КОНСТРУИРОВАНИЕ И ДИЗАЙН ТАРЫ И УПАКОВКИ

Выбор материала

Материал для тары выбирают на основе анализа соответствия наи­более важных свойств пластмасс техническим требованиям к упаковке. Свойства пластмасс можно условно разделить натри группы: эксплуа­тационные, технологические и экономические (рис. 7.2).

Эксплуатационные свойства имеют первостепенное значение. Удов­летворение эксплуатационных свойств предъявляемым требованиям является предпосылкой обеспечения надежности и работоспособности тары и упаковки. К эксплуатационным свойствам относят прочностные, физико-химические, санитарно-гигиенические и др.

Комплекс прочностных свойств можно охарактеризовать конст­рукционной прочностью. Под конструкционной прочностью понима­ют совокупность механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации [53]. Конструк­ционная прочность является комплексной характеристикой, включаю­щей сочетание критериев прочности, надежности и долговечности.

Критерии прочности материала выбирают в зависимости от усло­вий его работы. Критерием прочности при статических нагрузках плас­тмасс является предел вынужденной эластичности или предел текуче­сти ов, характеризующий сопротивление материала вынужденно-элас - тическим и пластическим деформациям. На всех этапах жизненного цикла тары и упаковки вынужденно-эластические деформации неже­лательны, а пластические деформации недопустимы. Поэтому предель­ные рабочие напряжения при расчете тары из пластмасс определяют по величине предела вынужденной эластичности св (предела текучести). Предел вынужденной эластичности или предел текучести определяют совместно с другими стандартными показателями механических свойств пластмасс — пределом прочности при растяжении, относительным уд­линением при разрыве, кратковременным модулем упругости. Физи­ческая сущность перечисленных величин и методология их определе­ния приведены в [29].

При конструировании тары и упаковки важное значение имеет эф­фективность ее материала по массе. Она оценивается удельными харак­теристиками: удельной прочностью су р и удельной жесткостью Е/р, где р — плотность или удельный вес материала. Стандартные значения прочности основных применяемых в производстве тары термопластич­ных полимеров приведены в табл. 7.1.

Если тара и упаковка испытывает значительные циклические нагруз­ки, то критерием прочности может служить усталостная прочность, или выносливость.

Усталостной прочностью называют значение амплитуды напряже­ния, при котором разрушение наступает после заданного числа циклов нагружений.

Выносливостью называют число циклов нагружений до разрушения при заданном значении амплитуды напряжения.

По величине выбранных критериев прочности можно рассчитывать допустимые рабочие напряжения в элементах тары. При этом чем боль­ше прочность пластмассы, тем больше допустимые рабочие напряже­ния, а следовательно, меньше толщина стенок и масса тары.

Следует учитывать, что повышение уровня прочности и, как след­ствие, рабочих напряжений сопровождается увеличением упругих де­формаций

Где Е — кратковременный модуль упругости.

Большие значения упругих деформаций нежелательны для некото­рых типов тары, заполняемой продукцией по объемному принципу на автоматах с датчиком уровня различных конструкций. Для ограниче­ния упругой деформации материал должен обладать высоким модулем упругости (или сдвига), являющимся критерием его жесткости. К от­личительным особенностям пластмасс относят возможность значитель­ного повышения прочности и модуля упругости в процессе ориентации. Поэтому в производстве тары предпочтение отдается материалам и тех­нологиям, позволяющим создавать ориентированные структуры.

Таким образом, при проектировании тары и упаковки, от которых требуется сохранение точных размеров и формы, критерием является не прочность, а жесткость материала.

Возможно и противоположное требование. Для мягкой тары, при заполнении которой продукцией происходит существенное изменение формы и размеров, важно обеспечить большие упругие перемещения. От материала мягкой тары требуются большие значения упругих де­формаций и низкий модуль упругости.

Соответствующий критерий прочности выбирают по результатам анализа характеристик тары, наиболее полно отражающих особеннос­ти всех этапов ее жизненного цикла.

Под надежностью материала понимают его способность противо­стоять хрупкому разрушению [53]. Хрупкое разрушение считается наи­более опасным из-за протекания его с большой скоростью, практически мгновенно, при незначительных деформациях и напряжениях ниже рас­четных. Хрупкое разрушение пластмасс происходит при температурах ниже температуры хрупкости Гхр.

Для определения температуры хрупкости Г по ГОСТ 16782-71 кон - сольно закрепленный образец нагружают с постоянной и высокой ско­ростью (4,5-120 м/мин) при различных температурах. Температурой хрупкости считают температуру, при которой образец разрушается, не достигнув заданной величины деформации. К факторам, приводящим к хрупкому разрушению, относят концентраторы напряжений, пони­жение температуры, динамические нагрузки, увеличение размеров тары (масштабный фактор).

Согласно теории хрупкого разрушения очагами разрушения служат небольшие трещины (микротрещины начальным размером более 0,1 мкм) технологического или эксплуатационного происхождения. Мик­ротрещины технологического происхождения могут возникать в виде газообразных или инородных включений при формовании, сварке, скле­ивании и других технологических операциях производства тары, а так­же в виде трещиноподобных дефектов структуры, например на границе аморфных и кристаллических образований. Микротрещины эксплуа­тационного происхождения возникают в процессе постепенного накоп­ления повреждений в материале под действием нагрузок. Особенно интенсивно возникают микротрещины под действием циклических на­грузок. Эти микротрещины являются концентраторами напряжений. Напряжения в их вершине могут во много раз превышать средние рас­четные напряжения.

Для трещины длиной /, шириной Ь и радиусом г (рис. 7.3) напряже­ние в вершине

(7.2)

Где аср — среднее напряжение в материале.

Из формулы (7.2) следует, что концентрация напряжений тем боль­ше, чем длиннее трещина и острее ее вершина. Если напряжение в вер­шине трещины достигает критического значения ау кр, то под действием деформаций трещина начинает расти до критических размеров, после

Штттштттттт

Рис. 73. Концентрация напряждений вблизи эллиптической трещины

Чего тело мгновенно разрушается, разделяясь на части. Величину сту кр определяют по уравнению Гриффита

А™='г! г (7-3)

Где Е - модуль Юнга; {/ — удельная энергия разрушения, связанная с поверхностной энергией тела.

Отличительной особенностью пластмасс является процесс развития больших деформаций, предшествующий процессу хрупкого разруше­ния. Большие по величине деформации пластмасс при нагружении в диапазоне температур Тхр<Т< Г связывают с возможностью подвиж­ности больших сегментов макромолекул. По своей сути такие конфор - мационные перестройки больших сегментов макромолекул можно от­нести к высокоэластичным деформациям, развивающимся в пластмассах в высокоэластическом состоянии при температурах выше температуры стеклования 7 Поскольку в стеклообразном состоянии при Т < Т< Г решающим фактором в реализации сегментальной подвижности являет­ся не температура (как в высокоэластическом состоянии), а возникаю­щие при нагружении высокие напряжения, то развивающиеся большие деформации принято называть вынужденными высокоэластическими.

Под действием напряжений аутах в областях, прилегающих к вер­шине микротрещины, возникает локальная вынужденная высокоэлас­тическая деформация. Она сопровождается процессом местной ориен­тации цепей макромолекул. Возникают зоны деформационного микро­расслоения материала на высокоориентированные пучки цепей макро­молекул, называемые тяжами, и на прилегающие к ним участки с мень­шей плотностью (рис. 7.4, б). Эти зоны получили название «трещины серебра» [19]. По своей сути «трещины серебра» не являются настоя­щими трещинами. Они не имеют раскрытых створок и не приводят к образованию новой поверхности разрушения. Высокоориентирован­ные высокопрочные тяжи не позволяют раскрываться «трещине се­ребра». Локальная деформация вызывает релаксацию (снижение) пе­ренапряжений у вершины микротрещины. Происходит выравнива­ние напряжений, и микротрещина перестает играть роль острого кон­центратора напряжений. Материал с «трещинами серебра» может иметь высокую долговечность.

В

||ф||

«и11

Рис. 7.4. Схема возникновения и развития «трещин серебра* в районе внутренних

Микротрещин:

А — концентрация напряжений в районе микротрещины; б — локальная деформация материала и образование «трещины серебра»; в — рост «трещины серебра* и разрывы

Микротяжей

Дальнейшее увеличение напряжений аср приводит к процессу тер - мофлуктуационного разрыва тяжей и увеличению размеров микротре­щины (рис. 7.4, в). На поверхности образующих створок микротрещи­ны возникает семейство бороздок от разрушенных тяжей [19]. Трещи­на разрушения развивается обычно вслед за «трещиной серебра». При достижении трещиной критического размера наступает завершающая стадия процесса разрушения пластмасс — хрупкое разрушение.

А бег

Процесс возникновения «трещин серебра» возможен как внутри материала от внутренних микродефектов (рис. 7.4), так и на поверхно­сти материала от поверхностных микродефектов (рис. 7.5).

Оценку надежности материалов по размеру допустимого дефекта проводят по критериям Ж. Ирвина. Им предложено два критерия тре - щиностойкости, из которых наибольшее применение получил критерий К. Критерий К называют коэффициентом интенсивности напряжений в вершине трещины. Он определяет растягивающие напряжения сту в любой точке (рис. 7.6) впереди вершины трещины:

(74>

Знаменатель выражения (7.4) обращается в единицу прих~ 0,16. В этом случае К численно равен оу на расстоянии ~ 0,16 мм от вершины трещины.

Критерий К в случае плоской деформации рястяжения обозначают Кх% а при достижении критического значения, когда стабильная трещи­на переходит в нестабильную, обозначают /С1с.

Критерий Ки показывает, какого значения достигает напряжение вблизи вершины трещины в момент разрушения. Он связывает прило­женное среднее напряжение с критической длиной трещины / :

К{с ^ср^/оя/^, (7.5)

Где а — безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию трещины.

Значение Ки определяют экспери­ментально на образцах с надрезом и с заранее созданной на дне этого надреза усталостной трещиной (рис. 7.7). Для расчета Ки при нагружении образца фиксируют усилие подрастания трещи­ны на некоторую величину и перехода ее к нестабильному распространению.

Величина /С1с зависит от степени де­формации у вершины трещины и харак­теризует сопротивление развитию вяз­кой трещины. Чем больше значение Л*1с, Рис. 7.7. Образец для определения КХс тем выше сопротивление материала вяз­кому разрушению и выше его надежность.

Для оценки надежности пластмасс используют также величину удар­ной вязкости. Ударную вязкость определяют работой разрушения стан­дартного образца с надрезом или без надреза, отнесенной к площади его поперечного сечения. Испытания проводят с помощью маятникового коп­ра. Скорость движения маятника в момент удара составляет от 2 до 4 м/с.

Определение ударной вязкости на Шарпи (ГОСТ 4647-80) осуще­ствляют ударом молотка маятника посередине образца, свободно лежа­щего на двух опорах. При этом происходит ударный изгиб образца.

Ударную вязкость по Динстату (ГОСТ 14235-69) определяют ударом молотка вдоль линии закрепления в зажиме образца размером 10x15 мм толщиной 1,5-4,5 мм. При этом происходит ударное растяжение образца.

Ударную вязкость по Изоду определяют в режиме ударного изгиба консольно закрепленного образца с надрезом.

У хрупких и эксплуатационно ненадежных пластмасс ударная вязкость минимальная. Чем больше значение ударной вязкости, тем выше надеж­
ность материала в условиях эксплуатации. Ориентировочные значения ударной вязкости и температуры хрупкости основных применяемых в производстве тары термопластичных полимеров приведены в табл. 7.2.

В отличие от критериев прочности критерии надежности материала являются только качественными, позволяющими проводить сравни­тельный анализ предполагаемых материалов тары. Критерии надежно­сти не пригодны для расчета конструкции тары на прочность.

Долговечностью называют свойство материала сопротивляться раз­витию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность тары в течение заданного времени (ресурса).

Причины потери работоспособности тары могут быть разнообраз­ными: развитие процессов усталости, старения, изнашивания, ползуче­сти, коррозии, деструкции и т. п. Эти процессы вызывают постепенное накопление необратимых повреждений в материале и его разрушение. Обеспечение долговечности материала означает уменьшение до требу­емых значений скорости его разрушения.

Под механической работоспособностью понимают способность по­лимеров не разрушаться и не размягчаться в заданном режиме меха­нического и теплового воздействия [5]. Таким образом, можно выде­лить две причины потери работоспособности тары из пластмасс. Пер­вая причина — разрушение полимерного материала под действием дли­тельного нагружения, наступающее при малых деформациях. Вторая причина — размягчение полимерного материала, вызывающее разви­тие больших деформаций без потери целостности.

При длительно действующих статических или знакопеременных ди­намических нагрузках проявляется отличительная особенность пластмасс

—вязкоупругость и кинетический характер разрушения. Поведение пла­стмасс в условиях длительного нагружения оценивают по скорости пол­зучести или скорости релаксации напряжений. Параллельно с развити­ем деформаций в полимерах протекают процессы накопления поврежде­ний, приводящие в конечном счете к разрушению. Скорость протекания всех процессов определяет долговечность полимерного материала.

Кинетический характер разрушения пластмасс рассмотрен в рамках термофлуктуационной теории прочности. Эта теория рассматривает разрушение не как критическое явление, наступающее при достижении предельного напряжения или деформации, а как кинетический процесс накопления повреждений, развивающийся в теле с момента приложе­ния нагрузки. Приложенные механические напряжения снижают акти­вационный барьер, облегчая разрыв основных когезионных связей в полимере. Непосредственное разрушение материала объясняется обра­зованием трещин в местах концентрации напряжений. Зарождение и

Ориентировочные значения ударной вязкости, температуры хрупкости и теплостойкости основных термопластичных полимеров, применяемых в производстве тары [38,76,82,100]

Развитие трещин рассматривается как следствие кинетического процес­са термофлуктуационного разрыва связей.

При сравнительно малых длительно действующих статических на­грузках ползучесть полимеров описывается в рамках теории линейной вязкоупругости тремя методами.

1. В режиме релаксации напряжения при поддерживаемой постоян­ной деформации еор = const напряжение а(£) постепенно уменьшается во времени по закону

Ст(0=[£.+ф(0Кр>

Где Е" — равновесный модуль, равный отношению напряжения после завершения релаксации к начальной деформации; ф(£) — функция ре­лаксации.

Монотонно убывающую функцию ср(£) обычно выражают в виде

Ф(О=|Д0>'1/е^0'

О

Где Ь— текущее время; 0' — время релаксации.

2. В режиме ползучести под действием постоянного заданного на­пряжения а0 деформация е(£) не сразу достигает постоянного значения (если оно существует), а возрастает с течением времени £ по закону

Є(0= Уо+—+W) -°о. . *12

ГдеJQ — мгновенная упругая податливость (/0 = 1 /Е0) £/п2 — функ­ция течения при произвольной продолжительности воздействия а0; |/(£) — функция ползучести, характеризующая нарастания обратимой деформации.

3. В режиме знакопеременных циклических нагрузок показателем вязкоупругих свойств служит комплексный модуль упругости С*(со), включающий реальную С'(а>) и мнимую С"(со) составляющие и являю­щийся функцией угловой частоты со:

С*(со) = G'(co) + iG"( со).

Реальная составляющая комплексного модуля упругости (7(со) на­зывается динамическим модулем упругости. Она характеризует вели­чину накопленной в теле упругой энергии, поэтому ее иногда называют модулем накопления. Она может быть выражена через релаксационный спектр материала:

(7.10)

Мнимая часть комплексного модуля упругости <?"(оо) называется мо­дулем потерь, поскольку характеризует потери механической энергии на вязкое трение. Механические потери в вязкоупругом теле обычно характеризуют тангенсом угла механических потерь tgS; коэффициен­том поглощения а или декрементом затухания 0:

Деформационная долговечность при ползучести оценивается дол­говечностью формы £ф [82], которая обычно связана с началом области III на кривой ползучести:

/

?ф = Л-ехр

Где А — постоянная материала; £' — энергия активации процесса пол­зучести; У — коэффициент интенсивности напряжений.

Систематическое изучение поведения различных по структуре и свойствам пластмасс при длительном нагружении позволило получить обобщенную формулу определения долговечности т, получившую на­звание «уравнение Журкова» [29,82,100]:

(Цр-уо^

КТ > (7-15)

Гдет0— предэкспоненциальный множитель, имеющий размерность вре­мени и характеризующий скорость тепловых колебаний атомов; {У0 — энергия активации процесса разрушения, примерно соответствующая энергии активации разрыва связей при термодеструкции; у — коэффи­циент снижения энергии активации разрыва химических связей при действии приложенного напряжения.

Численные значения параметров уравнений (7.14) и (7.15) для не­которых полимеров приведены в табл. 7.3 [82,99].

Таблица 7.3

Параметры уравнений (7.14) и (7.15) при растяжении некоторых

Полимеров

Анализ уравнения (7.14) показывает, что деформационная долговеч­ность при ползучести пластмассы конкретной марки главным образом зависит от напряжения а и температуры Т. Чем больше значения а и Г, тем меньше долговечность формы £ф.

Физическая сущность понятия деформационной долговечности тес­но связана с представлениями о размягчении полимерных материалов. В любом режиме механического и температурного воздействия поли­мер теряет свою форму, то есть размягчается через определенный про­межуток времени [5]. В зависимости от режимов этого воздействия тем­пература размягчения может принимать разные значения. В частном слу­чае — нагреве полимера в отсутствие механических напряжений — тем­пература размягчения соответствует температуре стеклования Г, разде­ляющей области стеклообразного и высокоэластического состояний.

Количественную оценку стойкости полимеров к размягчению принято выражать теплостойкостью. Теплостойкость характеризует способность полимера сохранять свои механические свойства при непрерывном повы­шении температуры. Численно она выражается значением температуры, при которой под действием заданной нагрузки деформация достигает оп­ределенного значения. Наиболее распространенные методы определения теплостойкости по Мартенсу (Гм), по АБТМ и по Вика (Гв).

Метод определения теплостойкости по Мартенсу применяют для наиболее жестких и теплостойких материалов. Он заключается в уста­новлении температуры, при которой свободный конец образца длиной 120 мм, шириной 15 мм и толщиной 10 мм переместится на 6 мм в усло­виях консольного изгиба при напряжении около 5 МПа.

Для определения теплостойкости по АБТМ аналогичные образцы помещают на две опоры, расположенные друг от друга на расстоянии 100 мм, и посередине прикладывают изгибающую нагрузку. Ее вы­бирают в зависимости от структуры и морфологии полимера из рас­чета обеспечения четырех значений изгибающих напряжений: 0,45; 1,81; 4,9; 7,4 МПа. Температуру, при которой происходит прогиб об­разца на 0,33 мм, считают температурой размягчения при изгибе.

Метод определения теплостойкости по Вика основан на установле­нии температуры, при которой цилиндрический индентор сечением 1 мм2 или полусферический индентор с диаметром сферического сегмента 1,13мм поддействием нагрузки 1 кгс или 5 кгс вдавится в образец на глубину 1 мм. Этот метод не применим для пластмасс, содержащих более 30% наполнителей, и для армированных композиционных материалов.

Значения теплостойкости основных применяемых в производстве тары полимеров приведены в табл. 7.2.

Таким образом, работоспособность материала тары на всех этапах ее жизненного цикла характеризуют следующие критерии конструкци­онной прочности пластмасс:

1) предел вынужденной эластичности ав, который при заданном за­пасе прочности определяет допустимые рабочие напряжения, массу и размеры тары;

2) модуль упругости £, который при заданной геометрии тары оп­ределяет величину упругих деформаций, т. е. ее жесткость;

3) относительное удлинение при разрыве, ударная вязкость, темпе­ратуры хрупкости и теплостойкости, которые оценивают надежность материала в эксплуатации;

4) циклическая долговечность, скорости ползучести и релаксации напряжения, определяющие долговечность материала.