ГОСТ 4650-2014: водопоглощение пластмасс и размеры деталей

Водопоглощение по ГОСТ 4650 отвечает на вопрос, сколько воды по массе набирает пластмасса за заданное время, и через это показывает, насколько изменятся размеры и жёсткость детали в мокром узле.

Стандарт 2014 года заменил редакцию 1980 года и опирается на ISO 62

По карточке стандарта ГОСТ 4650-2014 «Пластмассы. Методы определения водопоглощения» действует, введён с 1 марта 2015 года взамен ГОСТ 4650-80 и содержит требования ISO 62:2008. Он измеряет поглощение воды сквозь толщину плоских и изогнутых образцов при погружении или во влажном воздухе и даёт способ рассчитать коэффициент диффузии воды по закону Фика.

Пункт 1.3 разделяет два применения. Короткие испытания на образцах одного размера годятся для сравнения партий одной пластмассы и контроля качества, но не для сравнения разных пластмасс, потому что равновесие не достигнуто. Разные пластмассы сравнивают по водопоглощению при насыщении. Ячеистые пластмассы, плёнки, гранулы и порошки в область применения не входят.

Четыре метода различаются средой и целью

Метод 4 полезен для деталей, которые воду не видят, но работают во влажном помещении: он показывает, сколько влаги набирает пластмасса просто из воздуха. Метод 2 нельзя применять к пластмассам, которые меняют форму в кипятке. Если при повторных циклах кипячения появляются трещины, в протоколе указывают, после какого цикла.

Образец сушат до постоянной массы, иначе цифра ничего не стоит

Перед испытанием образцы сушат при 50 ± 2 °C не меньше 24 часов, охлаждают в эксикаторе над пятиокисью фосфора и взвешивают, пока два взвешивания подряд не совпадут в пределах ±0,1 мг. Пункт 6.2.1 предупреждает, что при 50 °C сушка может занять от одного до десяти дней в зависимости от толщины. После выдержки воду с поверхности снимают сухой тканью и взвешивают не позже чем через минуту.

Воды берут не меньше 8 см³ на 1 см² поверхности и не меньше 300 см³ на образец, каждый набор из трёх образцов кладут в отдельный сосуд, образцы не касаются друг друга и стенок. Лёгкие пластмассы, которые плавают, топят в корзинке из нержавеющей проволоки с грузом. Водопоглощение считают как разность масс после выдержки и после сушки, делённую на массу после сушки, и усредняют три образца.

Образец толщиной 1 мм набирает воду за неделю, деталь за годы

Рекомендуемый образец для ненаполненных пластмасс имеет толщину 1,0 ± 0,1 мм; для полиамидов, поликарбонатов и некоторых наполненных материалов допускается 2,05 ± 0,05 мм. Из прутка диаметром до 26 мм вырезают шайбу длиной 25 мм, из более толстого прутка 13 мм. Из листа и изделия образец утоняют механической обработкой одной стороны до 1,0–1,1 мм.

Толщина решает всё из-за закона Фика. По таблице 1 стандарта образец насыщается, когда безразмерный параметр Dπ²t/d² доходит до 5, а 70 % насыщения соответствуют значению 1. Примечание к пункту 7.2 называет типичный коэффициент диффузии пластмасс при 23 °C около 10⁻⁶ мм²/с: образец 1 мм доходит до 70 % примерно за сутки и до насыщения меньше чем за неделю.

Пример: стенка втулки 10 мм в 10 раз толще образца, и время насыщения растёт в 100 раз. При том же коэффициенте диффузии получается 5 · 10² / (10⁻⁶ · 9,87) ≈ 5 · 10⁷ с, около полутора лет. Поэтому паспортная цифра «за сутки» для толстой детали сильно занижает конечное поглощение, а цифра «при насыщении» показывает, к чему деталь придёт за месяцы и годы работы в воде.

Что значит водопоглощение пластмассы за сутки?

Водопоглощение пластмассы за сутки по ГОСТ 4650-2014 означает прирост массы высушенного образца толщиной около 1 мм после суток в дистиллированной воде при 23 °C, в процентах к исходной массе. Цифра служит для контроля партий одной пластмассы. Конечное поглощение детали она не показывает: у литого полиамида 6 за сутки набирается 0,65 %, а при насыщении 6,5 %.

Паспорта сравнивают по насыщению, а не по суткам

Таблица собрана по паспортам полуфабрикатов одного изготовителя, где водопоглощение измерено по ISO 62 на дисках диаметром 50 мм и толщиной 3 мм в воде при 23 °C. Значения типичные.

За сутки полиамид набирает воды меньше чем в три раза больше полиацеталя, а при насыщении в восемь раз больше. Если сравнить только первую колонку, разница кажется умеренной; вторая показывает, почему для точной посадки в воде полиамид заменяют полиацеталем, PET-P или СВМПЭ.

Вода меняет размеры и жёсткость детали

Поглощённая вода раздвигает молекулы полиамида: деталь растёт в размерах и становится мягче и вязче. Для втулки это значит, что отверстие уменьшается, а зазор на валу выбирается; для ролика наружный диаметр растёт; для шестерни уходит межосевое расстояние. Как перевести проценты в поправку на зазор, показано на примере втулки из капролона, где влага учтена отдельной строкой расчёта.

Влага меняет и паспортные свойства. Механические цифры полиамида в каталогах часто сняты на сухих образцах, а после выдержки в воздухе цеха или в воде прочность и модуль ниже, ударная вязкость выше. Поэтому при сравнении паспортов смотрят, в каком состоянии испытан материал: сухом, кондиционированном при 50 % влажности или насыщенном. Для капролона это главная оговорка к любой цифре.

Почему водопоглощение важно для втулки из пластмассы?

Водопоглощение важно для втулки из пластмассы, потому что вода увеличивает размеры детали и уменьшает её жёсткость. У полиамида при насыщении в воде прирост массы доходит до 6,5 %, и отверстие втулки сужается, зазор на валу исчезает. Материалы с поглощением меньше 1 %, полиацеталь, PET-P и СВМПЭ, держат посадку в воде стабильнее, но различаются по износу и нагрузке.

Протокол водопоглощения проверяют по пяти строкам

Раздел 9 перечисляет состав протокола, и для выбора материала важны пять строк: метод от 1 до 4, время выдержки, толщина и способ изготовления образца, водопоглощение с разбросом, водопоглощение при насыщении и коэффициент диффузии, если их считали. Если образец вырезан из готовой детали или стержня, в протоколе отмечают, обработана ли его поверхность: поверхностный слой литой заготовки и выточенная поверхность поглощают воду по-разному.

Отрицательное значение в протоколе тоже информация: из материала вымываются растворимые вещества, и стандарт требует это отметить. Для детали в агрессивной или горячей воде такую пластмассу лучше проверить по ГОСТ 12020 с измерением прочности после выдержки.

Посадку детали в воде не обещают без пробы

Расчёт по паспорту даёт порядок величины, а реальное набухание зависит от марки, способа изготовления заготовки, температуры воды и толщины стенки. Посадку и зазор пластмассовой детали в мокром узле мы не гарантируем по паспорту: в КП указываем марку материала, исходные размеры в сухом состоянии и условия, для которых рассчитан зазор. Если узел критичен, первую деталь ставят на пробу и меряют после выдержки в рабочей воде.

Для изготовления втулок и других деталей для работы в воде пришлите чертёж с посадкой, температуру воды или влажность цеха, постоянный или периодический контакт и материал прежней детали. Если прежняя деталь из полиамида заклинила в воде, её размеры после работы тоже помогут: по ним видно, сколько она выросла.