27.05.2025
Оценка срока эксплуатации изделий из пластмасс
Одним из важнейших эксплуатационных показателей изделий из пластмасс является срок службы или эксплуатации. Пользователю требуется уверенность в том, что изделие прослужит долгое время, и в течение этого срока будет удовлетворять его потребностям. Существует несколько вариантов оценки срока службы пластика, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.
Для правильного анализа методов и интерпретации выводов необходимо фиксировать термины и определения. Без таких предварительных договоренностей может быть непонятно, что имеется в виду под сроком службы. Пока пластик не разрушился? Пока изделие работает? Пока цвет не изменился? Пока не охрупчилось? Пока соответствует заданным характеристикам? Ответ на какой из этих вопросов обеспечит нужное определение понятию?
В соответствии с пунктом 1 статьи 5 ФЗ РФ 2300-1 от 7 февраля 1992 года «О защите прав потребителей» срок службы — это период, в течение которого изготовитель (исполнитель) обязуется обеспечивать потребителю возможность использования товара (работы) по назначению и нести ответственность за существенные недостатки, возникшие по его вине.
Срок годности — период, по истечении которого товар (работа) считается непригодным для использования по назначению. Сроки годности устанавливаются для продуктов питания, парфюмерно-косметических товаров, медикаментов, товаров бытовой химии и другой подобной продукции (результаты работы), которая по истечении определенного времени может представлять опасность для жизни, здоровья потребителя, причинять вред его имуществу или окружающей среде, либо которая в процессе хранения или использования теряет свои потребительские свойства, в результате чего становится непригодной для использования по назначению [1].
Долговечность — способность элемента или системы длительно сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при определенных условиях эксплуатации [2].
1) снижение прочности при растягивающих, изгибающих, сжимающих и других нагрузках;
2) повышение хрупкости;
3) изменение цвета и/или оптических показателей;
4) изменение специальных свойств (электрическая прочность, теплостойкость, геометрические размеры и так далее).
Первой сложностью, с которой сталкиваются исследователи, является определение критерия или набора критериев, которые характеризуют предельное состояние. Часто для упрощения анализа в качестве этого принимают стандартные показатели: модуль упругости, прочность при растяжении, относительное удлинение при растяжении и другие, применяя для этого стандартные образцы.
Основной ошибкой является использование полимерного сырья в качестве объекта исследования. Обычно производится изготовление стандартных образцов (обычно методом литья или прессования), которые подвергаются испытаниям на стандартные показатели, затем ускоренному воздействию оцениваемого фактора и дальнейшим повторным испытаниям для определения изменений характеристики. При этом сложно оценить степень влияния метода производства таких образцов, а также его отличие от технологии реального серийного выпуска конкретных изделий. Не могут быть учтены внутренние остаточные напряжения, возникающие при ориентации расплава, частичная термоокислительная деструкция в процессе пластикации, интенсивность охлаждения и другие факторы.
Правильным для более корректной оценки долговечности является исследование конечного изделия, изготовленного в реальном производственном цикле со всеми его достоинствами и недостатками. В этом случае характеристикой предельного состояния может быть какое-либо функциональное эксплуатационное свойство, которое в редких случаях можно определить без стендовых испытаний или испытаний на стандартизированном оборудовании со специальной оснасткой.
При оценке воздействия повышенной температуры часто используется закон Аррениуса, который описывает зависимость константы скорости реакции от температуры и величины энергии активации. Типичный алгоритм работы выглядит следующим образом:
1) выбирается характеристика материала, чувствительная к изменению структуры при старении и получают экспериментально результаты зависимости этой характеристики от времени при испытательных температурах;
2) строятся графики (изотермы) временной зависимости изменения свойств;
3) выбирается предельный коэффициент сохранения свойств материала, при достижении которого считается, что свойства материала ухудшаются настолько, что применение его в дальнейшем невозможно;
4) для каждой испытательной температуры определяется время, при котором коэффициент сохранения свойств достигает предельно допустимого уровня ухудшения параметра;
5) температурный ресурс испытуемого материала при необходимой температуре определяется по графику зависимости температурного ресурса от обратной температуры. Для определения гарантийного срока хранения материала используется также методика, основанная на пересчете скоростей старения материала при высоких температурах на температуру его хранения или эксплуатации.
Расчетное время эксплуатации зависит от температуры использования изделия, значения энергии активации и констант, характерных для конкретного полимера. Подробная методика определения энергии активации приведена в ГОСТе Р 56722-2015 «Пластмассы. Термогравиметрия (ТГ) полимеров. Часть 2. Определение энергии активации».
На практике научный подход оборачивается большими погрешностями в оценке реального срока эксплуатации, вызванного неточностью экстраполяции от жестких условий ускоренных испытаний к более мягким усредненным условиям эксплуатации. Например, одновременным протеканием двух параллельных конкурирующих процессов (структурирование и деструкция), непостоянством условий эксплуатации в связи с переменой температуры в течение суток, влажности воздуха, солнечной радиации и других факторов [3].
Весь комплекс механических свойств полимерного материала определяется соотношением между временем релаксации и временем действия силы. Это так называемый критерий Деборы (Д). Чем меньше Д, тем быстрее релаксирует система и тем она более податлива. Очень малое значение Д характерно для низкомолекулярных жидкостей. Однако, если время действия возмущающей силы очень велико, то Д будет мало даже для больших τ, характерных для эксплуатационных показателей полимеров. Так, полимер, особенно несшитый, может проявить текучесть (ползучесть, податливость) даже под действием собственного веса (хладотекучесть) [4].
Если определяется только фотохимическая стабильность, то испытания проводятся при непрерывном воздействии излучения. В течение всего испытания контролируется плотность потока излучения. Влажность в везерометре (испытательной климатической камере, не нормируется и не контролируется. Дождевания образцов не производится. Критерием окончания испытаний является либо время выдержки образца в камере, либо накопление определенной дозы излучения.
Наряду с фотохимической стабильностью определяется стабильность материалов и изделий к воздействию повышенной температуры и изменений температуры.
Если необходимо проводить комплексные испытания, приближенные к натурным, то наряду с облучением образцы подвергаются воздействию повышенной влажности, циклической смене температуры и дождеванию. Облучение в этом случае может производиться в циклическом режиме, имитируя дневной и ночной периоды.
Фотохимическое воздействие облучения определяется интенсивностью и дозой УФ-излучения. В свою очередь, доза излучения может быть рассчитана из средних показателей объема попадающей на поверхность земли солнечной радиации в каждом климатическом поясе.
При этом наблюдаются следующие проблемы корреляции между параметрами ускоренных испытаний и параметрами реальной эксплуатации изделий из пластмасс:
— различия в относительной спектральной освещенности лабораторного источника света и солнечной радиации;
— уровни облученности выше, чем те, которые испытываются в реальных условиях использования;
— циклы облучения, в которых используется непрерывное воздействие излучения лабораторного источника света без каких-либо темных периодов;
— температура образца выше, чем в реальных условиях;
— условия воздействия, которые вызывают очень частые циклы между высокими и низкими температурами образца или которые вызывают нереалистичный тепловой удар;
— нереалистичные уровни влажности при ускоренном испытании по сравнению с фактическими условиями использования;
— отсутствие биологических агентов, загрязняющих веществ или конденсации.
Не существует некоего универсального коэффициента ускорения и, в целом, расчет этого коэффициента является весьма сложным.
Несколько опубликованных исследований и стандартов приводят к среднему коэффициенту ускорения 9 между ускоренным лабораторным воздействием и эксплуатацией в жестких условиях Флориды или Аризоны в США. В более умеренном климате (Краснодар или Ставрополь в России) коэффициент ускорения увеличивается. Ряд исследований предлагает коэффициенты ускорения в 20 и более для этого типа климата для стандартных изделий из полистирола. Эти средние коэффициенты ускорения — всего лишь порядки величины, потому что они могут резко отличаться у разных продуктов или климатических зон [5].
— корректность выбора критерия оценки. В идеале это должна быть функциональная эксплуатационная характеристика, требующая стендовых испытаний;
— корректность выбора типа образца. В идеале это должна быть часть (элемент) изделия, изготовленного серийным промышленным способом;
— корректность выбора и обоснования метода старения. Он должен учитывать все виды воздействия на изделие во время эксплуатации, а не только, например, УФ-излучение;
— корректность расчета или выбора коэффициента старения.
Можно смело делать два основных вывода. Во-первых, достоверность прогнозирования свойств готовых изделий резко падает с ростом глубины экстраполяции. Горизонт времени оценки может составлять не более 5 лет, в большинстве случаев не более 3 лет. Во-вторых, наиболее надежным способом является метод аналогий или сравнения, где одинаковому одновременному воздействию подвергаются некий эталон, срок эксплуатации которого известен, и испытуемый образец. По сравнению динамики изменения свойств можно с некоторой экспертной достоверностью утверждать о том, что испытуемый образец лучше или хуже референсного.
Таким образом, в настоящее время основой для оценки срока службы, срока эксплуатации или долговечности изделия служит экспертная оценка специалиста или нескольких специалистов. Существующие на сегодняшний день методы определения этих сроков не позволяют использовать результаты измерений без вдумчивой и комплексной интерпретации эксперта.
Посмотреть в журнале
Сергей ТРИФОНОВ,
директор испытательной лабо-
ратории ООО «ПолимерФизик
Руссланд», руководитель учебного
центра ООО «Академия пластмасс»
Для правильного анализа методов и интерпретации выводов необходимо фиксировать термины и определения. Без таких предварительных договоренностей может быть непонятно, что имеется в виду под сроком службы. Пока пластик не разрушился? Пока изделие работает? Пока цвет не изменился? Пока не охрупчилось? Пока соответствует заданным характеристикам? Ответ на какой из этих вопросов обеспечит нужное определение понятию?
В соответствии с пунктом 1 статьи 5 ФЗ РФ 2300-1 от 7 февраля 1992 года «О защите прав потребителей» срок службы — это период, в течение которого изготовитель (исполнитель) обязуется обеспечивать потребителю возможность использования товара (работы) по назначению и нести ответственность за существенные недостатки, возникшие по его вине.
Срок годности — период, по истечении которого товар (работа) считается непригодным для использования по назначению. Сроки годности устанавливаются для продуктов питания, парфюмерно-косметических товаров, медикаментов, товаров бытовой химии и другой подобной продукции (результаты работы), которая по истечении определенного времени может представлять опасность для жизни, здоровья потребителя, причинять вред его имуществу или окружающей среде, либо которая в процессе хранения или использования теряет свои потребительские свойства, в результате чего становится непригодной для использования по назначению [1].
Долговечность — способность элемента или системы длительно сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при определенных условиях эксплуатации [2].
Таким образом, срок эксплуатации зависит от применения терминологии: он может зависеть от гарантий производителя, от влияния характеристик изделия на человека и окружающую среду или от срока достижения предельных состояний.
Предельные состояния и разрушение пластика
Типичным подходом при оценке возможной длительности эксплуатации изделий из пластмасс является определение срока достижения предельных состояний. Предельными состояниями могут быть следующие:1) снижение прочности при растягивающих, изгибающих, сжимающих и других нагрузках;
2) повышение хрупкости;
3) изменение цвета и/или оптических показателей;
4) изменение специальных свойств (электрическая прочность, теплостойкость, геометрические размеры и так далее).
Первой сложностью, с которой сталкиваются исследователи, является определение критерия или набора критериев, которые характеризуют предельное состояние. Часто для упрощения анализа в качестве этого принимают стандартные показатели: модуль упругости, прочность при растяжении, относительное удлинение при растяжении и другие, применяя для этого стандартные образцы.
Основной ошибкой является использование полимерного сырья в качестве объекта исследования. Обычно производится изготовление стандартных образцов (обычно методом литья или прессования), которые подвергаются испытаниям на стандартные показатели, затем ускоренному воздействию оцениваемого фактора и дальнейшим повторным испытаниям для определения изменений характеристики. При этом сложно оценить степень влияния метода производства таких образцов, а также его отличие от технологии реального серийного выпуска конкретных изделий. Не могут быть учтены внутренние остаточные напряжения, возникающие при ориентации расплава, частичная термоокислительная деструкция в процессе пластикации, интенсивность охлаждения и другие факторы.
Правильным для более корректной оценки долговечности является исследование конечного изделия, изготовленного в реальном производственном цикле со всеми его достоинствами и недостатками. В этом случае характеристикой предельного состояния может быть какое-либо функциональное эксплуатационное свойство, которое в редких случаях можно определить без стендовых испытаний или испытаний на стандартизированном оборудовании со специальной оснасткой.
Коэффициент старения при температурном воздействии
После выбора критерия оценки достижения предельного состояния необходимо определить коэффициент ускорения, с которым должны проводиться исследования. То есть, какая длительность ускоренного старения соответствует исследуемому сроку эксплуатации.При оценке воздействия повышенной температуры часто используется закон Аррениуса, который описывает зависимость константы скорости реакции от температуры и величины энергии активации. Типичный алгоритм работы выглядит следующим образом:
1) выбирается характеристика материала, чувствительная к изменению структуры при старении и получают экспериментально результаты зависимости этой характеристики от времени при испытательных температурах;
2) строятся графики (изотермы) временной зависимости изменения свойств;
3) выбирается предельный коэффициент сохранения свойств материала, при достижении которого считается, что свойства материала ухудшаются настолько, что применение его в дальнейшем невозможно;
4) для каждой испытательной температуры определяется время, при котором коэффициент сохранения свойств достигает предельно допустимого уровня ухудшения параметра;
5) температурный ресурс испытуемого материала при необходимой температуре определяется по графику зависимости температурного ресурса от обратной температуры. Для определения гарантийного срока хранения материала используется также методика, основанная на пересчете скоростей старения материала при высоких температурах на температуру его хранения или эксплуатации.
Расчетное время эксплуатации зависит от температуры использования изделия, значения энергии активации и констант, характерных для конкретного полимера. Подробная методика определения энергии активации приведена в ГОСТе Р 56722-2015 «Пластмассы. Термогравиметрия (ТГ) полимеров. Часть 2. Определение энергии активации».
На практике научный подход оборачивается большими погрешностями в оценке реального срока эксплуатации, вызванного неточностью экстраполяции от жестких условий ускоренных испытаний к более мягким усредненным условиям эксплуатации. Например, одновременным протеканием двух параллельных конкурирующих процессов (структурирование и деструкция), непостоянством условий эксплуатации в связи с переменой температуры в течение суток, влажности воздуха, солнечной радиации и других факторов [3].
Весь комплекс механических свойств полимерного материала определяется соотношением между временем релаксации и временем действия силы. Это так называемый критерий Деборы (Д). Чем меньше Д, тем быстрее релаксирует система и тем она более податлива. Очень малое значение Д характерно для низкомолекулярных жидкостей. Однако, если время действия возмущающей силы очень велико, то Д будет мало даже для больших τ, характерных для эксплуатационных показателей полимеров. Так, полимер, особенно несшитый, может проявить текучесть (ползучесть, податливость) даже под действием собственного веса (хладотекучесть) [4].
Методика испытания пластика на старение под ультрафиолетом
Ускоренные испытания в камере солнечной радиации проводятся несколькими методами.Если определяется только фотохимическая стабильность, то испытания проводятся при непрерывном воздействии излучения. В течение всего испытания контролируется плотность потока излучения. Влажность в везерометре (испытательной климатической камере, не нормируется и не контролируется. Дождевания образцов не производится. Критерием окончания испытаний является либо время выдержки образца в камере, либо накопление определенной дозы излучения.
Наряду с фотохимической стабильностью определяется стабильность материалов и изделий к воздействию повышенной температуры и изменений температуры.
Если необходимо проводить комплексные испытания, приближенные к натурным, то наряду с облучением образцы подвергаются воздействию повышенной влажности, циклической смене температуры и дождеванию. Облучение в этом случае может производиться в циклическом режиме, имитируя дневной и ночной периоды.
Фотохимическое воздействие облучения определяется интенсивностью и дозой УФ-излучения. В свою очередь, доза излучения может быть рассчитана из средних показателей объема попадающей на поверхность земли солнечной радиации в каждом климатическом поясе.
При этом наблюдаются следующие проблемы корреляции между параметрами ускоренных испытаний и параметрами реальной эксплуатации изделий из пластмасс:
— различия в относительной спектральной освещенности лабораторного источника света и солнечной радиации;
— уровни облученности выше, чем те, которые испытываются в реальных условиях использования;
— циклы облучения, в которых используется непрерывное воздействие излучения лабораторного источника света без каких-либо темных периодов;
— температура образца выше, чем в реальных условиях;
— условия воздействия, которые вызывают очень частые циклы между высокими и низкими температурами образца или которые вызывают нереалистичный тепловой удар;
— нереалистичные уровни влажности при ускоренном испытании по сравнению с фактическими условиями использования;
— отсутствие биологических агентов, загрязняющих веществ или конденсации.
Не существует некоего универсального коэффициента ускорения и, в целом, расчет этого коэффициента является весьма сложным.
Несколько опубликованных исследований и стандартов приводят к среднему коэффициенту ускорения 9 между ускоренным лабораторным воздействием и эксплуатацией в жестких условиях Флориды или Аризоны в США. В более умеренном климате (Краснодар или Ставрополь в России) коэффициент ускорения увеличивается. Ряд исследований предлагает коэффициенты ускорения в 20 и более для этого типа климата для стандартных изделий из полистирола. Эти средние коэффициенты ускорения — всего лишь порядки величины, потому что они могут резко отличаться у разных продуктов или климатических зон [5].
Достоверность методов ускоренного старения для оценки срока эксплуатации
Надежность оценки эксплуатации изделий зависит от следующих факторов:— корректность выбора критерия оценки. В идеале это должна быть функциональная эксплуатационная характеристика, требующая стендовых испытаний;
— корректность выбора типа образца. В идеале это должна быть часть (элемент) изделия, изготовленного серийным промышленным способом;
— корректность выбора и обоснования метода старения. Он должен учитывать все виды воздействия на изделие во время эксплуатации, а не только, например, УФ-излучение;
— корректность расчета или выбора коэффициента старения.
Можно смело делать два основных вывода. Во-первых, достоверность прогнозирования свойств готовых изделий резко падает с ростом глубины экстраполяции. Горизонт времени оценки может составлять не более 5 лет, в большинстве случаев не более 3 лет. Во-вторых, наиболее надежным способом является метод аналогий или сравнения, где одинаковому одновременному воздействию подвергаются некий эталон, срок эксплуатации которого известен, и испытуемый образец. По сравнению динамики изменения свойств можно с некоторой экспертной достоверностью утверждать о том, что испытуемый образец лучше или хуже референсного.
Таким образом, в настоящее время основой для оценки срока службы, срока эксплуатации или долговечности изделия служит экспертная оценка специалиста или нескольких специалистов. Существующие на сегодняшний день методы определения этих сроков не позволяют использовать результаты измерений без вдумчивой и комплексной интерпретации эксперта.
Посмотреть в журнале