Protueksplozijska zaštita opreme i zaštitnih sustava Ispitivanje polimera izlaganjem laboratorijskom izvoru svjetla Polymer test by exposure to laboratory light source Stjepan Peretin, mag. ing. mech. Ex-Agencija, Industrijska 25, Sveta Nedelja e-mail: s.peretin@ex-agencija.hr Sažetak Razvojem tehnologije stvaraju se novi materijali, poput stakloplastike ili polimernih smola, za koje je teško predvidjeti promjenu fizikalnih karakteristika tijekom životnog vijeka. Ispitivanje polimera prema normi HRN EN 60079-0:2012 zahtijeva provedbu starenja materijala ksenonskom lampom simulirajući uvjete Sunčeva zračenja te ispitivanja žilavosti materijala Charpyjevim batom. S obzirom na to da rezultati ispitivanja ovise o pripremi uzoraka i samom sastavu materijala, iznimno se bitnima pokazuju odabir uzoraka i analiza dobivenih rezultata. Ključne riječi ispitivanje polimera, starenje polimera, izlaganja izvorima svjetla u laboratoriju, ispitivanje žilavosti Charpyjevim batom Summary With technology development, new materials such as fibreglass or polymer resins are created, which change of physical characteristics over a lifetime are difficult to predict. Polymer test according to standard HRN EN 60079-0: 2012 requires the aging of the material with a xenon lamp simulating the sun's radiation conditions and testing the strength of material with Charpy impact test. Since the results of the test depend on the preparation of the samples and the composition of material itself, there is a great deal of importance selecting the samples and analysis of the obtained results. Keywords polymer test, polymer ageing, exposure to laboratory light sources, Charpy impact test I. UVOD Stalna potražnja za kvalitetnijim materijalima uz nižu cijenu dovela je do stvaranja novih materijala poput stakloplastike ili polimernih smola. Glavna odlika tih materijala je očuvanje željenih mehaničkih osobina uz smanjenje mase. No, za razliku od metalnih materijala koji su poznati po svojim svojstvima tijekom procesa eksploatacije, nemetalni materijali razmjerno su nepoznati pa stoga postoji potreba za dodatnim ispitivanjem njihovih svojstava. U ovom tekstu dat će se osvrt na zahtjev norme HRN EN 60079-0:2012 [1], točka 26.10 pod nazivom Otpornost na svjetlo. Zahtjev norme propisuje način ispitivanja otpornosti materijala na izlaganje UV zračenju. Temperaturna ispitivanja kao i Otpornost na kemijske tvari za električnu opremu grupe I daju predvidive i očekivane rezultate s obzirom na sam postupak ispitivanja. Za razliku od navedenih, rezultati ispitivanja otpornosti na svjetlo mogu znatno varirati, što zbog samog svojstva ispitnog materijala, što zbog same pripreme uzorka. II. ISPITIVANJE Postupak ispitivanja može se podijeliti na sljedeće etape: priprema, mjerenje, ispitivanje zračenjem, ispitivanje žilavosti, statistička obrada rezultata i analiza ispitivanja. U ovom dijelu članka bit će opisan svaki korak pojedine etape. A. Priprema Uzorci se pripremaju za ispitivanje prema HRN EN ISO 179-1 [2]. Preporučene dimenzije uzorka su d š v = 80 ± 2 mm 10 ± 0,2 mm 4 ± 0,2 mm, poput prikazanih na slikama 1. i 2., uz napomenu da se treba urezati utor (slika 3.) na uzorcima koji se lome po manjoj površini. Preporučuje se utor s radijusom vrha r N = 0,25 ± 0,05 mm ne dublje od 2 mm tako da ukupna širina uzorka iznosi š N = 8 ± 0,2 mm. S obzirom na način izrade, a posebno kod lameliranih materijala (slika 4.), valja obratiti pozornost na smjer udara ovisno o načinu postavljanja slojeva materijala (lameliranje). U posebnim slučajevima dopušteno je zarezivanje s obje strane uzorka (takozvani dvostruki V urez) poput prikazanog na slici 5., a tada ukupna širina uzorka iznosi š N = 6 ± 0,2 mm. Naravno, urezi moraju biti okomiti na liniju udarca. Prema normi HRN EN 60079-0:2012 [1], uzima se barem šest uzoraka, no iskustvo je pokazalo potrebu za odabirom 12, pa čak i 24 uzorka. Zbog velikog odstupanja mehaničkih svojstava nakon postupka starenja, preporučuje se, prema EN ISO 4892-1 [3], dvostruko više uzoraka.
S. Peretin: Ispitivanje polimera izlaganjem laboratorijskom izvoru svjetla II (a2 a6) Slika 1. Uzorak pripremljen za ispitivanje, 1 označava stranu udara Slika 4. Pozicije udara ovisno o načinu izrade materijala Slika 2. Uzorak pripremljen za ispitivanje s utorom, 1 označava stranu udara Slika 3. Preporučeni izgled utora Slika 5. Prikaz uzorka s dvostrukim urezom
S. Peretin: Ispitivanje polimera izlaganjem laboratorijskom izvoru svjetla II (a3 a6) B. Mjerenje D. Ispitivanje žilavosti Oprema za mjerenje uzoraka treba biti sukladna normi ISO 13802 [4] minimalne točnosti 0,02 mm. Za mjerenje utora potreban je odgovarajući mikrometar s ispupčenjem odgovarajućeg profila širine 2 do 3 mm (slika 6.), kako bi mogao izmjeriti širinu na mjestu utora. Ispitivanje žilavosti obavlja se Charpyjevim batom (slika 8.) nominalne energije udarca iznosa 4 J. Slika 6. Mikrometar za mjerenje dubine utora Pogreške u mjerenju rezultiraju pogreškom u izračunu žilavosti materijala i stoga je bitno provesti mjerenje na odgovarajućim mjestima. C. Ispitivanje zračenjem Nakon mjerenja uzima se polovica uzoraka koja će proći ciklus starenja i stavlja ih se u predviđenu komoru (slika 7.). Postupak zračenja simulira starenje Sunčevom svjetlosti prema specificiranim uvjetima sukladno EN ISO 4892-2 [5]: stalno suhi uvjeti, zračenje od 50 ± 2 W/m2 u rasponu Sunčeva spektra između 300 nm i 400 nm te temperature crnog tijela (BST1) od 65 ± 3 C. Slika 8. Charpyjev bat energije udara do 4 J Njime se ispituju uzorci prema predviđenom programu, ovisno o pripremi. Razlikujemo više vrsta loma koji se označavaju s: t (napetost), c (sabijanje), b (raspadanje), s (cijepanje), ms (višestruko cijepanje) i st (lom uzrokovan cijepanjem) poput primjera prikazanih na slici 9. Za uzorke koji su nastali postupkom ekstrudiranja ili izrađeni u kalupu, razlikujemo dodatne četiri vrste loma: C (potpuni lom), H (lom kod kojeg se još drže dijelovi u tankom sloju), P (lom koji se ne može definirati pod kategoriju H) i N (nema loma moguće je savijanje i trajna deformacija uzoraka, ali bez loma). Slika 7. Prikaz uzoraka u komori prije ispitivanja zračenjem Kao izvor simulacije Sunčeva zračenja koristi se ksenonska lampa s odgovarajućim filtrom, a sam ciklus traje od 1000 do 1025 sati. Slika 9. Vrste loma 1 BST Black Standard Temperature, tj. temperatura zračenja koje emitira idealno crno tijelo
S. Peretin: Ispitivanje polimera izlaganjem laboratorijskom izvoru svjetla II (a4 a6) Dobiveni rezultati bilježe se u tablicu radi daljnje statističke obrade. E. Statistička obrada i analiza rezultata Dobiveni rezultati mjerenja i ispitivanja uvrštavaju se u formule kojima je cilj dobiti srednju vrijednost udarne žilavosti (AIBS) uzoraka prije i poslije starenja (poput prikazanog u tablici I.) kako bi se odredila promjena kvalitete ispitnog materijala (tablica II.). Iako je cijeli postupak ispitivanja i analize detaljno isplaniran i ne ostavlja mnogo mogućnosti za pogrešku u cjelokupnom slijedu, to ne znači da nije moguće dobiti neočekivane rezultate. Kao nastavak cjeline obrađuju se iznimke, odnosno rezultati koji znatno odstupaju od dobivene i korigirane srednje vrijednosti. Ti su rezultati primjer nesavršenosti uzoraka i zaslužuju poseban osvrt. Vrsta materijala Uzorci TABLICA I. CRNI MATERIJAL b Širina (mm) REZULTATI ISPITIVANJA NESTARENIH UZORAKA Nominalna energija udara VRIJEDNOSTI NESTARENIH ISPITNIH UZORAKA h Visina (mm) Sila loma (J) 4 J Smjer udaranja Šira strana Vrsta loma AIBS0 (kj/m2) 1 10,24 4,07 1,75 P 41,99 2 10,27 4,18 2,00 P 46,59 3 10,28 4,07 1,90 P 45,41 4 10,06 4,12 1,35 H 32,57 5 10,23 4,23 1,05 H 24,26 6 10,18 4,10 2,55 P 61,10 Prosječni AIBS0 41,99 Standardna devijacija AIBS0 12,66 TABLICA II. ANALIZA REZULTATA AIBS1 (kj/m 2 ) AIBS0 (kj/m 2 ) Kriterij prihvatljivosti AIBS1/AIBS0 0,5 42,79 41,99 ZADOVOLJAVA Prosječna vrijednost AIBS 1 /AIBS 0 1,02 Prosječna devijacija AIBS 1 /AIBS 0 0,57 III. IZNIMKE I POGREŠKE Znatno odstupanje od srednje vrijednosti postaje vidljivo nakon ispitivanja žilavosti i obrade rezultata. Tada je moguće uočiti nepravilnosti koje odstupaju od prosjeka dobivenih rezultata, no samo oni rezultati koji znatno odstupaju mogu biti odbačeni. Najčešći razlozi dobivanja takvih rezultata su nehomogenost materijala, način izrade materijala i postupak izrade uzoraka. Kod dostavljanja uzoraka nije moguće uočiti nepravilnosti, što je vidljivo na slici 10. Urezivanjem je moguće dobiti bolji uvid u strukturu materijala (slika 11.), no taj postupak može poslužiti samo za dobivanje dojma, nikako ne i za ocjenu. Slika 11. Prikaz urezanog uzorka Nakon ispitivanja moguće je uočiti pojedine nepravilnosti (slika 12.), no tek je pravilnom analizom rezultata moguće prepoznati loše uzorke čije rezultate treba odbaciti. Zbog načina loma zanimljivi su uzorci br. 4 i 5, a posebno 7 i 8 koji će biti detaljnije prikazani i analizirani. Slika 10. Prikaz dostavljenih uzoraka
S. Peretin: Ispitivanje polimera izlaganjem laboratorijskom izvoru svjetla II (a5 a6) 1. 2. 3. 4. 5. 10. Slika 12. Uzorci 1 12 nakon ispitivanja žilavost A. Uzorci 4 i 5 Uzorci označeni brojevima 4 i 5 (slika 12.) razlikuju se od ostalih u seriji od 1 do 6 ponajprije u mjestu i načinu pucanja. Valja napomenuti da su ti uzorci ispitani udarom po široj strani, što je uvjetovalo način i oblik loma. Pod pretpostavkom da su svi uzorci odabrani nasumce prilikom prvotnog odabira, odmah je vidljivo da su uzorci označeni 4 i 5 deformirali na "pogrešnom" mjestu. Dok se na ostalima lom javlja na mjestu udara (u sredini), kod navedenih uzoraka mjesto loma je pomaknuto od sredine, što upućuje na pogrešku. Zanemarivši mogućnost pogrešnog postavljanja uzorka kod ispitivanja, postaje jasno da je preostali bitni čimbenik na rezultat sam materijal uzorka. Materijal pod opterećenjem popušta na najslabijem mjestu ili na mjestu najvećeg lokalnog opterećenja. Budući da se u ovom slučaju lom nije dogodio na mjestu najvećeg lokalnog opterećenja, možemo zaključiti da je najslabije mjesto upravo ono na kojem se dogodio lom. Na slici 12. može se vidjeti način loma i postupno odvajanje slojeva, no valja uočiti rezultate prikazane u tablici I. gdje prosječna vrijednost loma za ova dva uzorka iznosi 1,2 ± 0,15 J. Ta vrijednost odstupa od prosječne vrijednosti preostalih uzoraka za 0,85 J ili 41,5%, što predstavlja znatno odstupanje od rezultata. B. Uzorci 7 i 8 Uzorci 7 i 8 pripremljeni su za ispitivanje udarom po manjoj površini i zbog toga imaju urez. Teoretski, urezivanjem se oslabljuje materijal, što olakšava lom i materijal puca na željenom mjestu. No, za navedene uzorke to nije slučaj (slika 13.). Neovisno o vrsti loma, mjesto je vrlo bitno za ovaj slučaj jer o tome ovisi izračun žilavosti materijala. Slika 13. Prikaz loma uzorka br. 8 stakloplastika U ovom slučaju lom se javlja na mjestu koje nije oslabljeno, što isključivši moguće pogreške ispitne opreme i postupka ispitivanja, nedvosmisleno upućuje na sastav materijala. Nehomogenost materijala ne može se uočiti u standardnom postupku ispitivanja 2, stoga ostaje mogućnost da se žilavost materijala izračuna na mjestu loma ili zanemariti dobiveni rezultat. Preporučuje se u ovakvu slučaju zanemariti dobivene rezultate. Iako je moguće izračunati žilavost na mjestu loma, time se dobiva netočan (i nerealan) rezultat te povećava pogreška i odstupanje. Zbog toga se preporučuje uzimanje dvostruko više uzoraka, što se pokazuje u praksi kao dovoljna količina za korektno obavljanje ispitivanja. Više uzoraka umanjit će moguće pogreške i tada je lakše naknadno izbaciti uzorke koji odstupaju od prosjeka. Zanimljivo je usporediti lom uzoraka 7 i 8 s klasičnim primjerom ovakva loma (slika 14.). Tu je moguće vidjeti lom koji se javlja na očekivanom i željenom mjestu, iako nije izražen ravnom linijom. Slika 14. Prikaz loma uzorka br. 3 - duromerna smola 2 Nije predviđeno ispitivanje ultrazvukom ili X-zrakama dobivenih uzoraka kojima bi se detektirala kritična mjesta.
S. Peretin: Ispitivanje polimera izlaganjem laboratorijskom izvoru svjetla II (a6 a6) Uspoređujući primjere prikazane na slikama 13. i 14., lako je uočiti da ovi uzorci nisu izrađeni od istog materijala. Kod uzorka br. 8 vidljiva je vlaknasta struktura materijala (slika 12.). Time je znatno povećana žilavost materijala, no zbog toga je veća vjerojatnost pojave nehomogenosti materijala. S druge strane, uzorak br. 3 potpuno je izrađen od istog materijala i s obzirom na to da nema nikakvih dodatnih ojačanja, svi lomovi tog materijala istovjetni su onom prikazanom na slici 14. Nakon postupka starenja moguća je promjena strukture materijala, što može rezultirati pojavom povećanja njegove žilavosti. Iako ova pojava nije česta, kod obrade rezultata treba biti svjestan i ove mogućnosti. Tada proizvođač materijala ima više mogućnosti za izradu kvalitetnog uzorka, čime može umanjiti cijenu krajnjeg proizvoda. Valja napomenuti da ne postoji izravna uzročno-posljedična veza između homogenog materijala i žilavosti, no može indicirati vrstu loma uzorka. C. Pogreške Tijekom svakog procesa ispitivanja moguće su pogreške. Cilj je prepoznati ih i na vrijeme ukloniti. Tijekom postupka ispitivanja Otpornosti na svjetlo najčešće pogreške su kod pripreme uzorka i oblikovanja na zadane dimenzije, ali ako nema znatnih odstupanja u dimenzijama uzoraka i svedena je na prihvatljive tolerancije, ta pogreška predstavlja zanemarivu veličinu. Pod pretpostavkom ispitivanja zračenja ispravnom metodom, pogreška u ovom dijelu postupka malo je vjerojatna. Ako se ipak pojavi, cijeli postupak bio bi kompromitiran, što bi označilo kraj ispitivanja. Zbog toga je uključeno više sigurnosnih čimbenika koji utječu na rad komore kako bi se eliminirala pogreška operatera. Isto tako tijekom ispitivanja Charpyjevim batom moguće je pogrešno postavljanje uzorka, no takvu je pogrešku lako otkloniti. Preostali čimbenik je sam materijal na koji nije moguće utjecati. Ovisno o tehnološkom postupku, moguće su pogreške kod izrade materijala, na što upućuju odbačeni rezultati. Bitno je prepoznati javlja li se pogreška sustavno tijekom proizvodnog procesa i u tom slučaju obavijestiti proizvođača kako bi se mogla ukloniti. IV. ZAKLJUČAK Želja za smanjenjem troškova i novi zahtjevi prema fizičko-kemijskim karakteristikama rezultiraju razvojem novih materijala kojima tek treba odrediti svojstva nakon izlaganja UV zračenju. Na primjeru ispitivanja Otpornosti na svjetlo polimera [1] prikazan je način ispitivanja i analiza rezultata. Prikazani su i primjeri iznimaka koji odudaraju od najčešće prakse tijekom ispitivanja i na kojima su objašnjeni razlozi za odbacivanje dobivenih rezultata. Fokus ovog članka bio je ponajprije na ispitivanju udarne žilavosti koja se ispituje Charpyjevim batom, no isto tako postoji metoda za ispitivanje elastomernih materijala koja se temelji na istim principima, ali drugačijoj vrsti ispitivanja polimera (ispitivanje tvrdoće). U ovom radu analizirano je na koji način sastav materijala utječe na dobiveni rezultat i koje su moguće pogreške tijekom ispitivanja. Utvrđeno je da rezultati ispitivanja znatno ovise o pripremi uzoraka, koja uključuje izradu i obradu na tražene dimenzije. Veća količina uzoraka daje manju mogućnost pogrešnog tumačenja rezultata, što opravdava preporuku za dvostruko veću količinu uzoraka [3], a u pojedinim slučajevima nije isključeno ispitivanje i četverostruko više uzoraka. Time se još više ističe važnost odabira uzoraka te kvalitetne statističke analize dobivenih rezultata. LITERATURA [1] [1] HRN EN 60079-0:2012, Oprema - Opći zahtjevi [2] [2] HRN EN ISO 179-1, Plastika - Određivanje svojstava žilavosti po Charpyju - 1. dio: Ispitivanje žilavosti bez instrumenata [3] [3] EN ISO 4892-1, Plastika - Metode izlaganja izvorima svjetla u laboratoriju - 1. dio: Opće upute [4] [4] ISO 13802, Plastika -- Provjera uređaja za mjerenje radnje loma - - Određivanje savojne žilavosti po Charpyju i Izodu te rastezne žilavosti [5] [5] EN ISO 4892-2, Plastika - Metode izlaganja laboratorijskim izvorima svjetla - 2. dio: Ksenonske lampe