Univerza v Ljubljani Pedagoška fakulteta

Mehanske lastnosti umetnih snovi- trdota

Natalija Naglič

Seminarska naloga pri predmetu Didaktika tehnike s seminarjem I

Mentor: dr. Janez Jamšek, doc.

Ljubljana, 2009

Povzetek Namen seminarske naloge je izvesti preskus trdote umetnih snovi z meritvami, ki je ciljno namenjen učiteljem in učencem pri pouku Tehnike in tehnologije. Podan je opis značilnosti umetnih snovi in v praksi najbolj uveljavljen način preskušanja trdote umetnih snovi. Sledi opis izvedbe preskusa za učence pri pouku Tehnike in tehnologije. Seminarska naloga zajema še model za preskus trdote, zadani kriteriji, izvedene meritve kot tudi navodila učitelju, na kaj mora biti pazljiv pri izvajanju preskusa.

Kazalo 1  Uvod................................................................................................................................... 4 2  Navezava na učni načrt.................................................................................................... 4 3  Pregled obstoječega gradiva............................................................................................ 4 4  Umetne snovi..................................................................................................................... 4 

4.1  Tehnološka delitev umetnih snovi ............................................................................... 5 4.1.1 Termoplasti................................................................................................................ 5 4.1.2 Duroplasti .................................................................................................................. 5 4.1.3 Elasti.......................................................................................................................... 6 4.1.4 Silikoni ...................................................................................................................... 6 

4.2 Lastnosti umetnih snovi ................................................................................................... 6 4.2.1 Mehanske lastnosti umetnih snovi ............................................................................ 6 

5  Trdota umetnih snovi....................................................................................................... 7 5.1 Trdota po Rockwellu........................................................................................................ 7 

5.1.1 Rockwellov preizkus z diamantnim stožcem (HRC) ................................................ 7 5.1.2 Rockwellov preizkus z jekleno kroglico (HRB) ....................................................... 7 

5.2 Trdota po Shoru (HS)....................................................................................................... 8 5.3 Trdota umetnih snovi pri pouku Tehnike in tehnologije.................................................. 9 

5.3.1 Preizkus trdote umetnih snovi pri pouku.................................................................. 9 6  Preskus trdote umetnih snovi........................................................................................ 10 

6.1 Določitev kriterijev preskusa ......................................................................................... 10 6.2 Zasnova modela.............................................................................................................. 10 6.3 Preskusni vzorci ............................................................................................................. 11 6.4 Meritve ........................................................................................................................... 13 

7  Preskus trdote................................................................................................................. 13 8  Sklep ................................................................................................................................ 14 9  Literatura........................................................................................................................ 14 10  Priloge.............................................................................................................................. 15 

10.1 Učni list ........................................................................................................................ 15 10.1.1 Rešen učni list ....................................................................................................... 15 10.1.2 Nerešen učni list .................................................................................................... 15 

4

1 Uvod Učenci osnovnih šol v 7. razredu spoznavajo lastnosti umetnih snovi, med njimi tudi trdoto. Razumevanje lastnosti gradiv je zelo pomembno že samo zaradi same uporabe gradiv v različnih tehnoloških postopkih in še bolj pri sintezi rešitev za raznovrstne tehnične probleme. Za dosego čim večjega efektivnega znanja učencev se nekateri učitelji poslužujejo demonstracije. V praksi se pojavlja veliko različic načinov demonstriranja mehanskih lastnosti umetnih snovi. Nekateri načini so bolj strokovno in nazorno podkovani, drugi manj. V tej seminarski nalogi je opisan način preskušanja trdote umetnih snovi, ki je lahko uporaben pri pouku Tehnike in tehnologije, saj je namenjen tako za demonstracijo učitelja kot preskus učencev.

2 Navezava na učni načrt Skladno z učnim načrtom sedmega razreda osnovnih šol obravnavajo učenci tudi umetne snovi ter njihovo obdelavo [1]. Učenci morajo s poskusom ugotoviti lastnosti gradiv in izbrati ustrezno gradivo za določen izdelek. V učnem načrtu sta navedena naslednja izobraževalna cilja:

- učenec primerja trdoto najpogostejših umetnih snovi in - učenec izbere primerno gradivo za določen izdelek.

3 Pregled obstoječega gradiva V praksi in na trgu se pojavlja veliko načinov določanja MLUST (mehanske lastnosti umetnih snovi- trdota). Z uporabo umetnih snovi se je moral uvesti nek način, s katerim je bilo mogoče določiti njihovo kvaliteto in raznolikost med posameznimi vrstami. Uveljavil se je način opisovanja umetnih snovi z lastnostmi: fizikalne, kemične in mehanske lastnosti. Izmed mehanskih lastnosti umetnih snovi poznamo prožnost, trdnost, taljenje, toplotno prevodnost in trdoto umetnih snovi [2]. Definicija trdote je odpornost materiala proti vdiranju (vtiskanju) drugega, tršega telesa. Najpogostejša načina za določanje trdote umetnih snovi [3]:

- trdota po Shoreju, za mehkejše termoplaste in elastomere - trdota po Rockwellu (določanje mikrotrdote)

O umetnih snoveh je najbolj obširno opisano v [3], največ podrobnosti o lastnostih metnih snovi najdemo v [3], [5], o trdoti pa je najbolje razloženo v [6]. Na svetovnem spletu obstaja kar nekaj strani na to tematiko, priporočamo naslednje [2], [7]-[9]. Dobljene rezultate preskusov trdote nekaterih umetnih snovi po Shoru najdete na [9].

4 Umetne snovi Umetne snovi so organski polimeri, to so makromolekule, ki nastajajo iz manjših molekul enostavnih snovi, monomerov. Polimerizacija pa je proces, v katerem se monomeri združujejo v polimere [3]: Poznamo naravne in umetne polimere. Med naravne polimere spadajo celuloza, protein in škrob, med umetne polimere pa prištevamo umetne snovi. Umetne polimere imenujemo tudi sintetični polimeri, ki so kemično spremenjeni naravni polimeri, kot sta nafta in celuloza [5]. V nadaljevanju podajam tehnološko delitev umetnih snovi:

Monomer ETEN → polimerizacija → polimer POLIETILEN (PE)

5

4.1 Tehnološka delitev umetnih snovi Po mehanskih in tehnoloških lastnostih delimo umetne snovi na [3]:

- Termoplasti, - Duroplasti, - Elastomeri in - Silikoni.

Njihova struktura je razvidna na Slika 4.1: Oblike verig polimerov [8].

Slika 4.1: Oblike verig polimerov [8].

4.1.1 Termoplasti Termoplasti ali termoplastične snovi so linearni ali razvejani polimeri ( Slika 4.1), ki se največkrat predelujejo pri povišani temperaturi; takrat se zmehčajo in stalijo [8]. Po ohlajanju se termoplasti strdijo in obdržijo obliko. Ta proces lahko teoretično ponavljamo neskončno dolgo, kar pomeni, da jih lahko recikliramo. Ravno zaradi možne reciklaže so termoplasti najbolj razširjeni polimerni materiali. Primeri termoplastov [8]:

- ABS (akrilonitril butadien stiren), - PS (polistiren), - PVC (polivinilklorid), - PMMA (polimetilmetakrilat), - PC (polikarbonat), - PBT (polibutilen tereftalat), - PET (polietilen tereftalat), - POM (poliacetal), - PP (polipropilen), - PA (poliamid, nylon).

Topni so v nekaterih razredčilih in jih lahko varimo [3]. Slaba lastnost termoplastov pa je v tem, da se s povečano temperaturo mehčajo, postanejo elastični in nato tekoči, pri še višjih temperaturah pa razpadejo.

4.1.2 Duroplasti Duroplasti vsebujejo močno zamrežene makromolekule, ki tvorijo eno veliko prostorsko zamreženo makromolekulo ( Slika 4.1). Vezi, nastale med makromolekulami s segrevanjem ne popustijo, ampak pri določeni temperaturi razpadejo [8]. To daje boljšo temperaturno obstojnost in večjo trdnost, vendar pa duroplastov ne moremo reciklirati, zato vedno več duroplastov nadomeščajo s termoplasti. Duroplaste delimo na:

- PF (fenolne smole, bakelit, pertinaks), - UF (urea smole), - MF (melanin smole),

6

- UP (nenasičene poliestrske smole), - EP (epoksi smole), - PUR (poliureatane) [8]

Duroplasti niso topni v topilih, v njih kvečjemu nabreknejo. Regeneracija in varjenje nista možna [3]. Ker se s segrevanjem ne mehčajo, z njim ponavadi oblepijo kuhinjske pulte, sestavljajo pa tudi ohišja električnih naprav, saj se le te med delovanjem segrejejo [10].

4.1.3 Elasti Elasti oziroma elastomeri so materiali, ki se po definiciji vrnejo v prvotno obliko (umetna guma). Sestavljeni so iz šibko zamreženih verig, katerih stopnja zamreženosti je nižja kot pri duroplastih ( Slika 4.1) [8]. Pri normalni temperaturi prostora so elastični, z dodatnim pregrevanjem pa ne postanejo mehki, temveč pričnejo razpadati [3]. So tudi taljivi, nabreknejo ter so topni v določenih kislinah in ogljikovodikih [5].

4.1.4 Silikoni Silikoni imajo nizko površinsko napetost, so vodoodbojni, obstojni pri ultravijoličnem sončnem valovanju in vremensko obstojni (korozija, temperature …). Tudi kemijska obstojnost je relativno dobra, vendar so topni v mnogih organskih topilih. Najdemo pa jih v različnih oblikah, saj so lahko olja, maščobe, gume ali smole. Silikonska olja se uporabljajo kot hidravlične tekočine, vsebujejo jih tudi spreji za impregniranje tekstila, usnja, lesa in papirja. Silikonsko peno se uporablja pri oknih, vratih ali podobnih gradbenih objektih. Silikonska guma se uporablja za izdelavo cevi, lahko pa še za pekače, silikonske vložke in dude (Slika 4.2). Silikonske maščobe pa se uporabljajo kot maziva pri visokih in nizkih temperaturah [5]. Silikoni so snovi, iz katerih izdelujejo barve, lake, tesnilne silikonske kite [15].

Slika 4.2: Duda [12].

4.2 Lastnosti umetnih snovi Umetne snovi lahko plastično preoblikujemo, barvamo, predelujemo v vlakna in folije, primerne pa so tudi za velikoserijsko izdelavo. Zaradi kemijske sestave so odporne proti lugom in kislinam. Neobčutljivost proti organskim topilom pa je pri posameznih umetnih snoveh zelo različna in je odvisna od molekularne zgradbe. Umetne snovi so tudi zelo dobri izolatorji [3]. Umetne snovi imajo torej določene fizikalne, kemične in mehanske lastnosti. V nadaljevanju seminarske naloge bom pozornost posvetila mehanski lastnosti umetnih snovi- trdoti.

4.2.1 Mehanske lastnosti umetnih snovi Izmed mehanskih lastnosti umetnih snovi poznamo njihovo prožnost, trdnost, taljenje, toplotno prevodnost in trdoto. Odvisne so od molekularne zgradbe materiala, od oblike izdelka, načinov preoblikovanja in od dodatkov,

7

ki jih z različnimi nameni primešamo umetni snovi. Molekularna zgradba vpliva tudi na kemično in toplotno obstojnost snovi [3]. Pisanje seminarske naloge je osredotočeno na trdoto umetnih snovi.

5 Trdota umetnih snovi Trdota je odpornost materiala proti vdiranju (vtiskanju) drugega, tršega telesa. Trdoto umetnih snovi merimo s prodiranjem nekega materiala v snov po različnih postopkih. Postopke za preizkus trdote razdelimo v:

- statične: obremenjeno vdiralno telo deluje določen čas na površino materiala – preizkus po Brinellu, Vickersu, Rockwellu;

- dinamične: vdiralno telo deluje s kinetično energijo na površino materiala – preizkus po Shoru, Poldiju. [6]

Trdota umetnih snovi se v praksi največkrat določa po Rockwellu, trdoto mehkih materialov, kot so elastomeri, polietileni, fleksibilni PVC in podobni, pa se določa z vrednostmi po Shoru [2]. Na trdoto vplivata predvsem temperatura in vlaga.

5.1 Trdota po Rockwellu Gre za statični preizkus trdote, torej se v preizkušanec vtiska trdo telo. Ne meri se površina vtiska, temveč njegova globina. Preizkus ima več načinov preizkušanja, in sicer glede na obliko in velikost vdiralnega telesa, predhodno obremenitev in glavno obremenitev. Najpomembnejša sta:

- preizkus z diamantnim stožcem (HRC) in - preizkus z jekleno kroglico (HRB) [6]

5.1.1 Rockwellov preizkus z diamantnim stožcem (HRC) Vdiralno telo je diamantni stožec s kotom ob vrhu 120° in polmerom pri vrhu 0,2 mm, kot kaže Slika 5.1. Najprej nastopi predobremenitev 100 N, sledi glavna obremenitev 1400 N (skupno torej 1500 N) in razbremenitev 100 N.

Slika 5.1: Vrstni red obremenitev z diamantnim stožcem [13].

Ker je merilo za trdoto globina nastalega vtiska, jo moramo izmeriti. Izmerimo jo z merilno urico, ki je sestavni del aparata za merjenje trdote po Rockwellu. Iz globine vtiska sklepamo o trdoti materiala- čim večja je trdota, tem manjša je globina vtiska, zato je trdota:

eHRC −=100 , (5.1) kjer je dejanska globina vtiska, podana v mm. Največje vrednosti trdote so od 69 do 79 HRC. Pri trdotah, manjših od 25 HRC, meritve niso več zanesljive, zato v teh primerih uporabljamo merjenje z jekleno kroglico [6].

5.1.2 Rockwellov preizkus z jekleno kroglico (HRB) S tem preizkusom merimo sorazmerno mehke materiale, medtem ko s stožcem merimo trše. Način preizkušanja je enak preizkusu s stožcem, le da pri meritvi s kroglico glavna obremenitev znaša 900 N (Slika 5.2).

8

Slika 5.2: Vrstni red obremenitev z jekleno kroglico [13]. Iz globine vtiska sklepamo o trdoti materiala:

eHRB −=130 , (5.2)

kjer je dejanska globina vtiska, podana v mm. Tako izračunan rezultat razberemo neposredno na merilni urici [6].

5.2 Trdota po Shoru (HS) Gre za dinamični preizkus trdote, ki temelji na udarni obremenitvi. Trdota po Shoru je dobila ime po ameriškem industrialcu A. Shoreu, katerega podjetje je leta 1905 izdelalo napravo za ugotavljanje trdote, imenovano skleroskop, na Slika 5.3. Naprava je imela tri merilne lestvice: trdoto je merila v svoji lestvici od 0 do 120, prikazovala pa je tudi ekvivalent merjenja po Vickersu in Rockwellu [14]. Trdoto merimo z višino odboja jeklene kroglice. Kroglica v stekleni cevki z določene višine, s svojo lastno težo pada na površino preizkušanca in se od nje odbije nazaj. Čim bolj trd je preizkušanec, višje se kroglica odbije. Merilo odboja je začrtano kar na stekleni cevki [9]. Površina preizkušanca se tako ne poškoduje, metoda pa je zelo enostavna. Oznaka je HS, vrednost pa je brez razsežno število, torej število brez enot.

Slika 5.3: Shema skleroskopa [6]. Na Slika 5.3, pomeni pot kroglice od spusta do tal, pa pot odboja od tal v višino. Poznamo dve metodi merjenja trdote po Shoru:

- trdoto po Shoreju A - trdoto po Shoreju D

Trdoto po Shoreju – A lahko določamo pri mehkih plastičnih masah, npr. mehek PVC, po Shoreju – D pa se uporablja tudi za trše mase, vendar nobeden od postopkov ne daje dovolj velike natančnosti [3].

9

5.3 Trdota umetnih snovi pri pouku Tehnike in tehnologije Preskus trdote umetnih snovi bi lahko učenci pri pouku Tehnike in tehnologije opravili kar sami, svoje ugotovitve pa bi sproti zapisovali v zvezek. Trdoto umetnih snovi bi pri pouku lahko preizkušali na način, ki je opisan v 5.3.1. Ta način je enostaven za izvedbo, zato učenci ne bi smeli imeti problemov pri izvajanju le tega.

5.3.1 Preizkus trdote umetnih snovi pri pouku Za preskus so izbrana različna gradiva, ki jih učenci spremljajo v vsakdanu in jih tako dobro poznajo. Plastenka, slika 5.4 (a), je iz polietilena, jogurtov lonček na Slika 5.4 (b) in stiropor sta iz polistirena, vrečke za shranjevanje živil (mehek PVC), na sliki 5.4 (d) in posoda za shranjevanje živil (trd PVC) na Slika 5.4 (f) sta iz mehkega in trdega PVC-ja, akrilno steklo, na Slika 5.4 (e) pa je PMMA1. To so vsi termoplasti. Vtičnica, na Slika 5.4 (c) je iz bakelita, torej spada v skupino duroplastov. Učenci bodo torej morali preskusiti nekaj čim bolj različnih umetnih snovi.

(a) (b) (c)

(d) (e) (f) Slika 5.4: Primeri umetnih snovi za izvedbo preskusa trdote: (a) plastenka [21], (b) jogurtov lonček [21], (c) vtičnica [22], (d) vrečke za shranjevanje živil, PVC 1 [23], (e) akrilno steklo [24] in (f) posoda za shranjevanje živil, PVC 2 [25]. Preglednica 5.1: Trdota umetnih snovi.

UMETNA SNOV MEHKO TRDO ZELO TRDO PE × PS × PVC 1 × PVC 2 × PMMA × PF ×

Preizkus trdote bodo učenci lahko, kot je napisano že zgoraj, izvajali sami. Za preskus trdote umetnih snovi pri pouku se potrebuje mizo in na njej zaščito ter različna gradiva iz umetnih snovi, ki so našteta zgoraj. Poleg naštetih umetnih snovi pa bodo učenci potrebovali še kladivo in točkalo. S kladivom bodo vsakokrat približno enako močno udarjali po točkalu, ki bo nastavljeno na preizkušanec in tako ugotavljali ali je določeno gradivo 1 PMMA – polimetilmetakrilat

10

mehko, trdo ali zelo trdo. O trdoti bodo sklepali po tem, kako globoko se je ob določeni sili vdrlo točkalo v preizkušanec [16]. S preskusom dobljeni rezultati so prikazani v Preglednica 5.1. Učenci tako ugotovijo, da so umetne snovi zelo različne glede na svojo trdoto. Obstajajo umetne snovi, ki so mehke, pa tudi takšne, ki so tako trdne, da se praktično ne pozna nič, če po njih udarimo z neko silo ter ostrim predmetom.

6 Preskus trdote umetnih snovi Iz pregleda, kaj je to trdota in že obstoječih načinov njenega določanja lahko določimo potrebne kriterije, ki jih bo naš preskus dosegal. Izhajali bomo po načinu preskušanja trdote po Shoru, saj je ta način dovolj enostaven za uporabo pri pouku Tehnike in tehnologije v osnovni šoli.

6.1 Določitev kriterijev preskusa Kriteriji, katerim mora ustrezati preskus, so naslednji:

- Natančnost in nazornost, s preskusom je potrebno jasno pokazati razliko v preskušanju različnih umetnih snovi.

- Ponovljivost, to pomeni da mora preskus pod enakimi pogoji tudi kasneje dati enake rezultate. - Primerljivost, saj morajo biti dobljeni rezultati v okvirju splošno znanih. - Enostavnost, izvesti ga mora vsak učitelj Tehnike in tehnologije, po možnosti pa tudi povprečen učenec. - Dostopnost, saj mora biti potrebno gradivo za izvedbo preskusa splošno dostopno in čim cenejše. - Postopki za pripravo preskusa pa morajo biti v mejah možnosti tipične delavnice za Tehniko in

tehnologijo. S pomočjo teh kriterijev bomo prišli do preskusa, ki bo ciljno namenjen učiteljem in praktično uporaben pri pouku Tehnike in Tehnologije, saj sem pri izdelavi sledila tudi doseganju operativnih izobraževalnih ciljev.

6.2 Zasnova modela Pri preskusu bomo potrebovali model, da bomo pri vsakem poskusu imeli popolnoma enake pogoje. Ker je potrebno z našim preskusom pokazati razliko med trdim in mehkim materialom, je nujno, da model zadostuje zgornjim kriterijem. Model za izvedbo preskusa v šoli je zgrajen iz dveh različnih lesnih materialov in enega umetnega. Za podstavek (preskusna miza) sem uporabila vezano ploščo iz bukovega furnirja. Bukov les sem uporabila za glavno stojalo in pomično stojalo, na katerem je iz akrilnega stekla pritrjena cev kvadratnega profila, slika 6.1 (a). Model mora biti nazoren za frontalno demonstracijo. h1, Slika 5.3, je potrebno določiti glede na najtršo umetno snov, da bomo dobili merljiv rezultat. Iz tega sledi, da bo moral biti model visok med 30 cm in 40 cm. S preskušanjem na laboratorijskih vajah smo ugotovili, da pridemo do najboljših rezultatov, če je enak 40 cm. Model mora biti po zgoraj postavljenih kriterijih tudi enostaven, tako ga bo lahko izvedel vsak učitelj Tehnike in tehnologije ter povprečen učenec. Na Slika 6.1 vidimo razliko med modelom, ki sem ga izdelala in modelom, ki ga uporabljajo v industriji, oziroma so ga uporabljali. Za uporabo takšnega modela pri pouku je dovolj, da ima stekleno cev, na kateri so napisane mere (v mm), ter pomično stojalo, s katerim stekleno cev lahko dvignemo toliko, da pod njo lahko položimo preizkušanec. Pomembno je, da se merilna skala začne z 0 točno na zgornji strani preizkušanca, zato, da lahko natančno izmerimo odboj kroglice. Luknja za spust kroglice je na 40-ih cm višine ( ), tako da bo višina spusta kroglice vedno konstantna. Najprej smo poskušali spuščati jekleno kroglo premera 12 mm in teže 2 g. Ker s to kroglo nismo dobili primerljivih rezultatov, smo vzeli večjo, premera 15,8 mm in teže 8 g, s katero pa dobljene rezultate lahko primerjamo z dejanskimi (Preglednica 6.1).

11

(a) (b)

Slika 6.1: (a) Model za izvedbo preskusa v šoli in (b) model, ki se je uporabljal v industriji [17].

6.3 Preskusni vzorci Ker je s poskusom potrebno pokazati različne trdote različnih umetnih snovi, je treba izbrati takšne vzorce, da bomo z njimi sorazmerno pokrivali vse podzvrsti umetnih snovi (termoplasti, duroplasti, elasti). Znotraj teh pa je potrebno najti tipične vsakdanje predstavnike, ki so učencem poznani. Z njimi je potrebno pokazati razlike med trdo in mehko umetno snovjo. Termoplasti, ki so učencem poznani:

- Akrilno steklo (PMMA), ki se uporablja v optiki kot steklo za očala, Error! Reference source not found. (a), lupe, leče, v elektrotehniki za dele stikal, na vozilih kot senčniki luči.

- Polistiren (PS), ki se uporablja za izolacijo električnih vodnikov, za akumulatorske posode, jogurtove lončke. Spenjen se uporablja kot penasti polistiren (stiropor), Slika 6.2: Primeri termoplastov, (a) očala [26], (b) penasti polistiren [27], (c) najlon [28] in (d) smučarski čevlji [29].Slika 6.2 (b), kot izolacijski in embalažni material.

- Poliamid (PA), iz katerega izdelujejo tekstilna vlakna, kot so najlon, Slika 6.2 (c), in vrvi. Uporablja se tudi za lego kocke in smučarske čevlje, Slika 6.2 (d) [5].

Duroplasti, ki jih učenci srečajo v njihovem vsakdanu:

- Bakelit (PF), iz katerega izdelujejo vtičnice, Slika 5.4 (c) in stikala. Tudi za izdelovanje gumbov, držala za dežnike, ročaje loncev [5].

- Epoksidne smole (EP), ki se največkrat uporabljajo v gradbeništvu za lepila in izdelavo lakov. To so materiali, ki so na začetku kot tekočina, nato se s kemijsko reakcijo pretvorijo v trden polimer. Epoksidni polimer je zelo trd in kemično obstojen in se ne razkroji. Epoksidi so sestavljeni iz smole in trdilca, včasih pa tudi pospeševalca [5].

- Poliester (UP), za krpanje lukenj v ohišjih avtomobilov, deske za srfanje po vodi, čolnov. Tekstilna vlakna- športne majice. Je bolj ali manj prozoren, mehansko žilav, temperaturno obstojen ter ne prepušča vodne pare, plinov in tekočin. Ima dobre vezivne lastnosti, zato ga uporabljajo za vezenje steklenih vlaken v plastično snov [5].

Elastomeri, ki jih poznajo učenci:

- Umetna guma, ki se uporablja v avtomobilski industriji za izdelavo pnevmatik, Slika 6.3, jermenov, v gospodinjstvu za gumice, tudi lahka poletna obuvala [5].

12

(a) (b)

(c) (d)

Slika 6.2: Primeri termoplastov, (a) očala [26], (b) penasti polistiren [27], (c) najlon [28] in (d) smučarski čevlji [29].

Slika 6.3: Pnevmatika [30].

V Preglednica 6.1 so podani podatki o trdoti umetnih snovi po Shoru. Preglednica 6.1: Trdota umetnih snovi po Shoru.

Umetna snov Vzorec Termoplast (T), duroplast (D), elastomer (E)

Trdota po Shoru HS

Polimetilmetakrilat Akrilno steklo T 120 Polikarbonat Kompaktna plošča – balkonska ograja T 115 Epoksidna smola Lepila, laki, premazi D 105 Poliamid- najlon Najlon – nogavice T 100 Bakelit Vtičnica D 100 Polistiren Jogurtov lonček T 90 Poliester Športno oblačilo D 90 Polipropilen Vodovodna cev T 80 Umetna guma 1 Avtomobilska pnevmatika E 70 Umetna guma 2 Zračnica E 55 Umetna guma 3 Gumica v gospodinjstvu E 25

Za preskusne vzorce bomo torej vzeli nekatere od vzorcev posameznih vrst umetnih snovi navedenih v stolpcu vzorec v Preglednica 6.1. Za preskus si bomo izbrali naslednje vzorce:

13

- Akrilno steklo (T) - Jogurtov lonček (T) - Vtičnica (D) - Kos avtomobilske pnevmatike (E) - Kos zračnice (E)

Vrste vzorcev, ki jih bomo preizkušali, so navedeni pod Preglednica 6.1. Velikost vzorcev bo približno (90 × 30) mm, njihova debelina pa bo znašala približno 3 mm. Teža jeklene kroglice, bo konstanta skozi celoten poskus, prav tako tudi višina spusta kroglice.

6.4 Meritve Sedaj ko imamo model za preskus točno določen, lahko opravimo meritve. Za dosego navedenih kriterijev (natančnost, nazornost, ponovljivost, enostavnost), pa moramo meritev opraviti po določenem protokolu:

1.) Vzorec postavimo na preskusno mizo in ga fiksiramo s potiskom steklene cevi navzdol do vzorca, da je le ta trdo vpet.

2.) Jekleno kroglo spustimo z višine 40-ih cm. 3.) Vizualno določimo višino prvega odboja. Da je določitev višine natančna, si odboj posnamemo s

kamero in v počasnem posnetku pogledamo, do kam se je krogla odbila. 4.) Višina odboja krogle od preizkušanca, v mm, bo kar trdota tega preizkušanca.

Ker ni bilo moč dobiti nobene enačbe, ki bi ustrezala pretvorbi višine odboja v samo trdoto, bomo eksperimentalno pokazali povezavo med višino odboja in trdoto vzorcev. Rezultati preskušanja so podani v preglednici 6.2. Preglednica 6.2: Dobljeni rezultati.

Vzorec Eksperimentalno določena trdota Trdota po Shoru

Akrilno steklo 175 120 Vtičnica 160 100 Jogurtov lonček 140 90 Pnevmatika 115 70 Zračnica 100 55

Na vse vzorce je krogla delovala s silo . Tako kot Shore, smo si tudi mi omislili svojo lestvico trdote, ki temelji na višini odboja jeklene krogle (v mm). Opazna so manjša odstopanja od trdote po Shoru, vendar smo z dobljenimi rezultati zadovoljni. Do odstopanj je najbrž prišlo zaradi tega, ker s Shorom nismo uporabili enakih dimenzij vzorcev, nismo imeli enake krogle in najbrž niti ne enake višine spusta krogle. Te parametre smo namreč mi izbrali tako, da smo z njimi dobili nazorne rezultate. Rezultati, ki smo jih dobili, so torej primerljivi s splošno znanimi podatki, ki so podani v preglednici 6.1. Znano je, da je akrilno steklo najtrša umetna snov (po podatkih v preglednici 6.1), in tudi z našim preskusom smo dobili takšen rezultat, saj se je krogla od akrilnega stekla odbila najviše, kar pomeni, da je izmed izbranih vzorcev za preskus akrilno steklo najtrše. Po vrsti, od najtršega do najmanj trdega si torej sledijo akrilno steklo, vtičnica, jogurtov lonček, pnevmatika ter zračnica.

7 Preskus trdote Učni proces pri preskušanju mehanskih lastnosti umetnih snovi poteka po smiselno urejenih pisnih in ustnih navodilih učitelja, ki so kar enake protokolu, napisanem v poglavju 6.4. Posamezne postopke je potrebno tudi demonstrirati [32]. Učitelj ta preskus lahko izvede med poukom Tehnike in tehnologije, med obravnavo mehanskih lastnosti umetnih snovi. Izvedba preskusa ne vzame veliko časa, saj ni veliko dela. Preskušanje vzorcev, podanih v preglednici 6.2, vzame dobrih pet minut časa. Pri sami izvedbi mora učitelj paziti, da se ravna po določenem protokolu, opisanem v poglavju 6.4, pod točkami 1.), 2.), 3.) in 4.). Pri točki 1.) mora paziti, da pritisk cevi na preizkušanec ni prevelik, saj lahko s prevelikim pritiskom nanj bistveno vpliva na samo meritev. Cev mora biti le narahlo naslonjena na preizkušanec. Zelo pomembno je to, da se vzorec pri trku s

14

kroglo ne odbije od podlage, na katero je položen. Zato mora biti podlaga popolnoma ravna, prav tako pa konec cevi, s katero pritisnemo na preizkušanec. Učitelj lahko k sodelovanju povabi enega ali več učencev, učni proces pa lahko poteka tudi v skupinah, tako da vsaka skupina izdela svoje poročilo o opravljenem delu, nato pa svoje rezultate primerjajo med seboj. Svoje ugotovitve naj učenci zapisujejo v zvezek, še bolje pa bi bilo za njih pripraviti delovni list, na katerega samo vnašajo dobljene podatke. Na podlagi tega, da poznajo lastnosti umetnih snovi, pa se bodo kasneje odločili, iz katerega materiala bodo naredili svoj izdelek [18].

8 Sklep Preskušanje mehanskih lastnosti umetnih snovi in drugih gradiv je nujna kategorija tehniške stroke in kulture ter naloga tehnike in tehnologije. Spoznali smo torej, da je pomembno, da učenci poznajo lastnosti gradiv, da lahko kasneje na podlagi usvojenega znanja naredijo izdelek, pa tudi kasneje v življenju jim bo takšno znanje koristilo. Slabost pri preizkusu, analiziranem v poglavju 6, je v tem, da ne daje dovolj natančnih rezultatov, saj je le ta zelo preprost za izvedbo, za analizo rezultatov pa si ne poslužujemo posebnih postopkov, niti ne potrebujemo nekih posebnih naprav za določitev rezultata (potrebujemo le kamero). Zaradi tega bi bilo bolje, če bi se odločili za preskus trdote po Rockwellu (postopek je opisan v poglavju 5.1) , saj bi tako dobili natančnejše rezultate, vendar bi bilo za izvajanje preskusa potrebno več opreme, ki pa je tudi dražja.

9 Literatura [1] A. Papotnik in ostali, Učni načrt- Tehnika in tehnologija (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo, znanost in šport,

Zavod RS za šolstvo, 2002). [2] Umetne snovi [http://sl.wikipedia.org/wiki/Umetne_snovi]. [3] J. Navodnik in M. Klopčič, Plastik- Orodjar, priročnik (Velenje, Založba Navodnik d.o.o., 1998).J. Bezjak,

Materiali v tehniki (Ljubljana, TZS, 1997). [4] L. Oldenburg, Enciklopedija Tehnike (Ljubljana, Cankarjeva založba, 1983). [5] M. Markelj, UMETNE SNOVI PRI POUKU TEHNIKE IN TEHNOLOGIJE V 9-LETNI OSNOVNI ŠOLI,

diplomsko delo (Ljubljana, Univerza v Ljubljani: PeF, 2008). [6] J. Bezjak, Preiskava materiala (Ljubljana, TZS, 1993). [7] Polimeri [http://sl.wikipedia.org/wiki/Polimeri]. [8] Raziskovalna naloga- delitev polimerov

[http://www.knjiznica-celje.si/raziskovalne/celje/2008/4200805067.pdf]. [9] Metoda preskušanja trdote po Shoru [http://www.calce.umd.edu/general/Facilities/Hardness_ad_.htm]. [10] S. Kocijančič in ostali, Tehnika in tehnologija, učbenik za 7. razred devetletne osnovne šole (Ljubljana,

TZS, 1999). [11] J. Bezjak, Tehnologija materiala (Ljubljana, TZS, 1997). [12] Duda [http://nakup.pikapolonica.com/]. [13] Obremenitev z diamantnim stožcem in jekleno kroglico

[http://www.vitkovicecylinders.com/products/img/tvrdost-podle-rockwella.gif]. [14] Trdota po Shoru [http://sl.wikipedia.org/wiki/Trdota_po_Shoru]. [15] S. Frošnarič, Tehnika in tehnologija: učbenik za 7. razred devetletne osnovne šole (Limbuš, Izotech, 2003). [16] S. Frošnarič, Tehnika in tehnologija: delovni zvezek za 7. razred devetletne osnovne šole (Limbuš, Izotech,

2003). [17] Skleroskop [http://www.tpub.com/content/aviationandaccessories/TM-43-0106/css/TM-43-0106_295.htm]. [18] Učni načrt za obdelavo gradiv-umetne mase

[http://tehnika.pef.uni-lj.si/jj/Razno/Obdelava_gradiv_izbirni.pdf]. [19] Umetne snovi- polietilen [http://ro.zrsss.si/~puncer/mase/polietil.htm]. [20] Umetne snovi- embalažna plastika [http://www.egss.si/projekti/Timko/embalaza/plastika.html]. [21] Mercator trgovina [www.mercator.si]. [22] Spletna trgovina Supercena [www.supercena.com]. [23] PVC vrečke [http://www.ropas.si/Vre%C4%8Dke.htm]. [24] Akrilno steklo [http://www.bosch-do-it.si/domačimojster/]. [25] Spletna trgovina Tomark [http://www.tomark-trade.si/]. [26] Očala [http://www.hotideas.co.uk/en/gifts_and_personal/readers/GB_casta_glasses.asp]. [27] Polistiren [http://www.titan.md/images/EkspandePolistirenStrafor1.gif].

15

[28] Najlon [http://img215.imageshack.us/img215/7162/picture020ag6.jpg]. [29] Smučarski čevlji [http://demsar.sobanu.net/smucanje/connected/oprema.htm]. [30] Guma [http://www.motortrend.com/roadtests/tuners/112_0606_sf_supercar_tires/photo_02.html]. [31] Trdote umetnih snovi po Shoru [http://www.ides.com/property_descriptions/ISO868.asp]. [32] B. Aberšek, F. Florjančič, Tehnika 7- priročnik za učitelja (Ljubljana, DZS, 2000).

10 Priloge

10.1 Učni list V nadaljevanju podajam učni list, pod 10.1.1 rešenega in pod 10.1.2 nerešenega.

10.1.2 Rešen učni list

• Kaj je trdota?

Trdota je odpornost materiala proti vdiranju (vtiskanju) drugega, tršega telesa.

• Kako merimo trdoto po Shoru? Po čem sklepamo, kateri preizkušanec je trši?

Trdoto po Shoru merimo z višino odboja jeklene kroglice. Kroglica v stekleni cevki z določene višine, s svojo težo pada na površino preizkušanca in se od nje odbije nazaj. Višje ko se kroglica odbije, trši je preizkušanec.

• Na kakšen način bi lahko še učenci samostojno izvedli preskus trdote umetnih snovi?

S kladivom bi vsakokrat približno enako močno udarjali po točkalu, ki bo nastavljeno na preizkušanec in tako ugotavljali ali je določeno gradivo mehko, trdo ali zelo trdo. O trdoti bodo sklepali po tem, kako globoko se je ob določeni sili vdrlo točkalo v preizkušanec.

• Katere vzorce umetnih snovi bodo učenci preskušali pri pouku?

Ker je s poskusom potrebno pokazati različne trdote različnih umetnih snovi, je treba izbrati takšne vzorce, da bomo z njimi sorazmerno pokrivali vse podzvrsti umetnih snovi (termoplasti, duroplasti, elasti). Znotraj teh pa je potrebno najti tipične vsakdanje predstavnike, ki so učencem poznani. Z njimi je potrebno pokazati razlike med trdo in mehko umetno snovjo. Uporabili bi npr. akrilno steklo, polistiren, bakelit in umetno gumo.

10.1.2 Nerešen učni list

1. Kaj je trdota?

2. Kako merimo trdoto po Shoru? Po čem sklepamo, kateri preizkušanec je trši?

16

3. Na kakšen način bi lahko pri pouku Tehnike in tehnologije učenci samostojno izvedli preskus trdote umetnih snovi?

4. Katere vzorce umetnih snovi bodo učenci preskušali pri pouku?