Udarność jest jednym z kluczowych parametrów w przetwórstwie tworzyw sztucznych. Jest szczególnie ważna w kontekście właściwości użytkowych wyrobu gotowego. Od udarności zależy żywotność przedmiotów codziennego użytku, ale nie tylko. Parametr udarnościowy jest również ważną cechą w inżynierii materiałowej i konstrukcji, zwłaszcza w przypadku materiałów używanych do produkcji np. elementów zabezpieczających, takich jak kaski lub ochraniacze. Od udarności wówczas zależy nasze bezpieczeństwo. W artykule odpowiadamy na pytanie od czego zależy udarność i w jaki sposób można ją kontrolować?

Czym jest udarność?

Udarność wg najprostszej definicji, to odporność materiału na złamanie przy obciążeniu dynamicznym. Parametr ten wyrażony jest w dżulach i określa pracę, jaka jest konieczna do złamania próbki w odniesieniu do jej pola powierzchni przekroju. Udarność jest istotnym parametrem określającym wytrzymałość materiałów polimerowych ze względu na ich zastosowanie. Tworzywa sztuczne często używane są w warunkach, gdzie występują obciążenia dynamiczne, wibracje, czy nagłe zmiany obciążeń.

Jak ocenić udarność?

Istnieje kilka znormalizowanych metod badawczych oceniających wytrzymałość polimerów na obciążenie udarowe:

1. Test Charpy’ego:

Jest to jedna z bardziej powszechnych metod oceny udarności. W teście Charpy’ego próbka w kształcie prostopadłościanu z karbem (nacięciem w kształcie „V”) lub bez jest uderzana młotem przy użyciu określonej energii. Mierzy się, ile energii jest absorbowane przez próbkę przed jej złamaniem. Wynik testu Charpy’ego, to udarna wytrzymałość próbki, wyrażona w dżulach.

2. Test Izoda

Podobny do testu Charpy’ego. Metoda różni się sposobem zamocowania próbki, a próbka jest zawsze z karbem. W teście Izoda próbka jest również uderzana przy określonej energii, a wynik jest wyrażony w dżulach. Ta metoda jest często stosowana do badania udarności w niskich temperaturach.

3. Test Gardnera

Jest to modyfikacja testu Charpy’ego, w której próbka jest zarywana wzdłużnie. Próbka zazwyczaj jest w kształcie pręta. Test Gardnera mierzy udarność wzdłużną materiału, a wynik jest wyrażany w dżulach.

4. Test Dart Drop

W tej metodzie, specjalny grot o znanej masie jest upuszczany z określonej wysokości i uderza w próbkę detalu. Mierzy się energię potrzebną do spowodowania przebicia próbki. Metoda ta jest szczególnie przydatna do badań polimerowych folii i płyt.

Wybór odpowiedniej metody badania udarności zależy od konkretnych wymagań aplikacji i warunków, w jakich materiał będzie użytkowany. Badania udarności pozwalają na ocenę, czy dany materiał polimerowy będzie w stanie wytrzymać obciążenia dynamiczne, co jest kluczowe w projektowaniu wyrobów, które są na nie narażone.

Od czego zależy udarność i w jaki sposób można ją kontrolować?

Udarność zależy od:

  • Struktury molekularnej, na którą możemy wpłynąć wybierając odpowiedni rodzaj tworzywa

Im bardziej nieregularny układ łańcuchów polimerowych, tym większa zdolność do absorpcji obciążeń udarowych. A zatem, jeśli zależy nam na zwiększeniu udarności, powinniśmy wybierać tworzywa amorficzne. W przypadku, gdy jednak konieczne jest użycie np. polipropylenu, warto wiedzieć, że struktura ataktyczna tego polimeru będzie krystalizować słabiej.

  • Stopnia krystaliczności, który możemy regulować poprzez zmianę temperatury i czasu chłodzenia detalu

Wraz ze wzrostem stopnia krystalizacji wzrasta twardość, gęstość, odporność na ścieranie, czy np. wytrzymałość na rozciąganie materiału. Przy czym udarność maleje. Dlatego ważne jest, aby wybierać tworzywa, które tworzą mniej uporządkowaną strukturę, w przypadku kiedy chcemy skupić się na dobrych parametrach udarnościowych wyrobu.

  • Stopnia upakowania materiału, który zależy od ciśnienia i czasu docisku

Podczas gdy ciśnienie wtrysku lub czas docisku są zbyt wysokie, łańcuchy polimerowe są znacznie upakowane, co powoduje wzrost naprężeń wewnętrznych, a to prowadzić może do większej podatności na obciążenie udarowe. W momencie, kiedy mierzymy się z problemem niskiej udarności, warto więc przyjrzeć się parametrom związanym z dociskiem.

  • Geometrii łańcuchów polimerowych, która jest związana z prędkością wtrysku

Rodzaj przepływu tworzywa w formie wtryskowej ma znaczenie jeśli chodzi o kierunkowość właściwości mechanicznych. W przypadku ruchu turbulentnego (przy zwiększonej prędkości wtrysku) obserwujemy chaotyczne ułożenie łańcuchów, co może pozytywnie wpłynąć na udarność lokalną. W przypadku tworzywa napełnionego włóknem, przepływ laminarny może spowodować wzdłużne rozłożenie łańcuchów, co przełoży się na poprawę oporności na rozciąganie materiału, ale tym samym doprowadzi do obniżenia udarności.

  • Długości łańcuchów, cechy wrażliwej na parametrami plastyfikacji

Chyba nikt nie ma wątpliwości co do tego, że negatywnym czynnikiem na wytrzymałość materiału jest jego degradacja, a więc skracanie długości łańcuchów polimerowych (w tym również ścinanie), co wpływa na pogorszenie parametrów wytrzymałościowych detalu. Dlatego ważne jest aby nie przesadzić z temperaturą plastyfikacji, czasem przetrzymywania materiału w układzie, jak również prędkością obrotową ślimaka.

Co jeszcze wpływa na udarność?

  • Temperatura otoczenia

Ma istotny wpływ z uwagi na znamienny profil temperaturowy przemian fazowych każdego polimeru. Tworzywo sztuczne inaczej będzie się zachowywało poniżej oraz powyżej np. temperatury zeszklenia. Ważne jest również odpowiednie kondycjonowanie detali przed badaniami lub użytkowaniem.

  • Stosowane dodatki

Wpływ na parametry wytrzymałościowe, w tym udarność mają stosowane dodatki: napełniacze, włókna, czy masterbatche. Dodatki mogą zachowywać się jak nukleanty, czyli cząstki (zarodki) inicjujące proces krystalizacji. W przypadku kompatybilizatorów, poprawiają one adhezję pomiędzy bazą polimerową a napełniaczem wzmacniając jednocześnie materiał. Natomiast dodatki udarnościowe zachowują się jak swego rodzaju „amortyzatory” poprawiając plastyczność materiału.

  • Struktura powierzchni

Ważnym parametrem wpływającym na udarność jest struktura powierzchni materiału. Wszelkie wady powierzchniowe, wynikające np. z powodu braku kompatybilizacji pomiędzy bazą polimerową, a dodatkiem lub mikrokarby, czyli przerwanie ciągłości powierzchni. Powstałe przy złym odformowaniu (zanieczyszczona/uszkodzona forma) lub złej preparatyce próbek, prowadzą do lokalnego osłabienia materiału, również na obciążenie udarowe.

Więcej o udarności i innych metodach badań tworzyw sztucznych dowiesz się na naszych szkoleniach. Zapoznaj się również z ofertą Centrum Badawczo-Rozwojowego Dopak w zakresie badań laboratoryjnych.

Autor: Ewa Makuła, inżynier R&D w Dopak

Czytaj także:

Proces wtrysku – od czego zacząć przygodę? Wyzwania i kluczowe kroki

Dobór temperatury przetwórczej tworzyw sztucznych – ustawienie temperatury procesu