Плотность пластика: чем важна данная информация?

О чем речь? Плотность пластика представляет собой физическую величину, выражающуюся в массе вещества на условную единицу объема. Чаще всего это грамм на кубический сантиметр, но возможно использование и других единиц – к примеру, кг/м³.

Зачем определять? Для обычных людей данная информация облегчает выбор материалов для бытовых нужд. Компаниям же это важно с точки зрения оптимальной организации производственных процессов.

Понятие плотности пластика

Согласно определению, плотность вещества показывает, какая его масса содержится в единице объема. Если речь идет о таком материале, как пластик, то единицей измерения является грамм на кубический сантиметр (г/см³). Промышленность выпускает полимеры разной плотности в диапазоне от 0,015 до 2,2 г/см³.

Плотность зависит от разных характеристик, и прежде всего от химической формулы самого полимера. В частности, полистирол более плотный, чем полиэтилен.

Увеличить показатель плотности можно и за счет добавления наполнителей.

Также на характеристику влияет технология процесса изготовления – литьевой пластик обычно плотнее. К тому же при повышении температуры процесса получается более легкий материал.

Еще плотность пластика зависит от степени кристалличности, присутствия воздушных пузырьков в массе и иных факторов. В частности, экструзионный процесс при высоком давлении позволяет получить жесткий ПВХ с плотностью 1,36–1,44 г/см³. А другая технология с применением парообразователей из того же химического вещества дает легкий пенопласт с плотностью 0,03 г/см³.

Используя природное сырье, получают экологический материал (PLA), и плотность такого PLA-пластика небольшая, область применения ограничена, однако он незаменим для изготовления игрушек, декоративных изделий из-за полной своей безопасности.

Наряду с химической формулой плотность пластика зависит от молекулярной структуры, которая бывает аморфной или кристаллической. Первый вид вещества отличается произвольным расположением молекул. К этой категории относятся пластики низкой плотности – полистирол, смолы, каучуки. В веществах с кристаллической решеткой молекулы располагаются в геометрическом порядке на определенном расстоянии друг от друга, что обеспечивает повышенную плотность. К таковым относятся AБС-пластики, полиэтилен, полиамиды.

Читайте также!

Особенности проектирование пресс-форм

Подробнее

Плотность пластика – это одна из основных его характеристик, поскольку именно по ней можно судить о прочности и жесткости материала, а также определить расход для производства конкретного изделия.

Значение плотности пластика в промышленности

В производстве изделий из полимеров при выборе технологии изготовления в первую очередь учитывают плотность пластика. Объясняется это несколькими причинами:

1. Характеристики материала должны соответствовать эксплуатационным качествам изделий. В зависимости от требований к готовой продукции подбирают пластик определенной плотности. Так, из гибкого полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) делают различные виды пленок, но он не подойдет, например, для производства ведер – здесь берут более прочный и жесткий полиэтилен высокой плотности (ПЭВП).
2. Производительность переработки. Менее плотный пластик имеет большую текучесть, соответственно, легче и быстрее формуется даже в сложные формы.

На производствах высокой эффективности этот параметр имеет огромное значение, поскольку даже минимальные колебания во времени переработки и точности существенно влияют на общие показатели.

3. Расходы на производство и логистику. Масса готовых изделий, которая непосредственно зависит от их плотности, оказывает влияние на различные процессы как в ходе производства, так и при последующей транспортировке. Легкие изделия легче обрабатывать и перевозить, поэтому их себестоимость меньше. С другой стороны, для ряда изделий в автомобильной, аэрокосмической отраслях критически важна прочность, поэтому обязательно учитывают соотношение между механическими характеристиками и весом.
4. Эксплуатационные требования. Плотностью пластика определяются его прочность, долговечность, устойчивость к температурным воздействиям. Чем выше плотность, тем лучше все остальные перечисленные характеристики, что расширяет область применения для таких материалов. И напротив, пластик с низкой плотностью гибче, легче, амортизирует удары, что подходит, например, для производства упаковки и бытовых предметов.
5. Контроль качества. Измеряя плотность пластика, отслеживают, насколько соблюдаются требования к составу материала и технологии производства. От этих параметров зависит не только качество продукции, но и производительность оборудования.

В современном мире применение пластиков расширяется во всех сферах. В связи с этим возрастает важность внимания к такой ключевой характеристике материала, как плотность, что находит отражение в разработке инноваций и усилиях по развитию отрасли в целом.

Методы измерения плотности пластика

Плотность – важная физическая характеристика, отражающая массу вещества в единице объема. Ее принято обозначать буквой ρ ([ро]) из греческого алфавита. Плотность рассчитывается по формуле:

ρ = м/V, где

• ρ – плотность;
• m — масса;
• V — объем.

Если речь идет о пластике, обычно используются единицы измерения граммы на кубический сантиметр (г/см³), однако можно встретить и килограммы на кубический метр (кг/м³), и фунты на кубический фут (фунт/фут³).

Для измерения плотности пластика применяют различные подходы.

1. Плотность получают делением массы предмета на его объем. Для определения последнего либо измеряют линейные параметры, либо при сложной форме используют метод вытеснения жидкости. Такой подход используют для изделий и заготовок (стержни, бруски, трубы).
2. Гидростатическое взвешивание. Массу измеряемого предмета сопоставляют с таким же объемом рабочей жидкости, плотность которой известна, например дистиллированный воды. Так измеряют плотность формованных изделий (стержни, бруски, трубки).
3. Флотационный метод (измеряются колебания плотности рабочей жидкости). Когда плотность пластика и воды (рабочей жидкости) сравнивается, образец переходит во взвешенное состояние. Метод используется в основном для изделий и гранул из полиолефинов.
4. Метод градиентной колонки. Измеряемый образец и эталонный погружают в цилиндр, заполненный рабочий жидкостью, плотность которой меняется от дна к поверхности. Таким способом определяют плотность пластиковых пленок, гранул, волокон, формованных изделий.
5. Пикнометрический метод. Измерение проводят при помощи специального сосуда определенного объема, который называется пикнометр.

Для определения плотности пластикового образца используется формула, в которую входят значения массы образца в воздухе, массы пикнометра с рабочей жидкостью и массы пикнометра с образцом и рабочей жидкостью, плотность рабочей жидкости. Такой способ подходит для измерения плотности пластикового сырья в виде гранул, хлопьев, пресспорошков, а также готовых формованных изделий.

Проводя измерения плотности пластика, необходимо учитывать определенные нюансы процессов. Прежде всего, в качестве рабочих жидкостей используют те, которые не впитываются в образец, не растворяют его, не вступают ни в какую реакцию, не испаряются, при этом обладают хорошей смачивающей способностью: этиловый спирт, смесь метилового спирта с хлороформом, вода или вода с хлористым цинком. Во время измерений необходимо поддерживать стабильный температурный режим, не допуская отклонений более 0,1 К. Для получения надежных результатов измеряют как минимум три образца из партии.

При выборе способа отталкиваются от состава пластика, формы образца, точности измерения и прочих параметров. В стандартах и техусловиях на пластик определены в том числе и методики для измерения плотности.

Определение плотности пластика в домашних условиях

Можно ли в бытовых условиях определить плотность пластика? Сделать это несложно при помощи обычных весов и мерного стакана.

В первую очередь, взвешиваем образец. Затем наливаем в мерный стакан необходимое количество воды и погружаем предмет в нее, отмечаем, на сколько делений поднялся уровень, это и будет объем образца. Значение плотности получим, разделив массу на объем.

Плотность некоторых видов пластика

Пенопласты содержат в своей структуре замкнутые поры, поэтому их объемная плотность меньше всего – от 0,015 г/см³. Такой материал используется повсеместно в качестве утеплителя и для упаковки. На другой стороне – пластики высокой плотности, такие как полипропилен, обладающий жесткостью и прочностью. Из него делают различные изделия с соответствующими характеристиками. Расскажем о наиболее распространенных видах пластиков.

1. Полиэтилен (ПЭ). Показатель плотности — от 0,91 до 0,96 г/см³. Материал получают разными методами полимеризации:

• полиэтилен высокой плотности (ПЭВП, HDPE) — 0,94–0,97 г/см³, самый прочный и жесткий, из него делают бутылки, бочки, трубы;
• полиэтилен низкой плотности (ПЭНП, LDPE) — 0,91–0,93 г/см³, более пластичный, используется для производства пленок, пакетов;
• линейный полиэтилен низкой плотности (ЛПЭНП) — 0,915–0,94 г/см³, достаточно прочный материал, в том числе устойчив к точечному воздействию.

ntk-optima.ru

2. Полипропилен (ПП) — 0,89–0,91 г/см³. Отличается легкостью, но в то же время достаточной прочностью для изготовления различных конструкций.
3. Поливинилхлорид (ПВХ) — 1,3–1,5 г/см³. Обладающий высокой плотностью, пластик ПВХ успешно противостоит коррозии, огню, является хорошим изолятором.
4. Полистирол (ПС) — 1,04–1,06 г/см³. Прозрачный и жесткий пластик, хороший изолятор.
5. Поликарбонат (ПК) — около 1,2 г/см³. Прозрачный, прочный и термостойкий пластик.
6. Полиэтилентерефталат (ПЭТ) — 1,3–1,4 г/см³. Наименьшее значение плотности имеет аморфный пластик (1,30–1,33 г/см³), а наибольшее кристаллический (1,33–1,38 г/см³).
7. АБС-пластик — 1,02–1,08 г/см³. Обладает высокой механической прочностью, не становится хрупким даже при низких температурах до -40 °C.
8. Акрил (ПММА) — 1,18 г/см³.
9. Полибутилентерефталат (ПБТФ) — 1,34 г/см³.

Часто задаваемые вопросы о плотности пластика

Используя пластик для 3D-печати, как учитывать его плотность?

Если просто ориентироваться на среднюю плотность пластика, не получится точно рассчитать массу модели, расход материала и подобрать наиболее подходящие параметры печати и поддержек.

Что влияет на плотность пластика?

Прежде всего, плотность зависит от химической формулы вещества и его структуры, степени кристалличности, наличия воздушных пузырьков. Также свой вклад вносят наполнитель, добавки, пластификаторы, температура и давление при производстве. Оказывает влияние и технология – литые изделия плотнее экструзионных.

Читайте также!

Литникова система: назначение, виды, принципы работы

Подробнее

Зависят ли характеристики пластика от его плотности?

Пластики с большим показателем плотности прочнее, выдерживают большую температуру, а менее плотные гибче, лучше противостоят ударам.

Какие из пластиков самые плотные?

К таковым относятся полиэтилентерефталат (PET, PETE), поливинилхлорид (PVC), поликарбонат (PC), полиамид 6 (PA6).

Как можно поменять плотность пластика при помощи композитов?

Дополнительные вещества вводят, например, в ABS пластик для большей плотности. В частности, слой стекловолокна увеличивает плотность до 1,38-1,9 г/см³, а армирование металлической сеткой позволяет получить пластик с плотностью 1,2-1,6 г/см³.

От плотности во многом зависит прочность материала, а соответственно, безопасность применения и эффективность. Эта характеристика также учитывается в производстве, поскольку влияет на важные условия. Чтобы подобрать подходящий материал, необходимо знать его плотность.

Источник изображения в шапке: freepik / magnific.com