STANOVENÍ PEVNOSTI V TAHU U MĚKKÝCH OBALOVÝCH FÓLIÍ
Úvod Pevnost v tahu je jednou ze základních mechanických vlastností obalových materiálů charakterizujících jejich odolnost vůči mechanickému namáhání, podobně jako pevnost v tlaku, ohybu, zkrutu, nárazu, střihu, lomu atd. Pro měkké obalové materiály (např.: fólie) je významná právě pevnost v tahu, která často podmiňuje jejich použití. Je-li vzorek obalové fólie namáhán silou F působící ve směru rovnoběžném s jeho povrchem, dochází k protahování fólie. Jestliže tuto sílu působící na obalový materiál vztáhneme na plochu příčného průřezu testované fólie A, získáme hodnotu tzv. tahového napětí 𝜎: 𝐹 𝜎= , 𝐴 kde 𝜎 je tahové napětí v MPa, F je síla v N působící na vzorek fólie rovnoběžně s povrchem a A je plocha příčného průřezu vzorku v mm2, tj. ve směru kolmém na směr působící síly. Jako pevnost v tahu se označuje maximální hodnota tahového napětí, při které dojde k přetržení vzorku. Kromě pevnosti v tahu jsou pro použití obalových fólií významné i další parametry. Změny tvaru testovaného vzorku při namáhání. Jeho deformaci charakterizuje tzv. relativní prodloužení ξ charakterizované vztahem: 𝐿
𝜉 = 𝐿 ∙ 100, 0
kde ξ je relativní prodloužení v %, L0 je délka vzorku v mm ve směru působení síly na počátku zkoušky a L je délka v mm během protahování vzorku. Pokud jde o relativní prodloužení, jsou z hlediska obalových fólií významné dvě hodnoty, a to je maximální prodloužení, tj. deformace odpovídající pevnosti v tahu (prodloužení v okamžiku přetržení), a prodloužení na mezi elasticity, tj. maximální prodloužení, při kterém je deformace (prodloužení) vzorku vratné. Obě hodnoty mají pro použití polymerních obalových fólií velký význam, např. elastické prodloužení u elastomerů se pohybuje v rozmezí cca 500 – 1000 %. Dalším významným parametrem je tažný modul E, který vyjadřuje odolnost materiálu vůči deformaci. Jeho význam je patrný z následujícího obrázku 1, kdy jeho hodnota je dána směrnicí deformační křivky:
𝜎 = 𝑓(𝜉), tj. vztahem: 𝐸=
𝜎 . 𝜉
Vzhledem k tomu, že prodloužení je bezrozměrná veličina, je rozměr E stejný jako rozměr tahového napětí. Pro většinu polymerních materiálů používaných v obalářské praxi není deformační křivka lineární (plná čára) a podobá se spíše závislosti znázorněné čárkovanou čarou, tj. hodnota tažného modulu není konstantní a je závislá na napětí. V těchto případech se jako tažný modul obvykle stanoví směrnice tečny k deformační křivce v počátku (tečkovaná přímka).
tažný modul
pevnost v tahu
Obrázek 1 Deformační křivka testovaného polymeru. Další významnou charakteristikou, kterou lze z deformační závislosti vzorku získat je tuhost W, která je vyjádřením práce, neboli energie nezbytné k deformaci, respektive k přetržení testovaného vzorku. Tuhost je dána plochou pod deformační křivkou, viz obrázek 2.
Obrázek 2 Deformační křivka s vyjádřením tuhosti jakožto plochy pod křivkou Je zřejmé, že podle pevnosti v tahu a tuhosti lze rozlišit několik případů chování polymerů v tahu znázorněných na obrázku 3. Čára A znázorňuje deformační čáru materiálu křehkého, tj. pevného, ale ne tuhého, čára B materiálu dostatečně pevného i tuhého a čára C materiálu málo pevného i tuhého
Obrázek 3 Deformační křivky různých materiálů lišících se pevností a tuhostí. Příklad typického chování polymerních materiálů je znázorněno na obrázku 4. Jako pevný, rigidní plast se chovají např.: polystyren, polymethylmetakrylát, polykarbonát atd., jako měkké polymerní materiály např.: polyolefíny, měkčený polyvinylchlorid atd.
Obrázek 4 Příklady typického chování polymerních materiálů. V praxi je nutné neopomenout skutečnost, že mechanické vlastnosti obalových fólií se liší podle směru působící síly. To může být způsobeno úpravou fólie (například její orientací) během výroby a při každém posuzování je nutné uvádět směr, kterým byla fólie při zkoušce namáhána. Z tohoto hlediska se rozeznávají dva základní směry, a to směr výroby fólie (machine directiopn) a směr na něj kolmý (cross direction nebo někdy trans direction). Je-li fólie navinuta na roli je směr výroby dán navinutím. Je-li fólie dodána v archu, musí být směr výroby zadavatelem vyznačen (někdy je patrný i na vzhledu fólie)
Cíl úlohy Cílem úlohy je stanovit základní mechanické parametry obalové polymerní fólie. Toto stanovení se provádí na laboratorním trhacím zařízení Instron postupem shodným s ČSN 64 0604 – Zkoušení plastů: Zkouška tahem fólií z plastů.
Materiály a přístroje Přístroje, zařízení, měřidla, pomůcky a materiál
jednosloupové laboratorní zařízení Instron – model 5544 (Instron, Ltd. UK). Použité příslušenství: snímač síly (2 kN), pneumatické čelisti pro tahovou zkoušku s pístovým vzduchovým kompresorem, vyhodnocovací software Series IX,
řezačka na vyřezávání pásků o šířce 15 mm z testovaných fólií,
mikrometr L&W SE D 051 pro přesné stanovení tloušťky testovaného obalového materiálu,
testovaný vzorek polymerní obalové fólie (pro stanovení je třeba 15 pásků fólie o šířce 15 mm pro každý směr fólie)
Pracovní postup Stanovení je trhací zkouškou, při níž je vzorek obalové fólie uchycen čelistmi trhacího zařízení a definovanou rychlostí protahován. Zařízení automaticky snímá sílu potřebnou k deformaci a na základě stanovené tloušťky obalové fólie ji přepočítává na tahové napětí. Vyhodnocuje se maximální síla potřebná k přetržení vzorku, odpovídající maximální tahové napětí (pevnost vzorku v tahu), deformace, tj. prodloužení v okamžiku přetržení a mechanická práce (energie) potřebná k přetržení vzorku (tuhost). Ze vzorku obalové fólie určené ke zkoušce se vystřihne minimálně 20 pásků o šířce 15 mm a délce 10 cm a to 10 ve směru výroby fólie a 10 ve směru příčném (kolmém na směr výroby fólie). U každého pásku se stanoví tloušťka s přesností na 1 μm a to třikrát pro každý vzorek cca 1 cm od konců a uprostřed. Pro každý pásek se vypočte aritmetický průměr stanovených hodnot. Je potřeba vědět jaká průměrná tloušťka přísluší danému pásku, proto je důležité si pásky vhodně označit. Zapněte přístroj Instron a spusťte řídící počítač. Spustit ovládací a vyhodnocovací software Merlin (zástupce by měl být na ploše). Po spustění SW Merlin zmáčknout tlačítko SERIES IX (vyskočí dialogové okno Download in progress), nechat přístroj načíst programem. Software naběhne do nového okna (musí naběhnout i čísla pro sílu a vzdálenost na horním okraji okna). Zmáčknout ikonku Test a následně nastavit název souboru s příponousoubor .MRD (vložit datum měření ve formátu: DDMMRRRR.mrd) a dát OK. Vyskočí nové okno, ve kterém je potřeba nastavit mód měření - Tensile (zkouška v tahu) a vybrat metodu č. 05 (Obaly zkouška tahem) a dát OK. Zadat číslo vzorku - napsat třeba 1 (není důležité). Následně vynulovat polohu čelistí (nastavit jejich vzdálenost na 5 cm). Čelistmi sjedu pomocí šipek na ovládacím panelu, který je přímo u zařízení, co nejvíce k sobě. Je důležité dát pozor, aby do sebe čelisti nenarazily. Pro vynulování polohy zmáčknout zelené tlačítko vpravo nahoře, objeví se nová nabídka a zmáčknout Reset lenght. Pomocí šipek na ovládacím panelu u Instronu
od sebe vzdálím čelisti na vzdálenost 5 cm (vzdálenost si kontroluji v pravé horní části obrazovky počítače) a poté znovu vzdálenost vynuluji pomocí Reset lenght. Upevnit pásek do čelistí a poté vynulovat sílu, vpravo nahoře vedle tlačítka na nulování vzdálenosti zmáčknout tlačítko na nulování síly, vyskočí nová nabídka a zmáčknout Balance. Na liště měření zmáčknout Start test. Vyskočí tabulka pro zadání tloušťky fólie v mm a s desetinou tečkou, zadám aritmetickou tloušťku fólie, která přísluší danému pásku. Odkliknout OK a přístroj začne měřit. Mezi měřeními nezapomenout dělat Balance na vynulování síly, neboť upevňováním nového pásku do čelistí se siloměr nepatrně rozhodí. Naměřené hodnoty si průběžně zapisujte do sešitu. Měření je hotové po proměření 10ti pásků daného směru. Ukončení měření po proměření 10ti pásků fólie daného směru se provede zmáčknutím tlačítka End sample na liště měření a poté zvolit Continue. SW se zeptá, jestli nechci tisknout report zvolit Cancel. SW se mě zeptá, jestli chci uložit soubor s příponou .TXT, zvolit OK. SW se zeptá, jestli chci začít nové měření s druhým směrem fólie, zvolím OK. Následně nastavím postupuji stejně jako na začátku měření prvního testovaného směru fólie s tím rozdílem, že není třeba znovu nastavovat a nulovat 5cm vzdálenost čelistí od sebe. Po dokončení měření druhého směru postupuji stejně jako při ukončení měření prvního testovaného směru fólie s tím rozdílem, že pokud se SW zeptá na to, zda-li chci měřit další vzorek, tak zvolím Cancel. Následně SW skočí do ona kde zmáčknu tlačítko Exit, následně Exit to Windows. Je-li to potřeba tak vypnu PC a následně i zařízení Instron.
Výpočty Program počítače automaticky vyhodnotí průběh deformační zkoušky a spočítá čtyři základní parametry: maximální sílu v okamžiku přetržení, pevnost v tahu, prodloužení v okamžiku přetržení (tržnou délku), mechanickou práci nezbytnou k nevratné deformaci vzorku (k jeho přetržení) a modul. Pro každý hodnocený parametr uveďte do tabulky aritmetický průměr a směrodatnou odchylku, dále statisticky vyhodnoťte (analýza rozptylu: ANOVA 1-faktorová analýza) významnost rozdílů v hodnocených parametrech mezi výsledky pro oba směry působení síly, tj. mezi vzorky zkoušenými ve směru výroby testované fólie a ve směru na něm kolmém.
