Tworzywa sztuczne o dobrych właściwościach mechanicznych

W zastosowaniach, w których elementy z tworzyw sztucznych muszą wytrzymywać obciążenia, szczególnie ważną rolę odgrywają właściwości mechaniczne polimerów. Do podstawowych właściwości mechanicznych materiałów należą:
  • Wytrzymałość: miara odporności materiału na obciążenia zewnętrzne
  • Sztywność: miara odporności materiału na odkształcenia
  • Twardość: miara odporności materiału na odkształcenia pod obciążeniem naciskowym skupionym
  • Odporność na obciążenia dynamiczne: miara zdolności pochłaniania energii przez materiał przy uderzeniach

Właściwości te można badać i porównywać dla różnych produktów z wykorzystaniem znormalizowanych metod testowych. Właściwości tworzyw sztucznych związane z rozciąganiem (np. wytrzymałość na rozciąganie i sztywność) można przykładowo określać zgodnie z normą DIN EN ISO 527. W tym celu podczas próby rozciągania obciążenie przykładane jest przez krótki czas w jednym kierunku. Potencjalne wyniki oraz typowe wartości obserwowane podczas takiego testu, w zależności od zachowania się materiału, podsumowano na poniższym wykresie:

Firma Ensinger testuje właściwości mechaniczne wszystkich produkowanych przez siebie półproduktów. Uzyskane informacje zamieszczane są w naszych znormalizowanych arkuszach danych technicznych produktów. Użytkownik może bezpośrednio i w sposób pewny porównać właściwości fizyczne różnych materiałów technicznych.

Należy jednak pamiętać, że przy porównywaniu wartości podanych przez firmę Ensinger z wartościami pochodzącymi z innych źródeł możliwe jest występowanie rozbieżnych wyników. Może to być spowodowane różnymi metodami badań, różnymi prędkościami probierczymi i różnymi próbkami. Różnice mogą także wynikać z faktu, iż większość opublikowanej literatury dotyczącej materiałów termoplastycznych bazuje na wynikach uzyskanych na próbkach formowanych wtryskowo, natomiast informacje zamieszczone w arkuszach danych firmy Ensinger uzyskiwane są w oparciu o próbki wytwarzane przez wytłaczanie. Stopień krystaliczności i ułożenie włókien w materiałach wytłaczanych i formowanych wtryskowo są różne, co z kolei prowadzi do istotnych różnic w zakresie mierzonych wartości.

Wytrzymałość na rozciąganie i wytrzymałość na zginanie (odporność mechaniczna)

Wytrzymałość na zginanie oraz wytrzymałość na rozciąganie to dwie wartości najczęściej wykorzystywane przy porównywaniu tworzyw sztucznych. Oferowane przez firmę Ensinger tworzywa sztuczne o dużej wytrzymałości na rozciąganie obejmują:

Wytrzymałość na rozciąganie i wytrzymałość na zginanie materiałów wytłaczanych poprawia się po dodaniu do nich wzmacniających włókien węglowych i szklanych.

Sztywność – moduł sprężystości przy rozciąganiu i zginaniu

Sztywność materiałów bez wypełniaczy wyrażana jest za pomocą modułu sprężystości przy rozciąganiu. Do produktów firmy Ensinger zapewniających najlepszą sztywność należą: TECASINT 4111 (PI), TECAPEEK (PEEK), TECAST (PA 6 C), TECAFORM AD (POM-H) i TECAPET (PET).

Najwyższy możliwy moduł sprężystości uzyskuje się w przypadku materiałów wzmocnionych włóknem węglowym i włóknem szklanym, takich jak:

Wytrzymałość na ściskanie

Wytrzymałość na ściskanie [MPa]

Wytrzymałość na ściskanie wskazuje na krótkotrwałą zdolność do przyjmowania obciążeń przez różne tworzywa sztuczne. Mierzy się ją poprzez przyłożenie rosnącej siły do próbek w kształcie walca lub kostki, utrzymywanych pomiędzy dwiema płytami. Mierzy się przy tym nacisk i wydłużenie. 
 
W przypadku termoplastów wartość wytrzymałości na ściskanie przy pęknięciu nie zawsze jest istotną miarą, gdyż próbki wielu plastycznych materiałów ulegają odkształceniom bez wyraźnego pękania. Nadmierne odkształcenia pod obciążeniem nie byłyby zatem dobrą oznaką dla pomyślnego zastosowania w rzeczywistych warunkach przemysłowych. Z tego powodu zwykle nie podaje się obciążenia ściskającego przy pęknięciu, lecz w określonym punkcie odkształcenia (z reguły 1%, 2% lub 10%). Przed przystąpieniem do porównywania parametrów ściskania pochodzących z różnych źródeł bezwzględnie należy sprawdzić warunki, w jakich przeprowadzono testy!
 
Warto także zwrócić uwagę na fakt, że dodatek wzmocnienia w postaci włókien węglowych lub szklanych pozwala zwykle uzyskać poprawę wytrzymałości polimeru na ściskanie. Jednak z uwagi na polepszenie właściwości związanych z pełzaniem efekt makroskopowy jest raczej długoterminowy i nierozpoznawalny przy obciążeniu krótkotrwałym.


Materiały kompozytowe wzmocnione włóknem:

Odporność na obciążenia dynamiczne – odporność na uderzenia

Wytrzymałość / obciążenie [MPa]
 
Odporność termoplastów na uderzenia (udarność) mierzona jest w ramach próby udarności Charpy’ego lub Izoda. Mały pręt o przekroju prostokątnym uderzany jest z dużą prędkością przez wahadło. Mierzy się energię przyjmowaną przez próbkę przy uszkodzeniu: im wyższa jest ta wartość, tym większa jest odporność na uderzenia. Gdy w przypadku tworzyw sztucznych o wysokiej udarności próbki nie ulegają pęknięciu i nie udaje się zmierzyć użytecznej wartości, próbę powtarza się z karbem wykutym w próbce, aby uzyskać informacje o parametrach w trudniejszych warunkach.


Do tworzyw sztucznych o wysokiej odporności na uderzenia należą:
 

Twardość

Twardość kulkowa [MPa]

Twardość powierzchniową można mierzyć na wiele różnych sposobów. W przypadku jednej z metod najczęściej stosowanych do badania termoplastów ustalana jest tzw. „twardość kulkowa”. Metalowa kulka o znormalizowanych wymiarach wciskana jest w materiał z określoną siłą przez określony czas. Wartość twardości stwierdza się na podstawie śladu kulki w materiale. Inną metodą stosowaną często do badania twardości jest próba twardości Rockwella.

Metalowa kulka o znormalizowanych wymiarach wciskana jest w materiał z określoną siłą przez określony czas. Wartość twardości jest określana na podstawie śladu kulki w materiale. Inną metodą stosowaną często do badania twardości jest próba twardości Rockwella.
 
Materiały wypełnione włóknem szklanym i włóknem węglowym wykazują najwyższą twardość powierzchniową, natomiast do najlepszych pod względem tej właściwości materiałów bez wypełniaczy należą: