Прочность полиэтиленовой пленки на растяжение

Начало применения пленочных материалов при изготовлении изделий из кожи относится к последним десятилетиям. Поэтому эти материалы еще недостаточно изучены и для характеристики их свойств применяют в основном те же показатели, что и для характеристики искусственных материалов III класса: предел прочности при растяжении, удлинение при разрыве, жесткость, морозостойкость.

Характерной особенностью пленочных материалов является сильная зависимость показателей их свойств от исходного вещества и методов их изготовления.

Для определения механических свойств пленочных материалов применяются главным образом испытания на прочность при растяжении и на раздир. Эксплуатационные свойства пленок характеризуются показателями износостойкости и ударной прочности.

Прочность при растяжении пленочных материалов определяется аналогично испытаниям других искусственных материалов и характеризуется показателями: предел прочности, предел текучести и удлинение при разрыве. Типичная кривая деформации пленочных материалов показана на рис. 53. На первоначальном участке АБ деформация в основном носит упругий (обратимый) характер. Однако уже и в этой области наблюдается незначительная остаточная деформация. В точке Б начинается холодное течение образца (предел текучести) с появлением так называемой «шейки».

Рис. 53. Типичная кривая растяжения пленок.

Процесс течения образца происходит при практически постоянном напряжении; в этой области БВ происходит ориентация цепей полимера в направлении действия нагрузки, выражающаяся в постепенном увеличении длины шейки при неизменном поперечном сечении ее. С точки В начинается упругая деформация полностью ориентированного образца, при этом вновь начинает возрастать напряжение, и в точке Г происходит разрушение. Характер кривой деформации меняется с изменением температуры, как это видно на рис. 54, на примере полиэтиленовой пленки. При этом наблюдается резкое снижение предела прочности и предела текучести. Для других пленок наблюдается аналогичная картина. Показатели свойств при растяжении различных пленок приведены в таблицах раздела 30; 31; 32.

Рис. 54. Изменение характера кривой растяжения полиэтиленовых пленок при измерении температуры испытания.

Таблица 31

Типичные свойства полиэтиленовых пленок

При оценке этих показателей нужно сказать, что предел прочности и относительное удлинение при разрыве мало характеризуют эксплуатационные свойства пленок, но для сравнительного анализа они чрезвычайно ценны.

Важным показателем является предел текучести. На примере табл. 31 видно, что предел текучести на 15-30% ниже предела прочности. И более правильно характеризовать прочностные свойства пленок именно пределом текучести.

Большинство пленок, в особенности полиэтиленовые, при напряжениях ниже разрушающих при длительно действующих нагрузках проявляют ползучесть, т. е. с течением времени деформируются. Эти значения при высоких напряжениях могут достичь критической величины и привести к разрушению изделия. Возрастание температуры и увеличение прилагаемого напряжения приводит к увеличению скорости ползучести и более быстрому разрушению изделия.

Это нужно помнить при конструировании изделий и в случае сильно напряженной конструкции применять различные укрепляющие детали.

Показатель прочности на раздир особенно важен для пленок. Существующий метод определения сопротивлению раздиру разработан для резины, но может применяться и для пленок. Согласно ему, образец в форме подковки имеет надрезы (рис. 55). При растяжении на динамометре по одному из надрезов идет поперечный разрыв образца.

Сопротивление раздиру вычисляется по формуле

σz = Р / h [кгс/мм],

где Р — нагрузка, вызвавшая раздирание образца по месту надреза, кгс;

h — толщина образца, мм.

Рис. 55. Образец для определения сопротивления материала раздиранию.

Сопротивление раздиру выше у пленок с более равномерными свойствами в продольном и поперечном направлении. Сильная продольная ориентация пленки в процессе изготовления способствует снижению прочности на раздир.

Ударная прочность. Устойчивость пленок к ударному воздействию имеет большое значение для изделий из кожи, особенно для сумочных изделий. За количественную меру ударной прочности принимается вес такого падающегося на пленку груза, который вызывает разрушение 50% испытуемых образцов (эта величина обозначается F50). Или за характеристику принимают вес груза, при воздействии которого разрушается не более 1% всех пленок (величина F1).

Сильно влияет на ударную прочность температура переработки полимера. Жесткий полиэтилен (с плотностью 0,929) при повышении температуры переработки дает пленку более высокого качества. Для мягкого полиэтилена (с плотностью 0,918) оптимальная температура переработки находится ниже.

Меньшая ударная прочность пленки на сгибе по сравнению с прочностью посередине обязательно должна учитываться при конструировании изделий.

Ударная прочность может несколько уменьшаться при хранении. Однако заметные изменения прочности происходят только в первые 20-30 ч после изготовления пленки; дальнейшее уменьшение прочности практически незаметно.

Свойства полиэтилена (ПЭ) имеют широкое многообразие, но особо можно выделить два: высокую химическую стойкость и неспособность вступать в электрохимические реакции, благодаря чему исключается возможность появления коррозии, присущей стали. Далее приведены Свойства полиэтилена, наиболее полно характеризующие полиэтилен как материал, применяемый для изготовления труб и соединительных деталей.

Свойства полиэтилена – Плотность

Свойства полиэтилена во многом определяются его плотностью. В российских и международных стандартах принята следующая классификация ПЭ по группам плотности, кг/м3:

– ПНП (ПВД) – полиэтилен низкой плотности (полиэтилен высокого давления) – 910-925;
– ПСП (ПСД) – полиэтилен средней плотности (полиэтилен среднего давления) – 926-940;
– ПВП (ПНД) – полиэтилен высокой плотности (поли-этилен низкого давления) – 941-965.

Полимеризацией при высоком давлении получают разветвленный ПНП. Полимеризацией при низком давлении различными методами (газофазный, суспензионный, в растворе) получают линейный полиэтилен. При этом за счет введения сополимеров может быть получен ПЭ различной плотности – от 920 до 960 кг/м3.

Гранулы полиэтилена

Отечественные трубные марки ПНД производятся газофазным методом с использованием бутена-1 в качестве сополимера. Полимеризацией при низком давлении может быть получен ПСП. Внешне трубы из ПНД и ПВД ничем не отличаются, поэтому при отсутствии маркировки или паспорта (документа о качестве) на трубы отличить их довольно трудно.

Если имеются два отрезка трубы – из ПНД и ПВД – одного наружного диаметра с одинаковой толщиной стенки, то при приложении равных нагрузок труба из ПНД сплющивается в меньшей степени. Труба из ПНД более твердая, чем труба из ПВД, при проведении по ней ногтем обычно остается малозаметная царапина, тогда как на поверхности трубы из ПВД она более заметна. При ударе о твердую поверхность детали из ПВД издают глухой звук, а детали из ПНД – относительно звонкий звук.

Высокая плотность и монолитность соединения могут быть получены только при сварке деталей из одного вида и марки термопласта. Трубы из ПЭ, ПП или ПБ, сваренные между собой, не образуют прочного соединения и легко разрушаются при механическом воздействии.

Стойкость к климатическому (атмосферному) старению

Полиэтилен чувствителен к ультрафиолетовым лучам и теплу. Под их воздействием изменяются его цвет и механические характеристики, т.е. он становится более твердым и хрупким. Эти изменения происходят не сразу и становятся заметными только после года хранения труб на открытом воздухе, на солнце и в неблагоприятных климатических условиях. Так как трубы укладываются в траншеи, то опасность атмосферного старения полиэтилена становится минимальной.

Свойства полиэтилена – Стойкость к температурным воздействиям

При температурном воздействии, особенно длительном,  полиэтилен в изделии становится более «эластичным», т.е. легко поддающимся деформированию при приложении к нему механических нагрузок. Обычно ПЭ трубы рассчитываются исходя из прочности материала при температуре 20 °С. Если температура ниже этого значения, то проность, как правило, повышается. Это повышение прочности, чаще всего, не учитывается при назначении эксплуатационных параметров трубопровода, но сам факт повышения прочности ПЭ увеличивает коэффициент запаса прочности трубы.

Температура плавления полиэтилена, при которой он переходит из твердого состояния в расплавленное, составляет от 115 до 130 °С. Температура начала размягчения – 110 °С. Температура хрупкости – минус 70 °С.

Свойства полиэтилена – Прочность при растяжении

Значение предела текучести при одноосном растяжении является весьма важной характеристикой ПЭ, т.к. оно указывает о том предельном состоянии материала, по достижении которого в термопласте возникают необратимые деформации. Среднее значение предела текучести ПНП, ПСП и ПВП составляет от 11,0 до 28,0 МПа. Относительное удлинение полиэтилена при пределе текучести составляет 16 %. Разрушающее напряжение – предел прочности при растяжении, составляет более 30,0 МПа.

Относительное удлинение полиэтилена при разрыве

Свойства полиэтилена, значение относительного удлинения при разрыве полиэтилена составляет от 300 до 1000 % при скорости растяжения от 50 до 100 мм/мин и температуре 20 °С. Конкретное значение удлинения при разрыве зависит от скорости растяжения и температуры.

Линейное расширение

Коэффициент линейного расширения полиэтилена в десять раз превышает соответствующий коэффициент для стали. Для полиэтилена он составляет 0,12-0,20 мм/(м-°С), тогда как у стали – 0,011 мм/(м-°С). Это следует учитывать при прокладке трубопроводов из ПЭ труб и соблюдать меры предосторожности.

Релаксационные Свойства полиэтилена

Если ПЭ подвергнуть длительному внешнему воздействию, то со временем внутреннее напряжение ПЭ в изделии уменьшается, т.к. материал как бы адаптируется к новому состоянию – более равновесному.

Свойства полиэтилена – Диффузионная проницаемость

Полиэтилен не является абсолютно герметичным по отношению к диффузионной проницаемости, особенно газов, которая повышается с увеличением температуры. Однако диффузионная проницаемость ПЭ чрезвычайно мала и составляет для газа при давлении до 0,3 МПа – 0,6 м3 на один километр в течение года.

Теплоизоляционные свойства полиэтилена

ППолиэтилен обладает хорошими теплоизоляционными свойствами. Тем не менее, для подземных трубопроводов теплоизоляционные характеристики грунта не менее значимы, чем аналогичные свойства самой полиэтиленовой трубы. Коэффициент теплопроводности полиэтилена составляет в среднем 0,22-0,4 Вт/(м-°С).

Стойкость к химическим веществам полиэтилена

Полиэтилен в изделии обладает хорошей стойкостью к воздействию различных агрессивных химических веществ: азотной кислоты различной концентрации, аммиака (газообразного, сухого, 100%-го, чистого, водного раствора, насыщенного на холоде), технического ацетона, бензина, винной кислоты, любого вина, воды (дистиллированной, деминерализованной, обессоленной, минеральной, морской), солей калия, сжатого воздуха, содержащего масла, солей меди и магния, отходящих газов систем канализации и др., содержащих диоксид углерода, соляную кислоту, диоксид серы, ртуть, сероводород, серу, мочевину, мыльный раствор и пр.

Обладает относительной стойкостью в концентрированной (более 50%) азотной кислоте, бензоле и некоторых других ароматических углеводородах.

Свойства полиэтилена – Горючесть

Свойства полиэтилена при контакте с огнем полиэтилен быстро загорается, плавится и стекает каплями. Пламя при горении – синее, слабосветящееся, с запахом затухающей свечи.

Наиболее опасными токсичными газами, образующимися при сгорании полиэтилена, являются углерода оксид (СО), водорода хлорид (HCI) и углерода диоксид (СО2). Количество СО, выделяющегося при термическом разложении полиэтилена, составляет 9-12 %.

Диоксид углерода в малых концентрациях не представляет большой опасности: его концентрацию 1,5 % в воздухе человек переносит без вреда для организма, но при концентрациях 3,0-4,5 % этот газ становится опасным для жизни человека при получасовом вдыхании. В настоящее время в нашей стране отсутствуют нормативные документы, регламентирующие критические концентрации СО, СО2, HCI и О2 при пожаре. В связи с этим для оценки пожарной опасности пластмассовых трубопроводов литературными источниками рекомендуются следующие критические концентрации: СО – 0,1 %, СО2 – б %, HCI – 5 % и О2 – 17 %.

В качестве замедлителей горения полиэтилена применяются хлор- и бромсодержащие органические соединения. В качестве средств пожаротушения применяются: тонко распыленная вода, вода с добавками поверхностно-активных веществ, пена, огнетушащие порошки, асбестовое полотно и др.

Санитарно-гигиенические свойства

Из полиэтилена в воду могут выделяться некоторые химические вещества в концентрациях, не превышающих предельно допустимую (ПДК). Мигрирующие соединения, как правило, не придают воде привкусов и запахов, но могут вызывать образование быстроисчезающей пены при взбалтывании водных вытяжек.

Для светостабилизации полиэтилена применяют различные сорта сажи, содержащие до 0,5 мг/кг бензопирена. Количество сажи в полиэтилене не должно превышать 2,5 %. Исследования показали допустимость использования труб из ПЭ для транспортирования хлорированной воды. При этом не отмечено значительного увеличения хлоропоглощаемости.

ПНД может выделять в воду те же вещества, что и ПВД, но кроме того – остатки комплексных металлоорганических катализаторов и растворителей. Трубы из ПЭ, облученные дозами ускоренных электронов или лучами, не изменяют вкуса и запаха соприкасающейся с ними воды и не повышают ее окисляемость.

Установлено, что увеличение числа бактерий в стоячей воде, находящейся в ПЭ трубах, вызвано их размножением вследствие органических загрязнений, имеющихся в воде, а не влиянием полимерного материала. Посев бактериальных культур, выделенных из водопроводной воды, в минеральную среду с полиэтиленом порошками различной молекулярной массы в качестве единственного источника углерода доказал, что эти микроорганизмы не в состоянии употреблять полиэтилен. ПВД не влияет на выживаемость в воде кишечной палочки. Таким образом, основным ограничением при использовании полиэтилена в контакте с питьевой водой является опасность изменения ее органолептических Свойства полиэтилена, в основном запаха.