”Hyvä Tietää Muovista” on MuoviPlast-lehdessä jo vuodesta 2012 lähtien ilmestynyt artikkeleiden sarja, joissa esitellään perustietoa tavallisimmista muoveista.
Teksti Ulf Bruder / Brucon Ab, käännös Erik Lähteenmäki / Polymerik Oy.
Tässä jaksossa käydään läpi ne kestomuovien ominaisuudet, jotka kiinnostavat suunnittelijoita ja tuotekehittäjiä kun uutta muovituotetta suunnitellaan. Lisäksi käsitellään alakohtaisia- tai viranomaisvaatimuksia kuten sähköiset ominaisuudet tai muovien paloluokitus.
Useimmiten kysytyt tekniset tiedot
Kun muoviraaka-aineen valmistaja kehittää uuden raaka-ainelajikkeen, on tapana julkaista tekninen datalehti, jossa raaka-aineen tekniset ominaisuudet on esitelty. Useissa tapauksissa ensin julkaistaan nk. alustava datalehti (preliminary datasheet), jossa on esiteltynä ainoastaan muutama tekninen tieto. Myöhemmin, kun on päätetty että raaka-aineesta tulee kaupallinen tuote, julkaistaan kaikki normaalisti tarvittavat tiedot sisältävä, varsinainen datalehti. Monet toimittajat julkaisevat raaka-aineidensa tekniset tiedot Internetistä löytyvissä Campus tai Ides raaka-ainetietokannoissa (lisätietoa seuraavassa osassa).
Campus esittää raaka-aineet erittäin laajasti, jopa yli 60:lla eri teknisellä tiedolla. Monelle raaka-aineelle löytyy myös jännitys/venymä -taulukot ja kemiallinen kesto monelle eri kemikaalille.
Kestomuovien tärkeimmät tiedot, jotka useimmiten mainitaan myös alustavissa datalehdissä, ovat (englanninkielinen nimitys suluissa):
- Jäykkyys, veto- tai taivutusmoduuli (tensile or flexural modulus)
- Vetolujuus (tensile strength)
- Sitkeys, venymä (elongation)
- Iskulujuus (impact strength)
- Maksimi käyttölämpötila (service temperature)
- Paloluokitus (flame retardancy)
- Sähköiset ominaisuudet (electrical properties)
- Reologia, virtaavuus muotissa (flow properties)
- Muottikutistuma (shrinkage)
- Ominaispaino (density)
Vetolujuus ja jäykkyys
Jäykkyys, vetolujuus ja sitkeys venymän muodossa saadaan vetokokeessa muodostuvasta käyrästä.
Alustavassa datalehdessä mainitaan ainoastaan muutamia tietoja verrattuna nk. vakiolajikkeiden datalehdissä tai Campus raaka-ainetietokannassa Internetissä. Ylläolevassa datalehdessä, jossa kerrotaan DuPontin asetaalimuovin ominaisuuksista, mainitaan 31 eri mittaustulosta jaettuna seuraaviin ominaisuuksiin:
- Mekaaniset
- Termiset
- Reologiset
- Sähköiset
- Paloluokitus
- Muut, kuten ominaispaino ja työstötiedot
Kuivan PA66:n tyypillinen jännitys/venymäkäyrä (stress/strain curve) vetokokeen tuloksena. Käyrä voidaan jakaa seuraaviin osiin:
A. Lineaarinen alue
B. Elastinen alue
C. Myötöraja
D. Maksimi jännitys
Kuvassa muutaman eri muovityypin vetokoekäyrät. Huom! Asetaalikäyrän murtojännitys on pienempi kuin maksimi jännitys. Tämä johtuu koesauvassa tapahtuvasta ohentumasta. Kuivalla PA66:lla on molekyylien orientoitumisesta johtuen korkeampi jännitys käyrän lopussa. Ohentumisen kohdalla tapahtuvalla orientoitumisella on koesauvaa lujittava vaikutus. Vertailtaessa vihreätä (PA66 + 30 % lasikuitua) ja sinistä käyrää (täyttämätön PA66) voidaan nähdä lujitteen vaikutus jännitykseen ja venymään. Lujitettu raaka-aine on paljon vahvempaa, mutta myös hauraampaa. Mitä korkeampi murtovenymä raaka-aineella on sitä sitkeämpää se on.
Lineaarisella alueella on helppo tehdä lujuuslaskelmia koska Hooken laki eli jännitys σ= Voima/pinta-ala MPa
Niin kauan kun vetokoekäyrällä ollaan alueella A tai B palaa vetosauva alkuperäiseen muotoonsa kun jännitys poistetaan. Kun nk. myötöraja ylitetään kohdassa C, syntyy ohentuma joka pitenee kunnes vetosauva katkeaa kohdassa D (vetosauva eniten oikealla).
Taivutusmoduulin mittaustilanne. Koesauva on asetettu vaakatasoon kahden tuen väliin ja sitä kuormitetaan keskeltä.
Taivutuskuormituksessa jännitys/taipuma käyrä on epälineaarinen. Asia oikaistaan käyttämällä sekanttilinjaa (diagonaali viiva) jonka jälkeen lasketaan taivutusmoduuli Es=σs/εs.
Toisessa kuvasta ylhäältä jännitys/venymä –käyrästä saadaan seuraavat mekaaniset tiedot:
- Jännitys myötörajalla (piste C)
- Myötövenymä (piste C)
- Jännitys murtorajalla (piste D)
- Murtovenymä (piste D)
- Raaka-aineen jäykkyys tai vetomoduuli E (tensile modulus) lasketaan jakamalla lineaarisen alueen jännitys venymällä.
Jännitys annetaan MPa (Mega Pascal) yksiköissä ja venymä prosentteina. Seuraavan sivun kaaviossa on kerrottu tarkemmin eri mittayksiköistä. Vetomoduulin lisäksi raaka-aineiden jäykkyyden mittarina käytetään myös taivutusmoduulia. Nykyään vetomoduuli esiintyy taivutusmoduulia paljon useammin raaka-ainevalmistajien datalehdissä. Seuraavissa kuvissa on selvitetty miltä taivutusmoduulin mittaustilanne ja siitä saatava kuvaaja näyttävät.
Iskulujuus
Nykyään käytetyin iskulujuuden mittausmenetelmä on ”Charpy”. Siinä koesauva kiinnitetään molemmista päistään vaaka-asentoon ja annetaan heilurin osua koesauvan keskelle. Charpy kokeen mittayksikkö on kJ/m2. Aikaisemmin paljon käytetty menetelmä on nimeltään ”Izod”. Siinä koesauvan kiinnitetään pystyasentoon koko alaosastaan ja yläosaan lyödään heilurilla. Izod-kokeen mittayksikkö on J/m. Ei ole olemassa mitään tarkkaa kerrointa tai kaavaa, millä näiden kahden kokeen väliset tulokset voitaisiin luotettavasti muuntaa yhdestä toiseen.
Kun narussa roikkuu 1 kilon paino on kuorma F=10 Newtonia. Narun jännitys on riippuvainen narun poikkipinta-alasta A ja lasketaan kaavalla σ=F / A. Kun narussa roikkuu 1 kilon paino ja narulla on 1 mm2 poikkipinta-ala saadaan jännitykseksi 10 N/mm2
Iskulujuuden mittaus on herkkä ja hyvä laadunvalvontamenetelmä. Ruiskuvaluyritys voi itse rakentaa yksinkertaisen ruiskuvalukappaleiden testaamiseen soveltuvan laitteen. Esim. 50 mm:n muoviseen viemäriputkeen voi porata reikiä n. 5 cm:n välein. Putken sisään asennetaan vapaasti liikkuva, alapäästään pyöristetty paino, joka nostetaan putkessa ylös reikiin asennetun sokan varaan. Kun sokka vedetään ulos, putoaa paino putken alapäähän kiinnitetyn kappaleen päälle. Säätämällä pudotuskorkeus sopivaksi voidaan kappaleen iskulujuudelle hakea hylkäämis-/hyväksymisrajat.
Maksimi käyttölämpötila
UL Käyttölämpötila
Muoviraaka-aineen maksimi käyttölämpötilan selvittäminen ei ole helppoa, koska sille on olemassa eri määrityksiä. Tunnettu kansainvälinen testilaboratorio Underwriters Laboratories (UL) on kehittänyt suureen nimeltään ”Relative Temperature Index” (RTI), jolla voidaan määrittää raaka-aineen pitkäaikaiskesto korotetuissa lämpötiloissa. Testissä koesauvoja laitetaan eri lämpöisiin uuneihin pisimmillään joko 5 000 tai 20 000 tunnin ajaksi. Kokeen kuluessa seurataan missä lämpötilassa koesauvojen mekaaniset ja sähköiset ominaisuudet säilyvät vähintään 50 % alkuperäisistä arvoista. Tulosten perusteella voidaan interpoloida arvot pidemmälle ajalle, laskea raaka-aineen maksimi jatkuva käyttölämpötila ja luoda nk. Arrhenius-käyrä.
Taipumislämpötila
Useimmissa muoviraaka-aineiden datalehdissä on annettu arvo taipumislämpötilalle eri kuormilla. Englanniksi ”Heat Deflection Temperature” (HDT).
Taipumislämpötilan mittauksessa vaakatasoon asetettu koesauva tuetaan molemmista päistään. Sauvaa painetaan alaspäin keskeltä joko 0,45 tai 1,8 MPa:n voimalla. Uunin lämpötilaa nostetaan 2 °C minuutissa. Koe päättyy siinä lämpötilassa jossa standardin määrittämä koesauva on taipunut 0,25 mm (ASTM) tai 0,32 mm (ISO).
Alla Campus tietokannasta poimittuja taipumislämpötila (HDT) -arvoja tietyille kestomuoveille.
Huom! Raaka-aineen viskositeetista ja lisäaineista johtuvat poikkeamat mahdollisia.
HUOM! Amorfisilla aineilla ei ole sulamispistettä. Taulukossa esitetty tavallisimpien kestomuovien taipumislämpötilat
Paloluokitus
Kansainvälinen testilaboratorio Underwriters Laboratories on kehittänyt eri testimenetelmiä muoviraaka-aineiden paloluokittelua varten. Lähtökohtana ovat eripaksuiset koesauvat, joita sytytetään joko vaaka-asennossa (HB = Horizontal Burning luokka) tai pystyasennossa (V = Vertical, paloluokat V-2, V-1 tai V-0). Paloluokituksen määrittämiseksi seurataan palamisen etenemistä (HB) ja paloaikaa. V-2, V-1 ja V-0 testeissä huomioidaan myös mikäli mahdolliset palamisessa syntyvät pisarat sytyttävät allaolevan pumpulitukon.
HB-luokitus
Liekki tuodaan koesauvan päähän 30 sekunniksi tai kunnes palaminen on edennyt 25 mm:n merkkiin. Raaka-aine saa HB hyväksynnän mikäli palamisnopeus kahden mittapisteen välillä ei ylitä:
- 40 mm/min koesauvan paksuuksilla 3–13 mm
- 75 mm/jmin koesauvan paksuuksilla < 3 mm
- mikäli liekki sammuu ennen ensimmäistä merkkiä
V-luokitus
Kun pystyasennossa olevaa koesauvaa testataan tuodaan liekki koesauvan juureen kaksi kertaa 10 sekunnin ajaksi. Toisen kerran liekki tuodaan välittömästi liekin sammuttua tai jos koesauva ei ole syttynyt ensimmäisellä kerralla.
Alla olevassa taulukossa lueteltu eri aikavaatimukset, jotta testi hyväksytään. Koesauvan alla on pumpulia (puuvillaa) ja kokeen aikana huomioidaan myös syttyykö se palamaan mahdollisista koesauvasta putoavista palavista pisaroista. Lisäksi seurataan sammuneen koesauvan jälkihehkua.
Sähköiset ominaisuudet
Muovien sähköisten ominaisuuksien testaamiseen on olemassa paljon eri menetelmiä. Normaalisti datalehdissä kerrotaan muovin eristyskyky läpilyöntejä vastaan tai kappaleen pinnalla tapahtuvia ryömimisvirtoja vastaan.
Seuraavat ominaisuudet ovat usein mainittu datalehdissä:
- Läpilyöntilujuus (dielectric strength)
- Ominaisvastus (volume resistivity)
- Valokaaren kesto (arc resistance)
- Ominaispintavastus (surface resitivity)
- Pintavirran kesto (Comparative Tracking Index)
Läpilyöntilujuuden ja valokaaren keston mittaus tapahtuu vasemman puoleisen mittausperiaatteen mukaisesti, kun taas ominaispintavastus ja pintavirran kesto mitataan oikean puoleisen mittausperiaatteen mukaisesti. Muovien sähköisten ominaisuuksien mittaukseen perehtymiseen suositellaan Underwriters Laboratoriesin kotisivuja osoitteessa www.ul.com.
Virtausominaisuudet – sulaindeksi
Sulan kestomuovin virtaavuutta mitataan sulaindeksi testillä (MVR, melt volume rate tai MFI melt flow index).Mitattaessa kestomuovin virtaavuutta lämmitetään muovigranulaattia pienessä sylinterissä. Mittauksessa käytettävä lämpötila on vakio ja se vaihtelee eri polymeerien välillä. Kun sylinterissä oleva raaka-aine on saavuttanut määrätyn lämpötilan laitetaan sylinterin männän päälle paino (materiaalikohtainen) ja mitataan kaunako aikaa kuluu raaka-aineen valumiseen sylinteristä. MVR arvon yksikkö on cm3/10 min. Mitattaessa MFI arvoa punnitaan ulos virrannut materiaali ja käytetään yksikköä g/10 min.
Muottikutistuma
Muottikutistuma on ero ruiskuvalumuotin pesän ja ruiskuvaletun kappaleen mittojen välillä.
Muottikutistuma mitataan vuorokausi (min. 16 tuntia) ruiskuvalun jälkeen. Osakiteisillä raaka-aineilla esiintyy lisäksi jälkikiteytymistä joka voi jatkua jopa kuukausia, riippuen ympäristön lämpötilasta. Jälkikiteytymisestä johtuvaa kutistumista kutsutaan jälkikutistumaksi. Kokonaiskutistuma = muottikutistuma + jälkikutistuma. Anisotrooppisilla raaka-aineilla kutistuma-arvot on usein annettu sekä virtauksen pitkittäis- että poikittaissuunnassa.