Контроль качества полимеров и образцов из них

Входной контроль качества полимеров, а затем изделий из них является составной частью производственного процесса и направлен на проверку надежности продукции в процессе изготовления, потребления или использования. Конечно, эксплуатационные характеристики изделий непосредственно зависят от качества исходных сырья и добавок для придания различных свойств. В статье специалистов компании «СИБУР ПолиЛаб» речь пойдет о полимерах и полимерных образцах, контроль же качества добавок рассматриваться не будет. Тем не менее часть информации является общей для различных материалов.

Центр испытаний и развития методик, ООО «СИБУР ПолиЛаб»
Динара ГАБДУЛЛИНА, руководитель центра
Татьяна ЗИЯДОВА, менеджер

Контроль качества должен включать следующие основные этапы:
— проверка наличия сопроводительных документов;
— визуальный осмотр продукции;
Несмотря на формальность, процедура проверки наличия сопроводительных документов является важной составляющей входного контроля. В качестве сопроводительной документации могут выступать паспорт (сертификат) качества, технические условия, паспорт безопасности химической продукции, протокол испытаний, экспертное заключение. Рассмотрим назначение каждого документа на примере опыта компании «СИБУР».
Паспорт (сертификат) качества — официальный документ, удостоверяющий соответствие продукции действующим техническим условиям. Он содержит следующую информацию: наименование предприятия-изготовителя и его адрес, дату разработки паспорта качества с регистрационным номером, наименование продукции и дату ее выпуска, показатели в соответствии с производственной документацией, их нормативные и фактические значения, а также срок годности продукции. Паспорт (сертификат) качества выдается в обязательном порядке.
Технические условия (ТУ) — основной внутренний документ, устанавливающий требования, предъявляемые к конкретным маркам полимера. Цель создания ТУ — регламентирование процесса производства и использования продукции. Технические условия содержат обязательные требования и описание процедуры, касающейся проверки их соблюдения. ТУ — необязательный для предоставления документ, может выдаваться по запросу.
Протокол испытаний содержит результаты исследований и тестирования, на основании которых принимается решение о соответствии продукции требованиям, изложенным в ТУ. Протокол выдается испытательной лабораторией после тестирования продукции и предоставляется по запросу.
Паспорт безопасности химической продукции предназначен для обеспечения достоверной информацией по безопасности промышленного применения, хранения, транспортировки и утилизации химической продукции. Паспорт включает информацию о свойствах, степени опасности вещества и основных рисках, связанных с его применением. Данный документ в обязательном порядке содержит информацию, которая необходима для обеспечения безопасности жизни людей, сохранности здоровья и окружающей среды. Такой паспорт предоставляется по запросу.
Визуальный осмотр продукции
Подготовка образцов
Этот раздел посвящен не только методам испытаний, но и пробоподготовке образцов. Под пробоподготовкой понимается способ изготовления определенного типа образцов и условия их кондиционирования.
Методом литья под давлением получают образцы из термопластичных полимеров. Гранулы полимера нагреваются в материальном цилиндре ТПА до вязкотекучего состояния и впрыскиваются в разъемную форму, охлаждаемую водой.
Для ряда полимерных материалов (обычно это большинство видов полиэтилена) испытания проводят на образцах, полученных методом прессования с дальнейшей вырубкой. Вначале с помощью пресса изготавливается пластина определенной толщины в пресс-форме в виде ограничительной рамки. Процесс прессования заключается в пластической деформации гранул полимера при одновременном воздействии на них тепла и давления с последующей фиксацией формы пластины. После этого можно приступить к вырубке образцов в виде лопаток, брусков, дисков и других типов.
Некоторые образцы для испытаний могут быть получены только путем механической обработки заготовок. Для этого можно использовать механические или специализированные фрезерные станки. В станок вставляется мастер-плата, форму которой повторяет фреза — таким образом изготавливается образец необходимой формы.
Еще один способ изготовления образцов — вырезание. Такой способ используется для тонких образцов типа пленок. Реализуется такой способ с помощью станков для вырезания образцов.
Любое силовое воздействие на полимер сопровождается деформацией, то есть изменением формы, объема и плотности, и зависит от величины этого воздействия, химической природы и физико-механических свойств полимера. Для устранения возникших напряжений применяют кондиционирование образцов, которое проводят при определенной температуре и влажности, указанных в нормативно-технической документации для данного материала. В случае испытания полимерных образцов время и условия кондиционирования оказывают большое влияние на результат тестирования.
В каждом нормативном документе для конкретного испытания указаны типы образцов, при этом зачастую не один, а несколько. При выборе одного из типов образцов необходимо обратить внимание на прогнозируемую разницу в результатах: полученный на одном типе образца результат может отличаться от результата, полученного при тестировании другой пробы.
Методы контроля качества
Рассмотрим основные методы контроля качества, применяемые при испытании полимеров и изделий из них. Следует оговориться, что данная статья представляет собой обзор данных, полученных из практики сотрудниками ООО «СИБУР ПолиЛаб», и не претендует на полноту описания всех методов испытаний полимеров и изделий из них.
Первое, на что обращают внимание при переработке полимеров — это показатель текучести расплава (ПТР), так как получение большинства изделий из пластиков осуществляется методом перевода твердых форм материала в расплав с последующим формованием и охлаждением. Поэтому в процессе переработки полимеров очень важно определять реологические свойства, с помощью которых можно описать поведение расплава в условиях разных температур и сдвиговых полей.
Исходя из значения данного показателя, выбирается метод и параметры переработки, а также осуществляется оперативный контроль качества сырья и стабильности процессов.
Для определения ПТР используются пластометры. Они могут быть автоматическими, полуавтоматическими и ручного исполнения. Расплавленный материал продавливается через специальную фильеру, при этом существует два основных метода получения ПТР: массовый и объемный. По опыту продолжительность объемного метода меньше, чем длительность массового, за счет отсутствия необходимости взвешивания получаемых отрезков.
Вторым по важности параметром для определенной группы полимеров (например, полиэтилен) является плотность. Данный показатель определяет стабильность работы экструдера при заданных настройках, устройств подачи сырья, а также влияет на некоторые технологические параметры.
Для определения плотности необходимо разделить массу на объем какого-либо фрагмента материала. Эту задачу можно решить двумя основными способами: с помощью весов и оснастки для гидростатического взвешивания или с помощью градиентной колонны. Гидростатическое взвешивание — доступный метод, для которого потребуются весы, емкость с рабочей средой (например, вода или спирты) и специальная оснастка, позволяющая взвешивать погруженный в жидкую среду материал. Данный метод предполагает предварительное изготовления образцов полимера. Измерение плотности в градиентной колонне происходит за счет градиента плотностей смеси жидкостей. В смесь жидкостей погружают фрагмент образца, который продолжает опускаться до точки, в которой его плотность равна плотности жидкости. Метод основан на определении глубины погружения испытуемого образца по отношению к эталонам плотности, которые помещены в колонну с раствором. Такой способ позволяет находить значение плотности напрямую путем сопоставления равновесного положения материала с калибровочной таблицей.
Для части отраслей применения может потребоваться определение содержания летучих веществ. Особенно важно определение этого параметра при производстве полимерных труб. Данный параметр влияет на качество как самих получаемых изделий, так и переработки материала. Повышенное содержание влаги или низших углеводородов может привести к возникновению таких дефектов, как пустоты в материале, изменение цвета или структуры поверхности, а также ухудшить адгезионные свойства (например, прочность сварного шва для полимерных труб).
Содержание летучих веществ определяется с помощью вычисления изменения массы материала в условиях сушки за определенный промежуток времени. Для тестирования необходим сушильный шкаф и весы достаточной точности. Испытание проводится согласно различным стандартам, и здесь особенно важно обратить внимание на указанную в выбранном стандарте химическую посуду и условия измерения, поскольку это может значительно повлиять на конечный результат, например, чем больше диаметр стаканчика, тем выше значение летучих веществ при одной и той же массе навески полимера. Существуют разновидности метода в зависимости от типа летучих веществ, однако в общем они сводятся к просушке материала до постоянства массы.
Одними из ключевых физико-механических параметров, которые часто фигурируют при испытании полимеров, являются параметры, характеризующие свойства при растяжении. К ним относятся предел текучести при растяжении, прочность при разрыве, относительные удлинения при разрыве и при пределе текучести, а также модуль упругости при растяжении. У различных материалов данные свойства проявляются по-разному, например, у ряда изделий из полимеров (пленки, листы), а также у резины может отсутствовать предел текучести. В таких случаях используют условный предел текучести. Определение свойств при растяжении подробно описаны и стандартизованы, поэтому при наличии разрывной машины воспроизвести их несложно. Свойства при растяжении в первую очередь определяют прочность материала во время его использования в готовых изделиях, в условиях отсутствия ударных нагрузок.
В дополнение к свойствам при растяжении может определяться стойкость к ударным нагрузкам. Этот параметр существенным образом определяет стойкость готового изделия к возможным падениям или ударам. Для выполнения испытания используют специальные механизмы — маятниковые копры. Во время испытания образец подвергается удару маятника с определенной скоростью, и определяется энергия, которая потребовалась для его разрушения. Два наиболее широко используемых испытания для определения ударной вязкости по Шарпи и по Изоду отличаются между собой, главным образом, расположением образца. В случае с испытанием по Шарпи образец размещается на опорах плашмя, а по Изоду — закрепляется консольно. Поскольку условия удара, реализуемые в методах Шарпи и Изода, различны, получаемые количественные характеристики ударной вязкости сравнивать не рекомендуется. В нормативных документах, касающихся испытания полимеров, для дальнейшего формования труб и непосредственно самих труб наиболее часто встречается метод определения ударной вязкости по Шарпи. При этом по опыту метод определения ударной вязкости по Изоду часто применяется для тестирования материалов, применяющихся для производства упаковки и для хранения.
Важно гарантировать сохранность полимерных труб при случайном воздействии (ударе) во время транспортировки или укладки. Для оценки стойкости материала в реальных условиях эксплуатации существует испытание, которое проводится путем сбрасывания бойка определенной массы на отрезок трубы при различных температурах. Высоту и массу бойка при этом можно варьировать для достижения разрушения изделия. Тест может выполняться на автоматическом приборе с подбором массы и высоты, но возможно применение аналогичных конструкций и свободно падающего бойка. В результате оцениваются масса бойка и высота падения, которые и привели к разрушению образца, то есть физически анализируется энергия разрушения.
Для упаковочных решений важно обеспечить не только прочностные свойства, но и оптические характеристики, которые будут гарантировать привлекательность товара на витрине. Из оптических параметров можно выделить такие, как мутность, прозрачность, светопропускание и блеск. Каждый товар и упаковка требуют соответствия этих характеристик определенным эталонам. Для их измерения применяются особые приборы — фотометры пропускания и блескомеры. Это компактные приборы, с помощью которых возможно оперативно контролировать настройки производства (например, линии по изготовлению пленок). Условия измерения оптических параметров зависят от свойств самого материала.
Среди всего спектра испытаний к наиболее демонстративным и запоминающимся в отрасли производства жесткой упаковки относятся натурные испытания на стойкость к удару при свободном падении. Такое тестирование совмещает оценку прочностных и низкотемпературных свойств изделия. Осуществляют испытание с использованием специализированных подъемных платформ. Суть метода заключается в следующем: после успешного прохождения теста (отсутствие разрушения изделия) высоту сбрасывания увеличивают постепенно до тех пор, пока не будет установлен предел, при котором изделие разрушится. Испытание ступенчатым методом проводят до того момента, при котором минимальное количество разрушенных и неразрушенных образцов равно 20. Каждый материал характеризуется свойственной ему высотой падения. Предельная высота, при которой изделие повреждается, определяет условия его эксплуатации или хранения. Показатели предельной высоты сбрасывания помогают оценить необходимость дополнительной упаковки изделий для их безопасной транспортировки.
Рассмотренные методы испытаний — только часть всевозможных методик, используемых для определения показателей качества полимеров. В зависимости от конечного применения конкретного материала и изделия подбирается индивидуальный комплекс испытаний.
Вопросы, касающиеся испытаний и переработки полимеров, а также другие темы рассматриваются на вебинарах на платформе «Бизнес-практики «СИБУР», во время которых можно задать вопросы и предложить к обсуждению интересующие переработчиков аспекты производства изделий из пластмасс.


Посмотреть в журнале