Испытания полимерных пленок на прокол. Прочность пленок при продавливании

Упаковочные пленки являются многотоннажным продуктом, применяемым в самых разных областях как в промышленности, так и в быту. Рынок полимерных пленок и листов – быстрорастущий и наиболее важный сектор упаковки (четверть всего производимого пластика). Но отечественная концепция надежности полимерных упаковочных материалов на сегодняшний день не сформулирована однозначно. Существующие государственные стандарты и технические условия зачастую недостаточно актуальны, чтобы с высокой точностью и достоверностью зафиксировать востребованные потребителями эксплуатационные характеристики современных пленочных материалов.

Процесс производства и фасовки полиэтиленовой и термоусадочной пленки в стране определяется требованиями ГОСТ 10354-82 и ГОСТ 25951-83. Со времени их разработки методики тестирования практически не изменились – в отличие от технологий производства и маркетинговых требований. Но измерительное оборудование стало точнее и увеличился базовый набор показателей контроля качества пленок.

При этом комплексной задачей покупателя пленочных упаковочных материалов является снижение временных затрат на входной контроль товара при минимизации риска приобретения бракованной продукции. Гарантировать минимизацию рисков в данном случае поможет выбор ответственного поставщика, практикующего управление качеством продукции – как на стадии поставок сырья, технологических производственных операций, так и тестирование готовой продукции на соответствие заявленным параметрам. Производители пленок вынужденно осуществляют контроль показателей качества, востребованных покупателями, необходимую и достаточную точность которых можно достигнуть при помощи определенного испытательного оборудования. Крупные потребители упаковочных материалов выбирают надежных поставщиков, которые контролируют сыпучесть и насыпную плотность полимерного сырья; производят входной контроль качества каждой партии на соответствие цвету, размеру гранул, наличию скользящих добавок; на отсутствие посторонних включений, пыли и влажности.

По этой причине отечественные потребители упаковочных пленок актуализируют в своих технических условиях требования испытаний по релевантным методикам (ASTM, ISO и др.). Следование единым правилам оценки качества пленок позволяет сравнивать результаты и делать выводы.

Наиболее проработанными с точки зрения прочности пленок являются нормативные требования ASTM (Американского общества по испытаниям и материалам), вот некоторые из них:

Так, например, упаковочные пленки должны обладать стабильными характеристиками по всей площади полотна, такими как: прозрачность, глянец/блеск, равномерность окраски, свариваемость, прочность, жесткость, намотка (включая намотку по торцу), плотность и толщина, а также показателями напряжения и степени усадки, способностью противостоять проколам и разрывам, что обеспечивает комплексное качество упаковки.

Производство качественных пленок осуществляется на экструдерах, которые позволяют осуществлять:

  • автоматически (с точностью до 0,1%) загружать и смешивать компоненты сырья и антистатика;
  • автоматически контролировать заданную толщину, ширину плёнки; точность её намотки (контактной, реверсивной, центральной) и натяжения.

Важными характеристиками качества упаковочных материалов являются прочностные показатели – прочность на прокол, на продавливание, разрывная прочность, удлинение при разрыве (по ГОСТ 14236-81). Для их определения в большинстве случаев используется разрывная машина МИМ. Коэффициент сопротивления разрыву или предел прочности при растяжении измеряется по нормам ASTM D882-02.

Сопротивление проколу характеризует величину нагрузки, которая гарантирует проникновение стандартной иглы внутрь материала. Этот вид двухосной нагрузки развивается при упаковке в пленку твердых выступающих частей. Методика проведения таких испытаний по нормативам (ASTM 1306) устанавливает прочность, нагрузку, удлинение образца – до того, как произойдет прокол гибких барьерных пленок. Для тестирования тканей в качестве щупа применяются стержень или шарикоподшипник. Прочность на прокол определяется в соответствии с требованиями ASTM D 5748. Показатели при прокалывании (прочность, нагрузка при разрушении, глубина проникновения) фиксируют при проникновении зонда (Ø19 мм) при заданной скорости (250 мм/мин), кроме того прочность на прокол определяют продавливанием шариком (Дж) при стандартных температурах + 23°С, – 20°С и – 40°С).

Модуль Юнга (модуль упругости, МПа) характеризует способность материала упруго деформироваться вдоль оси внешнего воздействия (равен отношению напряжения к приращению длины образца). Сопротивление раздиру по Элмендорфу (Н) определяют по методике ISO 6383. Маятник под воздействием нагрузки движется по дуге, разрывая предварительно надрезанный образец, нагрузку, при которой надрез увеличивается, фиксируют как прочность на раздир.

Предел текучести пленочного материала определяется согласно требованиям ASTM D882-02. Большинство изделий из полимеров получают формованием из расплавленного состояния с последующим охлаждением. По этой причине на процесс производства и прочностные свойства готовой продукции сильно влияют реологические качества расплава в условиях разных температур и сдвиговых напряжений. В первую очередь это величина ПТР (показатель текучести расплава), которая диктует способ и характеристики процесса переработки полимера (масса (г/10 мин) или объем (см3/10 мин) сырья, при заданных температур и нагрузке прошедшего за 10 минут через капилляр экструдера). Базовым отличием всех стандартов является время преднагрева сырья, которое требуется исполнять неукоснительно.

При воздействии вешней нагрузки в полимере развиваются деформации, характеристики которых зависят от физико-механических свойств, от формы образца, от величины и направления воздействия нагрузки, что, в свою очередь, обуславливает необходимость выполнения нормативных требований к методике проведения механических испытаний.

Первой манипуляцией с испытуемыми образцами можно назвать кондиционирование, приводящее испытываемые образцы в равновесное состояние. При испытании пластмасс кондиционирование происходит при 23°С и влажности 50%. Но вот время кондиционирования образцов различается. По ГОСТ 12423 и ISO 291 оно составляет ≥88 часов, а по ASTM D618 – ≥40 часов.

Прочность полимера при растягивающей нагрузке до разрыва служит первичным критерием для рекомендаций его использования в конкретной отрасли. Образец-лопатку растягивают вдоль оси с заданной скоростью, фиксируя удлинение и нагрузку, выдерживаемые им до разрушения.

ГОСТ 11262, ISO 527, ASTM D638 исследуют образцы разных размеров, что определяет параметры испытаний (дистанция между зажимами, заданные длина, ширина и толщина и др.). Скорость нагружения также может отличаться. Модуль упругости при растягивающей нагрузке требует выбора адекватного интервала деформации.

Жесткость полимеров определяется как способность противостоять изгибу: образец прямоугольной формы изгибают в средней части между опорами при скорости=const до разрушения или заданной деформации, фиксируя разрушающую нагрузку и размер деформации.

Показатель ударной вязкости (пластичности) материала характеризует способность противостоять ударным нагрузкам. Для определения пластичности при помощи маятникового копра МИК образец подвергают удару маятника, при этом фиксируется нагрузка, приведшая к разрушению образца. Величина ударной вязкости вычисляется как отношение силы удара к начальной площади поперечного сечения образца. При определении ударной вязкости по Шарпи (ISO 179, ГОСТ 4647, ASTM D6110) образец помещается на двух опорах, а ударная вязкость по Изоду (ГОСТ 19109, ASTM D256, ISO 180) требует консольного крепления.

Помимо свойств используемой упаковки, важную роль при определении срока годности продуктов, будут оказывать и факторы, определяющие состояние внутри упаковки (влажность, свет, температура, газовый состав). Изменение газового состава в комбинации со снижением температуры внутри упаковки является наиболее эффективным, на сегодняшний день, способом увеличения срока годности, хранящейся в ней продукции. Современные приборы позволяют контролировать газовый состав (определять концентрации отдельных газов: кислорода и/или углекислого, либо угарного газа) внутри упаковки.

Испытание плёнок на ударную прочность производится по стандарту ISSO 7765-1 (метод «А») или ASTM D1709-04. При этом стандарт ASTM D1709 применяется только к пленкам и не имеет ограничений толщины исследуемого материала. Требования ISO 7765 позволяют испытать на прочность любой листовой материал, толщина которого меньше 1 мм.

Прочность по методу падающего дротика (оснащен полусферическим наконечником Ø38 мм) заключается в его сбрасывании с высоты 0,66 мм на образец пленки (более 20 шт.), зафиксированной над отверстием. Массу дротика уменьшают или увеличивают в зависимости от первичного результата. Заполняется таблица и вычисляется средняя масса падающего груза при 50% разрушенных образцов. За результат принимают вес, при котором разрушится 50% образцов.

Разрушающий вес при ударе mf (г) вычисляют по формуле:

По стандарту ASTM D1709 – если число разорванных образцов не достигает половины из общего числа (10 из 20), тестирование продолжается. Стандарт ISO 7765 такого требования не имеет, фиксируя общее число разорванных образцов из 20. Исследования по стандарту ASTM D1709 допускают применение электромагнитного или пневматического захвата пленки, тогда как в ISO, применяется только электромагнитный способ захвата листового образца материала.

Для упаковки продуктов питания (а также при изолировании острых кромок) важным показателем считают сопротивление продавливанию и прокалыванию твердыми, острыми или ребристыми краями, что важно при сохранении пищевых продуктов. Методики испытаний в соответствии с требованиями ГОСТ 12.4.118-82; ASTM F 1306 в качестве индентора используется шарик диаметром 35 мм.

При проведении статического испытания на прокол по нормам EN 14477 (Parker Pen Test) полоска образца фиксируется в нижнем зажиме и сверху прокалывается острием Ø0,8 мм, записывается при этом максимальное усилие при проколе.

Стандарт ASTM F 1306 предписывает изучение прочности при прокалывании слоистых материалов и заградительных пленок посредством конического стержня с углом наклона 6° или индентора с радиусом наконечника 1,6 мм. При проведении испытаний по нормам этого стандарта пленка фиксируется над отверстием Ø35 мм.

Инженеры компании "ГОСТ" разработали оригинальную методику и приспособление для тестирования прочности упаковочных пленок при прокалывании по нормам DIN EN 14477, отличающихся простотой и надежностью зажима как полосок, так и длинных лент, а также легкостью смены наконечника в сменных губках цангового зажима.

Стандарт ASTM D 5748 предполагает применение индентора с тефлоновым покрытием большего радиуса. В процессе деформации пленка растягивается, затем рвется, что позволяет в процессе испытании получить еще один параметр прочности – деформативность пленки при многоосном напряжении.

Поведение тонких полимерных плоских изделий под прямой ударной нагрузкой изучается для определения энергии разрушения с построением диаграмм "усилие-деформация" или "усилие-время" при неизменной скорости бойка. Этот метод применим к пленкам толщиной ≤1 мм и позволяет сравнивать их по усилию пробоя. Методика позволяет уловить границы перехода пленки от хрупкого состояния к вязкому, варьируя скорость падения груза и показатели относительной влажности, температуры.

Характеристики испытуемых пленок сопоставимы, если соблюдается правило неизменности стандартных условий испытаний и подготовки к ним образцов (размер, поверхность). Полученная в процессе испытаний диаграмма "усилие-деформация" описывает разрушение материала под внешним ударным воздействием: оно будет "хрупким", "пластичным" или "вязким", получит первичное повреждение или образование/ развитие трещин. Диаграмма отразит и динамические последствия: резонансные явления между взаимодействующими объектами (боек - датчик нагрузки – образец), или инерционные пики первичного контакта образца с бойком:

Схема испытательного механизма

При анализе проявленных на диаграмме явлений необходимо учитывать их исследовательский, а не декларативный характер.

Для исследования пленок на прочность мы можем предложить свое сертифицированное оборудование – разрывные и универсальные испытательные машины МИМ, плотномеры и толщиномеры, приспособление для определения сопротивления проколу, муфельные печи, копры маятниковые МИК, длиноходовые экстензометры.

Каталог товаров
Навигатор
Мы перезвоним вам в ближайшее время

Режим работы с понедельника по пятницу, с 10:00 до 20:00