STANOVENÍ PEVNOSTI V TAHU U MĚKKÝCH OBALOVÝCH FÓLIÍ 1. Úvod Pevnost v tahu je jednou ze základních mechanických vlastností obalových materiálů, charakterizujících jejich odolnost vůči mechanickému namáhání, podobně jako pevnost v tlaku, ohybu, zkrutu, nárazu, střihu, lomu atd. Pro měkké obalové materiály, kterými fólie jsou je významná právě pevnost v tahu, často podmiňující jejich použití. Je-li vzorek obalové fólie namáhán silou (F) působící ve směru rovnoběžném s jeho povrchem, dochází k protahování fólie. Jestliže tuto sílu působící na obalový materiál vztáhneme na plochu příčného průřezu testovanou fólií (A), získáme hodnotu tzv. tahového napětí (σ): F A, kde σ je tahové napětí (MPa), F je síla působící na vzorek fólie rovnoběžně s povrchem (N) a A je plocha příčného průřezu vzorku (mm 2 ), tj. ve směru kolmém na směr působící síly. Jako pevnost v tahu se označuje maximální hodnota tahového napětí, při které obvykle dojde k přetržení vzorku. Kromě pevnosti v tahu jsou pro použití obalových fólií významné i další parametry. Změny tvaru testovaného vzorku při namáhání, tj. jeho deformaci, charakterizuje tzv. relativní prodloužení () charakterizované vztahem: L x 100, L 0 kde je relativní prodloužení (%), L o je délka vzorku (mm) ve směru působení síly na počátku zkoušky a L je délka (mm) během protahování. Pokud jde o relativní prodloužení, jsou z hlediska obalových fólií významné dvě hodnoty, a to je maximální prodloužení, tj. deformace odpovídající pevnosti v tahu (prodloužení v okamžiku přetržení), a prodloužení na mezi elasticity, tj. maximální prodloužení, při kterém je deformace (prodloužení) vzorku vratné. Obě hodnoty mají pro použití polymerních obalových fólií velký význam, např. elastické prodloužení u eleastomerů se pohybuje v rozmezí cca 500 1000 %. Dalším významným parametrem je tažný modul E, který vyjadřuje odolnost materiálu vůči deformaci. Jeho význam je patrný z následujícího obrázku 1, kdy jeho hodnota je dána
směrnicí deformační křivky σ = f(), tj. vztahem E = σ /. Vzhledem k tomu, že prodloužení je bezrozměrná veličina, je rozměr E stejný jako rozměr tahového napětí. Pro většinu polymerních materiálů používaných v obalářské praxi není deformační křivka lineární (plná čára) a podobá se spíše závislosti znázorněné čárkovanou čárou, tj. hodnota tažného modulu není konstantní a je závislá na napětí. V těchto případech se jako tažný modul obvykle stanoví směrnice tečny k deformační křivce v počátku (tečkovaná přímka). Obrázek 1 σ α tažný modul pevnost v tahu Další významnou charakteristikou, kterou lze z deformační závislosti vzorku získat je tuhost W, která je vyjádřením práce, energie nezbytné k deformaci, respektive přetržení testovaného vzorku. Tuhost je dána plochou pod deformační křivkou, viz. obr. 2. Obrázek 2 σ tuhost
Je zřejmé, že podle pevnosti v tahu a tuhosti lze rozlišit několik případů znázorněných na obrázku 3. Čára A znázorňuje deformační čáru materiálu křehkého, tj. pevného ale ne tuhého, čára B tělesa dostatečně pevného i tuhého a čára C tělesa málo pevného i tuhého. Obrázek 3 A σ B C Příklad typického chování polymerních materiálů je na obrázku 4. Jako pevný, rigidní plast se chovají např. polystyren, polymethylmetakrylát, poly\karbonát atd., jako měkké polymerní materiály např. polyolefíny, měkčené PVC atd. Obrázek 4
V praxi je dále nutné uvážit, že mechanické vlastnosti obalových fólií se liší podle směru působící síly. Je to důsledek úpravy (např. orientace) fólií během výroby a při každém posuzování je nutné uvádět směr, kterým byla fólie při zkoušce namáhána. Z tohoto hlediska se rozeznávají dva základní směry, a to směr výroby fólie (machina direction) a směr na něj příčný (cross direction): Je-li fólie navinuta na roli, je směr výroby dán navinutím. Je-li fólie dodána v archu, musí být směr výroby zadavatelem vyznačen (někdy je patrný i na vzhledu fólie). 2. Cíl úlohy Cílem úlohy je stanovit základní mechanické parametry obalové polymerní fólie. To se provádí na laboratorním trhacím zařízení Instron postupem shodným s ČSN 64 0604 - Zkouška tahem fólií z plastů. 3. Přístroje a materiály 3.1 Přístroje, zařízení, měřidla, pomůcky jednosloupové laboratorní zařízení Instron - model 5544 (Instron, Ltd. UK). Použité příslušenství: o o o snímač síly 2 kn, pneumatické čelisti pro tahovou zkoušku s pístový vzduchový kompresor AL 190 Dragon, vyhodnocovací software Series IX přípravek na vyřezávání pásků o šířce 15 mm z testovaných fólií, mikrometr LW SE D 051 pro přesné stanovení tloušťky testovaného obalového materiálu. 3.2 Chemikálie a materiál testovaný vzorek polymerní obalové fólie, plocha minimálně 10 dm 2.
4. Pracovní postup Stanovení je trhací zkouškou, při němž je vzorek obalové fólie uchycen čelistmi trhacího zařízení a definovanou rychlostí protahován. Zařízení automaticky snímá sílu potřebnou k deformaci a na základě stanovené tloušťky obalové fólie ji přepočítává na tahové napětí. Vyhodnocuje se maximální síla potřebná k přetržení vzorku, odpovídající maximální tahové napětí (pevnost vzorku v tahu), deformace, tj. prodloužení v okamžiku přetržení a mechanická práce (energie) potřebná k přetržení vzorku (tuhost). Ze vzorku obalové fólie určené ke zkoušce se vystřihne minimálně dvacet pásků o šířce 15 mm a délce 10 cm a to deset ve směru výroby fólie a deset ve směru příčné. U každého pásku se stanoví tloušťka s přesností na 1 m a to třikrát pro každý vzorek cca 1 cm od konců a uprostřed. Pro každý pásek se vypočte aritmetický průměr stanovených hodnot a směrodatná odchylka. Před začátkem vlastního měření je potřeba spustit kompresor a vyčkat, až se v pneumatickém systému dosáhne tlaku asi 0,55 MPa (5,5 bar). Při spouštění a provozu kompresoru dodržujte tyto bezpečnostní předpisy: nikdy přístroj nestartujte s mokrýma nebo bosýma nohama a nedotýkejte se jej mokrýma rukama netahejte za síťový kabel, ale kompresor vždy vypínejte a zapínejte pomocí tlačítka běžící kompresor nikdy nenechávejte bez dozoru nedotýkejte se hlavy válce, žeber chladiče ani tlakového potrubí, které mohou být horké i po ukončení práce do blízkosti kompresoru nepatří snadno hořlavé předměty, např. textilie či polymerní fólie, v žádném případě kompresor nezdvíhejte, je-li pod tlakem. Pak zapněte přístroj Instron a spusťte řídící počítač. Na obrazovce se otevře software Series IX. Metoda pro testování mechanických vlastností obalových fólií je připravena a uložena pod číslem 05 a názvem Laboratorní práce-obaly. Základní parametry jsou již zadány: rychlost posunu příčníku: 250 mm.min -1 limit maximálního zatížení 2 kn
limit maximálního prodloužení: 1500 mm rozměry vzorků: vztažná délka 100 mm vztažná šířka 15 mm Při otevření souboru Laboratorní práce-obaly je potřeba nastavit typ metody, v tomto případě je to tahová zkouška. Čelisti se posunou (ovládají se tlačítkem na panelu Instronu) tak, aby vzdálenost mezi nimi byla 50 mm. Tlačítkem na panelu Instronu se vynuluje údaj o prodloužení vzorku (tlačítko gauge length ). Připravený vzorek fólie se uchytí do pneumatických čelistí, které se ovládají nožním pedálem. Zkouška se spustí kurzorem na displeji počítače přes políčko test start. Objeví se nabídka pro zadání tloušťky měřené fólie. Po jejím zadání se provede vlastní měření. Deformovaný vzorek se odstraní z čelistí a vloží se vzorek nový. Deformační zkouška se opakuje pro všechny připravené pásky jednoho vzorku obalového materiálu a daný směr namáhání. Po proměření všech vzorků testované dávky se ukončí měření kurzorem na displeji počítače přes políčko konec dávky pokračovat s výstupem na tiskárnu. Stejným způsobem se proměří všechny vzorky. 5. Výpočty Program počítače automaticky vyhodnotí průběh deformační zkoušky a spočítá čtyři základní parametry: maximální síla [N] v okamžiku přetržení, pevnost v tahu [MPa], prodloužení v okamžiku přetržení [mm] a mechanickou práci [J] nezbytnou k nevratné deformaci vzorku. Pro každý hodnocený parametr uveďte aritmetický průměr a směrodatnou odchylku stanovení. Dále statisticky vyhodnoťte významnost rozdílů v hodnocených parametrech mezi výsledky pro oba směry působení síly, tj. mezi vzorky zkoušenými ve směru výroby testované fólie a ve směru příčném (analýza rozptylu: ANOVA 1-faktorová analýza ). 6. Očekávané výsledky Výsledky sledovaných parametrů se pro běžné obalové materiály pohybují v širokém rozmezí, typické hodnoty lze odhadnout z obrázku 4 v kapitole 1. 7. Literatura
1. Dobiáš J., Čurda D.: Sylabus textů k přednáškám Balení potravin. Provizorní učební text, VŠCHT Praha, 2004, s.132-147 (http://www.vscht.cz/ktk/wwwroot/staff/dobias/baleni.pdf). 2. Firemní literatura Instron Ltd., Velká Britanie.