Общие сведения о полиэтилене. Часть 3.

Майк Сепе
24.03.2020 532

Если плотность полиэтилена выбрана неправильно, изделия могут разрушаться. Рассмотрим несколько примеров и проанализируем, что произошло и почему.

Важную роль плотности полиэтилена можно понять на примере деталей, которые выходят из строя в процессе эксплуатации в связи с выбором неподходящей плотности. Рассмотрим некоторые из них. Примечательно, что все эксплуатационные отказы связаны с выбором марок полиэтилена, плотность которого оказалась выше, чем требовалось.

Первый пример — это довольно обычное применение: формованная щетка, которая используется в автомате для выдачи стаканов. Сейчас это может показаться странным, но в 1970-х годах это было большим достижением, особенно для компании, которая разработала и запатентовала такую деталь, и особенно потому, что она была разработана основателем и главой компании.

Даже небольшие различия в плотности могут оказать огромное влияние на эксплуатационные характеристики полиэтилена. Например, на свойства может повлиять даже небольшое количество полимерного носителя в концентрате красителя, отличающегося по плотности от базовой смолы. (Фото: компания ExxonMobil)

Деталь была отлита в восьмиместной пресс-форме. На выходе из пресс-формы деталь получали в виде плоской заготовки со щетинками, выступающими из основания через равные промежутки. В процессе сборки деталь просто изгибали, придавая ей круглую форму, для установки в нижнюю часть автомата выдачи стаканов. Предметом гордости был тот факт, что благодаря щетинкам обеспечивалась выдача только одного стакана за раз. В 70-х годах потребители были этим впечатлены.

Изготовление пресс-формы было поручено другому поставщику, а на чертеже детали было указано просто «полиэтилен». Когда формовщик задал вопрос о желаемой плотности, покупатель из компании по производству стаканов не имел об этом представления, и, по-видимому, его не интересовало ничего, кроме стоимости изделия. В то время этот поставщик изготавливал много 2- и 5-галлонных канистр и приобретал материал для них по очень выгодной цене. Поэтому стал формовать образцы из этого материала — полиэтилена высокой плотности с показателем текучести расплава 7 г/10 мин и плотностью 0,952 г/см3. Детали хорошо формовались и проходили сборку, покупатель и специалисты по качеству на заводе, принимающем детали, подписали все необходимые документы, и производство началось.

Несколько месяцев спустя одна из готовых сборок оказалась в главном офисе, где основатель компании смог проверить ее на практике. Он был недоволен. Щетинки были слишком жесткие, что затрудняло выдачу стакана из автомата. Что еще хуже, можно было вытянуть сразу два стаканчика, вместо одного, как задумано. Возмущение руководителя прокатилось по всей организации и в итоге дошло до формовочного завода.

Полиэтилен высокой плотности характеризуется более высокой степенью кристалличности, чем полиэтилен низкой плотности. Это позволяет улучшить такие свойства, как прочность и жесткость, но снижает пластичность.

Благодаря обратной связи решить проблему было довольно просто. Все разрешилось после закупки полиэтилена низкой плотности, хотя проходили оживленные дискуссии о том, что теперь делать с сотнями тысяч готовых автоматов со щетками из полиэтилена высокой плотности. Впоследствии обнаружилось, что щетки из полиэтилена высокой плотности со временем приводят к еще большим проблемам. При многократном использовании щетинки стали отламываться от основания. Разумеется, это отразилось на функциональности детали, и возник риск того, что кусочки полиэтилена будут падать в выданный стаканчик. Я никогда не слышал подобных жалоб потребителей, но можно представить, какой бы это вызвало резонанс в современном мире, когда отзывы мгновенно распространяются в интернете.

Ухудшение характеристик формованной детали из-за изменения плотности материала — это поучительная иллюстрация влияния плотности на механические характеристики. Полиэтилен высокой плотности характеризуется более высокой степенью кристалличности, чем полиэтилен низкой плотности. Это позволяет улучшить такие свойства, как прочность и жесткость, но снижает пластичность. Кроме того, полиэтилен высокой плотности обеспечивает более твердую поверхность и обладает более высокой непрозрачностью, чем полиэтилен низкой плотности, при любой заданной толщине. И хотя эта конкретная деталь всегда использовалась в условиях окружающей среды, характеристики, зависящие от температуры, для разных видов полиэтилена также отражают различия в молекулярной структуре. При повышенной температуре полиэтилен высокой плотности сохраняет большую часть своих свойств, характерных для него при комнатной температуре, а его температура плавления примерно на 30° C (54° F) выше, чем у полиэтилена низкой плотности. Однако полиэтилен низкой плотности можно использовать при пониженных температурах без ущерба для его пластичности.

Различия в характеристиках можно наблюдать даже при относительно небольших изменениях плотности. Зачастую эти изменения делаются ненамеренно. Несколько лет назад мы сотрудничали с клиентом по вопросу изготовления детали из полиэтилена плотностью 0,962 г/см3. Это полиэтилен высокой плотности. В данном примере деталь после сборки находилась под постоянным напряжением, и на некоторых деталях со временем появлялись трещины, что приводило к утечкам клапанов. Анализ показал, что механизм разрушений соответствовал растрескиванию под воздействием окружающей среды. Было обнаружено, что процесс образования трещин ускорялся при использовании определенных типов мыльных растворов, которые действовали на полиэтилен как агенты, вызывающие растрескивание под напряжением. Когда детали обрабатывали раствором в несобранном виде, степень разрушений составляла менее 1%. Но в сборке под воздействием связанных с ней напряжений степень разрушений возрастала до 25%.

Растрескивание под воздействием окружающей среды обычно наблюдается в аморфных полимерах. Наблюдения показали, что аморфные полимеры гораздо больше подвержены этому механизму разрушения, чем полукристаллические полимеры. С учетом этого, было бы парадоксально предположить, что полиэтилен высокой плотности, который характеризуется более высокой степенью кристалличности, будет больше подвержен такому механизму разрушения, чем полиэтилен низкой плотности. Но именно это мы и наблюдаем в действительности. В данном случае индивидуальное требование клиента косвенно привело к решению проблемы. Детали всегда формовались из натурального, непигментированного материала. Клиент моего заказчика попросил, чтобы определенное количество полиэтиленовых деталей было окрашено. Формовка в цвете зачастую считается таким процессом, который не требует никакого особого подхода, кроме выбора цвета. После согласования цвета изготавливается концентрат, который добавляется в соответствии с определенным коэффициентом разбавления. Однако полимерный носитель, используемый для изготовления концентрата, может изменить свойства базовой смолы как в лучшую, так и в худшую сторону.

Полимерный носитель, используемый для изготовления концентрата, может изменить свойства базовой смолы как в лучшую, так и в худшую сторону.

В данном случае все обернулось к лучшему. Окрашенные детали никогда не возвращали с трещинами, а при испытании мыльным раствором на этих деталях не наблюдалось образование трещин. При измерении плотность окрашенных деталей составляла 0,953 г/см3. Сначала посчитали, что базовая смола не соответствовала спецификации. Поставщики полиэтилена, как правило, могут поддерживать плотность любой марки материала в пределах ±0,002 г/см3 от номинального значения. В данном случае виновником был концентрат.

В качестве полимерного носителя для концентрата использовали линейный полиэтилен низкой плотности с плотностью 0,920 г/см3. При добавлении в соответствии с коэффициентом разбавления он снизил плотность базовой смолы и таким образом решил проблему с растрескиванием. Поскольку деталь оставалась по-прежнему механически функциональной даже после соответствующего снижения прочности и жесткости, решение проблемы с растрескиванием было очевидным.

В следующей статье мы рассмотрим пример почти 20-летней давности, когда изначально успешная марка полиэтилена была выведена из эксплуатации и заменена на марку с более высокой плотностью, что привело к серьезным проблемам.

Об авторе: Майк Сепе — независимый консультант по вопросам материаловедения и обработки материалов; его компания Michael P. Sepe, LLC, базируется в Седоне, штат Аризона. За его плечами больше 40 лет опыта работы в индустрии пластмасс и помощи клиентам с выбором материалов, планированием производства, оптимизацией процессов, устранением неисправностей и анализом отказов.

Контактные данные: (928) 203-0408 • mike@thematerialanalyst.com

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

«Химия-2022» уже совсем скоро!
«Химия-2022» уже совсем скоро!
Важнейшее выставочно-конгрессное событие для химической отрасли вновь соберет на своей площадке ведущие компании, отраслевые научно-исследовательские…
03.10.2022
46
Список участников выставок Rosmould | Rosplast 2022
Список участников выставок Rosmould | Rosplast 2022
Два месяца осталось до наиболее значимых событий этого года в сфере производства пресс-форм и штампов,…
03.04.2022
490
Выставки Rosmould и Rosplast состоятся в начале июня 2022 года
Выставки Rosmould и Rosplast состоятся в начале июня 2022 года
Международные выставки Rosmould и Rosplast пройдут с 7 по 9 июня 2022 года в двух…
03.03.2022
433
Общие сведения о полиэтилене. Часть 4
Общие сведения о полиэтилене. Часть 4
Изготовители небольших топливных баков на собственном горьком опыте убедились, что незначительная разница в плотности (0,6%)…
Майк Сепе
16.05.2020
717
TIGITAL® 3D Materials: революционное аддитивное производство
TIGITAL® 3D Materials: революционное аддитивное производство
Компания TIGER Coatings выпустила линейку TIGITAL® 3D Materials – новые термореактивные материалы для систем селективного…
Барис Кайнак
26.10.2020
110
Павильон Исламской Республики Иран впервые примет участие в выставке
Павильон Исламской Республики Иран впервые примет участие в выставке
7 – 9 июня 2022 года в Москве, в МВЦ «Крокус Экспо» пройдут главные российские…
06.06.2022
222
Новые видеоинтервью с экспертами индустрии пресс-форм и штампов и переработчиками пластмасс
Новые видеоинтервью с экспертами индустрии пресс-форм и штампов и переработчиками пластмасс
Собственные Youtube каналы, где регулярно публикуются интервью с ключевыми участниками и экспертами индустрии пресс-форм и…
24.10.2022
25
«Полностью экологичный» концентрат полипропиленовой смолы
«Полностью экологичный» концентрат полипропиленовой смолы
Компания Milliken & Company в сотрудничестве с компанией PureCycle Technologies работают над созданием первого на…
05.11.2022
23
Химия-2022: новости 1-ого дня выставки
Химия-2022: новости 1-ого дня выставки
Новости 1-ого дня выставки «Химия-2022», которая проходит с 31 октября по 3 ноября в Экспоцентре…
01.11.2022
57