Плотность полимера

Для однородного образца плотность рассчитывают так:

$$\rho = \frac{m}{V}$$

где $\rho$ — плотность, $m$ — масса, $V$ — объём. В практике используют кг/м³ или г/см³; $1\text{ г/см}^3 = 1000\text{ кг/м}^3$.

Технические характеристики

• Плотность не является постоянной «паспортной цифрой вне условий». Она зависит от температуры, влажности, кристалличности, количества наполнителя, пористости и технологии получения заготовки. При нагреве полимер расширяется, его объём растёт, а плотность снижается.
  
  

• Ориентировочная плотность распространённых конструкционных пластиков при комнатной температуре: полиэтилен — 0,91–0,96 г/см³, АБС-пластик — 1,03–1,07 г/см³, полиамид 6 — 1,13–1,15 г/см³ в сухом состоянии, полиоксиметилен POM — 1,41–1,43 г/см³, фторопласт Ф-4 — 2,15–2,20 г/см³.
  
  

• Полиамид 6, включая блочный литьевой полиамид — капролон, гигроскопичен. Водопоглощение увеличивает не только массу, но и линейные размеры детали; поэтому плотность влажной втулки или направляющей нельзя механически подставлять в расчёт сухой заготовки.
  
  

• Наполнение меняет плотность и эксплуатационное поведение материала. Стекловолокно обычно повышает плотность, жёсткость и модуль упругости, но снижает ударную вязкость и усиливает абразивное воздействие на сопряжённую металлическую поверхность. Графит и дисульфид молибдена применяют для снижения трения, однако их присутствие не отменяет требования к отводу тепла из узла.
  
  

• Плотность не заменяет механические характеристики. Предел текучести, модуль упругости, допустимое контактное давление и ползучесть определяются структурой конкретной марки, температурой и длительностью нагрузки. Две детали равной плотности могут вести себя под нагрузкой совершенно по-разному — чудес тут нет.
  
  

• Для входного контроля плотность определяют гидростатическим методом, взвешиванием образца известного объёма либо методом пикнометра. При контроле литьевого капролона локальное отклонение может указывать на пористость, неоднородность структуры или остаточную влагу.
  
  

Промышленное применение

Плотность используют прежде всего для расчёта массы детали и логистической массы партии. При замене бронзовых втулок капролоном разница особенно заметна: полиамид 6 имеет плотность около 1,14 г/см³, тогда как бронзы обычно находятся в диапазоне порядка 7,5–8,9 г/см³. Узел становится значительно легче, но рассчитывать его только по массе нельзя: бронза лучше отводит тепло и сохраняет жёсткость при длительном нагружении.

В транспортном машиностроении, на конвейерах и в оборудовании для спецтехники плотность учитывают при подборе башмаков, роликов, направляющих, вкладышей и шкивов. Лёгкие полиэтиленовые детали снижают инерцию подвижных элементов, но их жёсткость и теплостойкость ограничены. Более плотный POM даёт точность и стабильность размеров в сухой среде, однако плохо переносит некоторые химически агрессивные среды и не рассчитан на перегрев.

В пищевом и упаковочном оборудовании плотность помогает идентифицировать материал заготовки и рассчитать массу сменных деталей. Для контактирующих с продуктом элементов одного только совпадения плотности недостаточно: проверяют марку материала, требования к чистоте, среду мойки и условия эксплуатации. Фторопласт Ф-4 химически стоек и имеет плотность более 2 г/см³, но под постоянной нагрузкой склонен к холодному течению — тонкую нагруженную втулку из него ставить без расчёта неразумно.

Плюсы и минусы

• Плюс: плотность позволяет быстро оценить массу детали ещё до изготовления, сравнить материалы и снизить массу подвижного узла. Минус: равная плотность не означает равной прочности, износостойкости или теплостойкости.
  
  

• Плюс: контроль плотности помогает выявлять пористость, неполное уплотнение и отклонения в рецептуре литьевого либо наполненного материала. Минус: результат чувствителен к температуре образца, влаге и корректности измерения объёма.
  
  

• Плюс: по плотности удобно проверять соответствие заготовки ожидаемому типу полимера — POM, полиамид, полиэтилен и Ф-4 различаются достаточно заметно. Минус: метод не подтверждает конкретную марку, пищевой статус, вид наполнителя или соответствие детали техническим условиям.
  
  

• Плюс: малая плотность конструкционных пластиков снижает нагрузку на привод и металлоконструкции. Минус: снижение массы часто сопровождается меньшим модулем упругости и большей ползучестью по сравнению со сталью и бронзой.
  
  

Совет технолога ООО «АВТЭКС»

При расчёте детали плотность берут не из усреднённого справочника, а из данных на конкретную марку и состояние материала. Для капролона отдельно задают влажностное состояние заготовки и рабочую среду. Если втулка после монтажа контактирует с водой, паром или моющим раствором, закладывают изменение размеров от водопоглощения, а не надеются, что посадка «сама устаканится».

Массу цилиндрической заготовки можно предварительно определить по наружному диаметру D, внутреннему диаметру d, длине L и плотности:

$$m=\rho\cdot\frac{\pi L}{4}\left(D^2-d^2\right)$$

Все размеры в формуле приводят к согласованной системе единиц. Для точной механообработки оставляют припуск, учитывают тепловое расширение и снимают внутренние напряжения после черновой обработки. Особенно это относится к толстостенным деталям из литьевого полиамида: материал лёгкий и технологичный, но геометрию он прощает хуже, чем кажется на этапе эскиза.