Hyvä
tietää
muovista
Alkuperäisen ”Värt att veta om plast” -teoksen kolmannen painoksen mukana tulleet kaksi lisäosaa
Termoplastiset elastomeerit ja Muovien modifiointi jatkavat ”Hyvä Tietää Muovista” -artikkelisarjaa.
Teksti Ulf Bruder / Brucon Ab, käännös Erik Lähteenmäki / Polymerik Oy.
OSA 13
Raaka-ainetiedot ja
mittausmenetelmiä
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.
26 MUOVIPLAST 3/2014
Mitä kaikkia vaatimuksia tavallisen arkisen seinäpistorasiankin pitää täyttää, jotta sitä
saa myydä Suomessa, muissa Pohjoismaissa tai EU:n alueella?
Kuvassa vetosauva vetokokeessa. Kaikki
muoviraaka-aineiden valmistajat mittaavat
raaka-aineiden mekaaniset arvot ASTM tai
ISO-standardien mukaisesti valmistettujen
vetosauvojen avulla. Siten eri valmistajien
tietoja voidaan verrata. Kuva: DuPont
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
Lähde: DuPont
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).
Ylhäällä keskimmäisessä kuvassa jännitys/venymä –käyrästä saadaan
seuraavat mekaaniset tiedot:
1. Jännitys myötörajalla (piste C)
2. Myötövenymä (piste C)
3. Jännitys murtorajalla (piste D)
4. Murtovenymä (piste D)
5. Raaka-aineen jäykkyys tai vetomoduuli E (tensile modulus) lasketaan jakamalla lineaarisen alueen jännitys venymällä.
Taivutusmoduulin mittaustilanne. Koesauva on asetettu vaakatasoon kahden tuen väliin
ja sitä kuormitetaan keskeltä.
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.
Taivutuskuormituksessa jännitys/taipuma käyrä on epälineaarinen. Asia oikaistaan
käyttämällä sekanttilinjaa (diagonaali viiva) jonka jälkeen lasketaan taivutusmoduuli
Es=σs/εs.
MUOVIPLAST 3/2014
27
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.
Jyrsimällä lovettu vetosauva iskukokeeseen menossa
Nykyaikainen heiluri-iskulujuusmittari. Itse heiluri on lukittu
lähtöasentoonsa (ylhäällä punaisen tarran vieressä). Kun heiluri
lyö poikki koesauvan se menettää
liike-energiaansa. Raaka-aineen iskulujuus lasketaan menetetyn liikeenergian määrästä. Normaalisti
vetosauvat testataan 23 °C:ssa tai
pakkasessa -30 °C:ssa. Vetosauva
voi olla lovettu tai loveamaton.
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
ALAKUVA koesauvojen
kiinnitys Charpy ja Izod
standardi-iskulujuuskokeessa.
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.
28 MUOVIPLAST 3/2014
Alla Campus tietokannasta poimittuja taipumislämpötila (HDT)
-arvoja tietyille kestomuoveille. Huom! Raaka-aineen viskositeetista
ja lisäaineista johtuvat poikkeamat mahdollisia.
Polymeeri
HDT 0,45 MPa
HDT 1,8 MPa
Sulamis-piste
ABS
100
90
–
POM Kopolymeeri
160
104
166
POM Homopolymeer
160
95
178
HDPE, Polyeteeni
75
44
130
PA 6
160
55
221
PA 6 +30 % lasikuitu
220
205
220
PA 66
200
70
262
PA 66 +30 % lasikuitu
250
260
263
PBT Polyesteri
180
60
225
PBT +30 % lasikuitu
220
205
225
PET Polyesteri
75
70
255
PET +30 % lasikuitu
245
224
252
PMMA (akryyli)
120
110
–
Polykarbonaatti
138
125
–
Polystyreeni
90
80
–
PP, Polypropeeni
100
55
163
PP + 30 % lasikuitu
160
145
163
HUOM! Amorfisilla aineilla ei ole sulamispistettä
Taulukossa esitetty tavallisimpien kestomuovien taipumislämpötilat
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:
1) Läpilyöntilujuus (dielectric strength)
2) Ominaisvastus (volume resistivity)
3) Valokaaren kesto (arc resistance)
4) Ominaispintavastus (surface resitivity)
5) 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.
Paloluokitus
Kansainvälinen testilaboratorio Underwriters Laboratories on kehittänyt eri testimenetelmiä muoviraaka-aineiden paloluokittelua varten.
Lähtökohtana ovat eripaksuiset koesauvat, joita sytytetään joko vaakaasennossa (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:
1) 40 mm/min koesauvan paksuuksilla 3–13 mm
2) 75 mm/jmin koesauvan paksuuksilla < 3 mm
3) mikäli liekki sammuu ennen ensimmäistä merkkiä
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.
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.
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.
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.
MUOVIPLAST 3/2014
29