Механические свойства экструдированных ПВХ профилей

При сравнении экструдированных строительных ПВХ профилей разных зарубежных производителей потребителю непросто предпочесть определенного поставщика. В отношении оконных ПВХ профилей и окон действует универсальный норматив RAL GZ 716-1, а также ряд экспресс-методов, о которых подробно рассказывалось в предыдущих выпусках "СиН". Что касается прочих популярных ПВХ профилей (siding, cladding, кабель-каналы), то рядовому потребителю остается только верить красочным рекламным проспектам, повествующим об этих товарах, небылицам "знатоков" и собственной интуиции.


В принципе все стройматериалы, как конструкционные, так и отделочные, проверяются всеми известными методами. Существуют методики сопромата, строительной механики, строительной теплотехники. Но полимерные и в особенности экструдированные полимерные строительные материалы обладают рядом специфических характеристик, вследствие чего существуют и особые методы их испытаний.

Рассмотрим некоторые из них. Механические испытания пластических масс сводятся к экспериментальным определениям их свойств, позволяющим оценить поведение материала в поле механических сил. В узком смысле под испытаниями понимают осуществляемые по унифицированным методикам тесты, результаты которых позволяют сравнивать поведение различных пластмасс в одинаковых условиях.

Подавляющее большинство механических характеристик пластмасс связано с ярко выраженным релаксационным и активационно-кинетическим характером процессов, определяющих поведение полимеров во внешнем поле и приводящих к весьма заметной зависимости любой характеристики полимеров от времени, скорости нагружения и в особенности от температуры. Кроме того, пластмассы проявляют способность к вынужденной высокоэластичности. Поэтому механические свойства пластмасс приходится оценивать множеством показателей, используя большое количество методов испытаний и разнообразную аппаратуру.

Полученные в результате испытаний характеристики применяют для различных целей: при разработке новых материалов, для технического контроля материала при выпуске серийной продукции, при его инженерной оценке (при выборе материала для создания изделия), а также для конструкторских расчетов изделий. Широкий комплекс характеристик используют при строительной оценке материала. К ним относятся: плотность, диаграмма "напряжение - деформация" при растяжении или сжатии, деформация при разрушении, прочность (разрушающее напряжение), твердость, модуль упругости (статический), динамический модуль упругости, зависимость деформации от времени (ползучесть) при растяжении или сжатии, релаксация напряжения при заданной деформации, остаточная деформация сжатия, показатель механических потерь, длительная прочность, усталостная прочность (или выносливость), сопротивление раздиру, ударная вязкость, коэффициент трения, износостойкость, теплостойкость (температура стеклования, размягчения), коэффициент морозостойкости, температура хрупкости. Некоторые из этих показателей применяют также для технического контроля.

Основные стандарты для различных методов испытаний экструдированных полимерных профилей приведены в таблице. Во многих случаях даже для одного показателя эти методы в различных странах отличаются качественно (по принципу испытания), что не дает возможности сопоставлять результаты испытаний.

Зависимость "напряжение - деформация": испытания для определения вида зависимости "напряжение - деформация" или отдельных показателей свойств, определяемых на основе этой зависимости, проводят при растяжении, сжатии, изгибе, сдвиге, срезе, кручении, раскалывании и других видах нагружения.

При испытании на растяжение образец в виде двойной лопатки или прямоугольной полоски закрепляют в плоских зажимах или специальных захватах разрывной машины и растягивают при постоянной скорости взаимного перемещения захватов; отношение длины равномерной рабочей части образца к ее максимальному поперечному размеру составляет, как правило, менее 5. В стандартах предусматривается обычно несколько типов образцов различных размеров для испытания материалов, различающихся по эластичности.

Испытания на сжатие осуществляют, помещая образец в форме параллелепипеда или цилиндра между двумя сближающимися при постоянной скорости параллельными плитами из закаленной стали; отношение высоты параллелепипеда к минимальному размеру основания составляет 1,5 или 2,9.

Испытания на изгиб проводят, нагружая образец, свободно лежащий на двух опорах; по середине с помощью нагружающего наконечника, движущегося с постоянной скоростью относительно опор; отношение расстояния между опорами к толщине образца равняется 16 (ГОСТ 4648-71).

Испытание на раскалывание проводят путем внедрения клина прямо в торцовую поверхность слоистого пластика, так что действующее ребро клина устанавливается параллельно слоям. Испытания на сдвиг требуют сложного крепления образцов, поэтому для снятия диаграммы "напряжение сдвига - деформация" вплоть до разрушения часто используют кручение тонкостенных труб, а для определения модуля сдвига - кручение тонких полосок.

Наиболее полно свойства пластмасс при таких испытаниях выражаются зависимостями "напряжение - деформация".

Типичные кривые "нагрузка - деформация", иллюстрирующие разрушение: 1 - при малых деформациях без текучести; 2 - при малых деформациях с текучестью при максимальном напряжении; 3 - при больших деформациях с реализацией условного (смещенного) предела текучести; 4 - при больших деформациях с реализацией текучести. На основании этих кривых определяют основные показатели материала. Напряжение и деформации рассчитывают по отношению к исходным размерам образца по известным всем строителям формулам:

d= F/S (F - сила, S - площадь сечения, на которое действует сила)

e=Dlх100/D 0,%

напряжение изгиба (=3Pl/ 2bh2, (P - изгибающая сила, l - расстояние между опорами образца, b, h - ширина и толщина образца.

Сопротивление раскалыванию = S p = P/a, (P - нагрузка, а -ширина образца).

Учитывая релаксационный характер механических свойств ПВХ, необходимо достаточно строго соблюдать временной режим испытаний. Обычно постоянную скорость взаимного перемещения рабочих органов испытательной машины выбирают так, чтобы продолжительность испытания составляла 0,5 - 2 мин. Поскольку различные виды пластмасс сильно отличаются по максимально возможным деформациям, что особенно проявляется при растяжении, устанавливают несколько постоянных скоростей испытания, например 1, 5, 25, 50, 100, 500 мм/мин при растяжении, чтобы охватить весь диапазон материалов - от хрупких до эластичных.

В связи с большой общностью в методике определения этих характеристик испытания при разных видах деформации, как правило, выполняют на универсальных испытательных машинах, которые путем замены рабочих органов приспосабливают для разнотипных испытаний. Для этого современные разрывные и универсальные испытательные машины имеют привод с широкой вариацией (1: 500) скоростей движения рабочих органов, большой набор силоизмерителей с различными диапазонами нагрузок [от долей н (кгс) до нескольких кН (тс). В практике массовых испытаний успешно используют испытательные машины и с меньшей универсальностью, рассчитанные на один-два вида испытаний. Так, широко распространены машины, позволяющие испытывать материалы только на сжатие и изгиб, так как эти испытания не связаны с большим ходом рабочего органа, необходимым для испытания на растяжение. Распространены машины с двумя типами силоизмерителя: маятниковым (нежестким) и жестким. Первый из них дает несколько большую динамическую погрешность и часто не позволяет точно установить режим испытания.

Под твердостью пластмасс обычно подразумевают их способность сопротивляться внедрению других тел. Ее оценивают, относя силу, под действием которой внедряется индентор, к размеру отпечатка, образовавшегося при внедрении. Размеры отпечатка определяют обычно, когда образец находится под нагрузкой. При определении твердости вначале дают небольшую предварительную нагрузку для установления начального положения индентора на образце; затем прилагается основная нагрузка, образец выдерживают под ее действием, измеряется глубина внедрения, после чего основная нагрузка снимается. При одинаковой общей схеме многочисленные методы определения твердости пластмасс различаются по значениям нагрузок и глубин внедрения, времени приложения нагрузки и форме индентора.

В большинстве европейских стран определяют твердость по Бринеллю (Нв) по формуле:

Нв=Р>
где P - сила, приложенная к шарику, D - диаметр шарика, h - глубина внедрения шарика в поверхность материала. Стандарты обычно регламентируют максимально и минимально допустимые глубины внедрения шарика. В этом случае для внедрения шарика можно использовать ряд последовательных нагрузок, в котором соотношение последующей и предыдущей нагрузок равно отношению максимальной глубины внедрения к минимальной. Это обеспечивает перекрытие всего диапазона твердостей без дублирования. В отечественных стандартах это отношение равно ~2,7; нагрузки составляют 5; 13,5; 36,5; 98,0 кгс (49, 127, 358, 961 н), а глубины внедрения - от 0,13 до 0,35 мм. Хорошую сопоставимость данных для различных материалов обеспечивает метод определения твердости по Бринеллю при одинаковой для всех материалов глубине внедрения, равной по ГОСТ 0,3 мм. В методике ISO объединены метод с одним шариком и разными нагрузками и метод с применением разных шариков, а также дана формула вычисления твердости, не зависящей от нагрузки.

В США определяют твердость по Роквеллу - непосредственно по глубине внедрения отпечатка после снятия нагрузки, что позволяет твердость по шкале прибора.

При экспресс-испытаниях, не требующих большой точности, определяют твердость по Шору с помощью затупленной иглы (усеченного конуса). Показатель твердости в этом методе определяют по условной шкале, в зависимости от глубины проникновения индентора (алмазной иглы) под действием силы стандартной пружины.

В следующих номерах рассмотрим наиболее важные для определения потребительских свойств экструдированных ПВХ профилей испытания на теплостойкость, ударное разрушение, хрупкость, длительную прочность, истирание.

Владимир КОВАЛЬ