойствах материала.

3- Одна цифра, обозначающая способ армирования.

4- Две цифры, обозначающие процент армирования.

5— Одна цифра, которая обозначает таблицу со списком физических характеристик и методов тестирования.

6— Пять цифр, обозначающие определенный физический параметр, который содержится в таб­

лице свойств.

7— Индексные обозначения специальных требований, основанные на применении материала

иуказывающие на специальные тесты.

Рис. 353. Строка обозначений по стандарту ASTM ZM000

Эта система классификации идентифицирует пластмассы за счет использования стандартных обозначений. Такое описание материала упрощает конструктору выбор альтернативных материалов. Система классификации основана на принадлежности к обширной группе материалов, подгруппам внутри этой обширной группы, наличии наполнителей/армирующих добавок и физических свойствах.

Пример материала с армирующими добавками, классифицированного в соответ­ ствии с данным стандартом:

Материал: ZM000 РА 120СЗЗЛ 53380 Технические характеристики:

РА 1 20 — ПА 66 термостабилизированный по техническим условиям D 4066 G33 — армированный стеклом на 33 %, номинальный

А — Таблица Л (D4066) требований к свойствам

5 — предел прочности на разрыв, 175 МПа минимум

3 — модуль изгиба, 7500 МПа минимум

3 — ударная прочность по Изоду, 75 Дж/м минимум

8 — Деформационная термостойкость, 235°С минимум

0 — Не указан Эта система классификации не является безупречной, но она предоставляет наи­

более стандартный формат идентификации разных материалов. В настоящее время он широко не используется, но весьма вероятно, что система обозначений такого типа будет со временем популярной, а базы данных материалов и тестирование образцов станут более стандартизированными процедурами.

3.12. Литература

1.Nagarsheth, P., SPE Annual Technical Conference, 35, 220 (1989).

2.Woodruff, D., Business Week, April 30,110 (1990).

3.Kelley, D., Plastic Design Forum, 12, (1), 80, (1987).

4.Technical Bulletin, «Material Properties Needed for Engineering Design», The DowChemical, Midland, MI.

5.Technical Bulletin, «Basic DesignManual, Polycarbonate», The Dow Chemical, Midland, MI.

6.Technical Bulletin, «Engineering Materials Design Guide», General Electric Plastics, Pittsfield, MA.

7.Technical Bulletin, «Designing with Plastics», Hoechst Celanese, Chatham, NJ (1989).

8.Rietveld, J., «Viscoelasticity», Engineered Materials Handbook, Vol. 2, Engineering Plastics, ASM, 412, (1988).

9.Throne, J., and Progelhof, R., «Creep and Stress Relaxation», Engineered Materials Handbook, Vol. 2, Engineering Plastics, ASM, 658, (1988).

10.Newby, G. and theberge, J., Machine Design, March 8 (1984).

11.So, Pa, «Fractography», Engineered Materials Handbook, Volume 2, Engineering Plastics, American Society of Metals, 805, (1988).

12.Technical Bulletin, «Polycarbonate Design Manual», Miles Corporation, Pittsburg, PA.

13.Rucinski, P., «An Evaluation of Molded-in and Machined-in Notches for Izod Impact Testing», MS Thesis, Department of Plastics Engineering, University of Massachusetts Lowell (1993).

14.Deanin, R., «Polymer Structure, Properties and Applications», Cahners, Boston, MA (1972).

15.Aklonis, J., MacKnight, W. and Shen, M., «Introduction to Polymer Viscoelasticity», Wiley Interscience, NY (1972).

16.LeVerae, L., Plastic Design Forum, 18, (1) , 36, (1993).

17.Dieckmann, D., Plastics Engineering, 45, (11), 29, (1989).

18.Mehta, K. and Oberbach, Society of Plastics Engineers RETEC, Rochester, 51, (1991).

19.Klein, A., Plastics Design Forum, 14, (2), 39, (1989).

20.Kennedy, J., Bornschlegl, E. and Tullman, R., SPE Annual Technical Conference, 36,1736, (1990).

21.Friedman, M., Plastics Design Forum, 11, (4), 61, (1986).

22.MacDermott, C, «Selecting Thermoplastics for Engineering Applications», Marcel Dekker,Inc.,NY(1984).

23.Technical Bulletin, The Evaluator®, The Corr Company, Windsor, VT 05089.

24.ASTM D4000, «Standard Classification System for Specifying Plastic Materials», Annual Book of ASTM Standards, 8.0, (1990).