calcal.ru

Калькулятор полимерной инженерии

Комплексный инструмент для расчётов в полимерной технологии: реология расплава (MFI/ПТР, вязкость, степенной закон, поправка Рабиновича), механические свойства (растяжение ISO 527, изгиб ISO 178, справочные данные 12+ полимеров), термические свойства (Tg, Tm, HDT, CLTE, теплопроводность, время охлаждения), рецептура (наполнение, добавки phr, мастербатч), прогноз старения (Аррениус, УФ-деградация, срок службы) и выбор полимера методом взвешенных критериев.

Загрузка калькулятора...
8+ млн т
Производство полимеров в России (ПЭ+ПП+ПВХ+ПС) в год
2 млн т
Мощность ЗапСибНефтехим (Тобольск, СИБУР) в год
190°C
Температура расплава при измерении MFI (ISO 1133)
ГОСТ 11645
Стандарт определения ПТР (индекса текучести расплава)

Полимерная промышленность России

Россия -- крупный производитель полимерного сырья и полимерных изделий. СИБУР -- крупнейшая в стране нефтехимическая компания (производство ПЭ, ПП, каучуков, ПВХ). ЗапСибНефтехим (Тобольск) -- один из крупнейших в мире комплексов по производству полиэтилена и полипропилена (мощность более 2 млн т/год). Казаньоргсинтез -- крупный производитель полиэтилена низкого давления (ПЭ-ВП). Нижнекамскнефтехим -- производство синтетических каучуков и полистирола. РусВинил (Кстово) -- производство ПВХ (мощность 330 тыс. т/год). Научные центры: ИНХС РАН, ИВС РАН (Санкт-Петербург), РХТУ им. Менделеева (кафедра технологии переработки пластмасс). Переработка полимеров регулируется ГОСТ 11262 (растяжение), ГОСТ 4651 (сжатие), ГОСТ 4648 (изгиб), ГОСТ 11645 (MFI/ПТР).

Основные полимеры и области применения:

  • Полиэтилен (ПЭ): Самый массовый полимер в мире. ПЭ-ВП (HDPE) -- трубы, канистры, плёнки. ПЭ-НП (LDPE) -- пакеты, упаковочные плёнки. Производители: Казаньоргсинтез, ЗапСибНефтехим, Ставролен.
  • Полипропилен (ПП): Второй по объёму полимер. Упаковка, автомобильные детали, трубы, волокна. Производители: СИБУР (Тобольск, Томск), Полиом, Нижнекамскнефтехим.
  • Поливинилхлорид (ПВХ): Оконные профили, трубы, кабельная изоляция, линолеум. Производители: РусВинил (Кстово), Саянскхимпласт, Каустик (Стерлитамак).
  • Инженерные пластики: ПА, ПК, ПОМ, ПЭТ, ПБТ -- конструкционные детали, электроника, автокомпоненты. В России используются в основном импортные марки (BASF, DuPont, Covestro).

💡Совет технологу

При выборе полимера для нового изделия ключевые параметры -- рабочая температура (определяет HDT, Tg), механические нагрузки (прочность, модуль, ударная вязкость), химическая среда и стоимость. Для предварительного анализа используйте вкладку "Выбор полимера" с методом взвешенных критериев, затем уточните реологические параметры (MFI) для оценки перерабатываемости выбранного материала.

🌊
Реология

MFI/ПТР, вязкость, скорость сдвига, степенной закон.

💪
Механика

Растяжение, изгиб, модуль, ударная вязкость.

🌡
Термика

Tg, Tm, HDT, CLTE, теплопроводность, охлаждение.

🧪
Рецептура

Наполнение, добавки phr, мастербатч, плотность.

⏳
Старение

Аррениус, УФ-деградация, прогноз ресурса.

🎯
Выбор

Сравнение полимеров, взвешенные критерии.

Ключевые формулы полимерной инженерии

Основные расчётные соотношения для реологии расплавов, механических испытаний и прогноза долговечности полимерных материалов.

01. Степенной закон

tau = K * gamma^n

Описывает неньютоновское поведение расплава полимера: K -- консистенция (Па*с^n), n -- индекс течения (n < 1 для псевдопластичных жидкостей). При n = 1 переходит в закон Ньютона. Большинство термопластов имеют n = 0.2-0.8.

02. Поправка Рабиновича

gamma_true = gamma_app * (3n+1)/(4n)

Корректирует кажущуюся скорость сдвига для неньютоновских жидкостей в капиллярной реометрии. Для n = 0.4 поправочный коэффициент составляет 1.375. Необходима для точного определения вязкости по капиллярному реометру.

03. Тепловое расширение

dL = L * CLTE * dT

CLTE (коэффициент линейного теплового расширения) полимеров значительно выше металлов: 60-200 * 10^-6 /K для полимеров против 10-25 * 10^-6 /K для сталей. Критично при проектировании сопряжений полимер-металл.

04. Уравнение Аррениуса

AF = exp(Ea/R * (1/T1 - 1/T2))

Фактор ускорения старения при повышенной температуре. Ea — энергия активации деградации (80-150 кДж/моль). Правило «на каждые 10°C — вдвое» соответствует Ea ~ 75 кДж/моль. Стандарт: ISO 2578, UL 746B. Для оценки надёжности продукции используйте калькулятор надёжности.

05. Правило смесей

rho_c = 1 / (w1/rho1 + w2/rho2)

Плотность полимерного компаунда рассчитывается по массовым долям (w) и плотностям (rho) компонентов. Важно: массовые % наполнителя не равны объёмным. При 30 масс.% талька (rho=2.75) объёмная доля всего ~12%.

06. Прочность (ISO 527)

sigma = F / A, E = sigma / epsilon

Испытание на растяжение -- основной метод характеристики полимеров. Предел прочности, модуль упругости и удлинение при разрыве определяют пригодность материала для конструкционных применений. Скорость 50 мм/мин (ISO 527-2).

Справочные данные по полимерам

Типичные свойства основных термопластов для инженерных расчётов и сравнения материалов.

ПолимерПрочность, МПаМодуль, МПа
ПЭ-ВП (HDPE)26-33800-1400
Полипропилен (ПП)30-401100-1600
АБС38-522000-2800
Полиамид-6 (ПА-6)70-852800-3200
Поликарбонат (ПК)60-702200-2500
ПОМ (полиоксиметилен)60-702600-3200
ЧАСТЫЕ ВОПРОСЫ

Часто задаваемые вопросы

MFI (Melt Flow Index) или ПТР (показатель текучести расплава) -- масса полимера в граммах, выдавливаемая через стандартную фильеру (диаметр 2.095 мм, длина 8 мм) за 10 минут при заданной температуре и нагрузке. Определяется по ISO 1133 / ГОСТ 11645. MFI характеризует текучесть расплава: чем выше MFI, тем жиже расплав и легче переработка. Типичные значения: ПЭ для литья -- MFI 5-30 г/10мин (190 C/2.16 кг), ПП для литья -- MFI 10-40 (230 C/2.16 кг), ПЭ для экструзии плёнки -- MFI 0.5-2.0. MFI -- простейшая реологическая характеристика, но не заменяет полные кривые вязкости из капиллярного реометра.
Выбор наполнителя зависит от целевых свойств: Тальк (MgO*SiO2) -- повышает жёсткость, HDT, барьерные свойства, снижает усадку. Оптимально 20-40%. Мел (CaCO3) -- удешевление, умеренное повышение жёсткости, белизна. До 60%. Стекловолокно -- максимальное повышение прочности и модуля (в 2-3 раза), HDT. 15-50%. Снижает ударную вязкость и удлинение. Углеволокно -- высочайшие прочность и жёсткость, электропроводность. 10-30%. Высокая стоимость. Слюда -- барьерность (до 10x), стабильность размеров, повышение HDT. 20-40%. При расчёте важно различать массовые и объёмные доли: при 30 масс.% стекловолокна (rho=2.54) объёмная доля всего ~15%.
Tg (температура стеклования) -- температура перехода аморфной фазы из стеклообразного в высокоэластическое состояние. Ниже Tg полимер хрупкий и жёсткий, выше -- гибкий. Для аморфных полимеров (ПС, ПММА, ПК) Tg определяет верхний предел эксплуатации. Tm (температура плавления) -- только для кристаллических полимеров (ПЭ, ПП, ПА, ПОМ). Аморфные полимеры (ПС, ПММА, ПК, АБС) не имеют Tm. HDT (Heat Deflection Temperature) -- температура, при которой стандартный образец прогибается на 0.25 мм под нагрузкой (0.46 или 1.82 МПа). HDT -- практическая характеристика теплостойкости под нагрузкой. Для ненаполненных аморфных полимеров HDT ~ Tg, для кристаллических HDT значительно ниже Tm.
Метод Аррениуса позволяет оценить долговечность полимера при эксплуатационной температуре на основе ускоренных испытаний при повышенных температурах. Фактор ускорения AF = exp(Ea/R * (1/Tservice - 1/Ttest)), где Ea -- энергия активации деградации. Например, при Ea = 100 кДж/моль, Ttest = 80 C и Tservice = 23 C фактор ускорения AF ~ 240, т.е. 1000 часов при 80 C эквивалентны ~240000 часов (~27 лет) при 23 C. Ограничения: метод работает только если механизм деградации не меняется в диапазоне температур (поэтому нельзя тестировать выше Tg или Tm). Стандарты: ISO 2578, UL 746B, IEC 60216.
Основные полимеры российского производства: Полиэтилен (ПЭ) -- более 3 млн т/год: Казаньоргсинтез (ПЭ-ВП, газофазная технология), ЗапСибНефтехим/СИБУР (ПЭ-ВП и ПЭ-НП, технологии Unipol и Spherilene), Ставролен (ПЭ-ВП). Полипропилен (ПП) -- более 2 млн т/год: СИБУР (Тобольск -- технология Spheripol, Томскнефтехим), Полиом (Омск), Нижнекамскнефтехим. ПВХ -- ~1 млн т/год: РусВинил (Кстово, СП СИБУР и Solvay), Саянскхимпласт, Каустик. Полистирол -- ~500 тыс. т/год: Нижнекамскнефтехим, СИБУР. Синтетические каучуки: Нижнекамскнефтехим (крупнейший в мире производитель изопренового каучука). Инженерные пластики (ПА, ПК, ПОМ) практически не производятся в России и импортируются.
Степенной закон (модель Оствальда -- де Ваале) описывает зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига для неньютоновских жидкостей: tau = K * gamma^n, где K -- консистенция (Па*с^n), n -- индекс течения. При n = 1 жидкость ньютоновская (tau = eta * gamma). При n < 1 -- псевдопластичная (вязкость уменьшается при увеличении скорости сдвига), что характерно для большинства полимерных расплавов. При n > 1 -- дилатантная (редко). Типичные n для расплавов: ПЭ 0.3-0.5, ПП 0.3-0.4, ПС 0.2-0.4, ПА 0.6-0.8, ПК 0.7-0.9. Модель работает в ограниченном диапазоне скоростей сдвига (100-10000 1/с, типично для экструзии и литья).
Мастербатч (маточная смесь) -- концентрат пигмента или добавки в полимере-носителе. Типичная концентрация активного вещества: 20-70%. Letdown ratio (степень разбавления) -- процент мастербатча в готовой смеси. Пример: для получения синего изделия с 2% пигмента используют мастербатч с концентрацией 50% при letdown 4% (4% MB * 50% конц. = 2% пигмента). Расчёт на 1 кг продукта: MB = 1000 * letdown/100 = 40 г, натуральный полимер = 1000 - 40 = 960 г. При выборе мастербатча важно совместимость носителя с базовым полимером: ПЭ-носитель для ПЭ/ПП, ПС-носитель для ПС/АБС, универсальные на основе EVA/EBA.
Основные стандарты: ГОСТ 11645 -- Определение показателя текучести расплава (MFI/ПТР) термопластов. ГОСТ 11262 -- Определение предела прочности при растяжении. ГОСТ 4648 -- Определение предела прочности при изгибе. ГОСТ 4651 -- Определение прочности при сжатии. ГОСТ 19109 -- Определение ударной вязкости по Шарпи. ГОСТ 4647 -- Определение ударной вязкости по Шарпи (с надрезом). ГОСТ 15088 -- Определение теплостойкости по Вика. ГОСТ 12021 -- Определение теплостойкости по Мартенсу. ГОСТ 15173 -- Определение среднего коэффициента линейного теплового расширения. ГОСТ 4670 -- Определение твёрдости.
Лиана Арифметова
АВТОРverifiedред. calcal.ru

Лиана Арифметова

Создатель и главный редактор

Миссия: демократизировать сложные расчёты. Превратить страх перед числами в ясность и контроль. Девиз: «Любая повторяющаяся задача заслуживает своего калькулятора».

Mathematical Engineering · МФТИ · редактирует каталог с 2012 года

Был ли этот калькулятор полезен?

ОТКАЗ ОТ ОТВЕТСТВЕННОСТИ

Инструмент справочный — не заменяет эксперта

Только для информационных целей. Все расчёты, результаты и данные, предоставляемые инструментом, носят исключительно ознакомительный и справочный характер. Они не являются профессиональной консультацией — медицинской, юридической, финансовой, инженерной или иной.

Точность результатов. Калькулятор основан на общепринятых формулах и методиках, однако фактические результаты могут отличаться в зависимости от индивидуальных условий, исходных данных и применяемых стандартов. Мы не гарантируем полноту, точность или актуальность приведённых расчётов.

Профессиональные решения — медицинские, финансовые, инженерные — должны приниматься только после консультации с квалифицированным специалистом. Не используйте автоматический расчёт как единственное основание для важных решений.

Ограничение ответственности. Авторы и разработчики сервиса не несут ответственности за прямой или косвенный ущерб, возникший из-за использования данных расчётов. Пользователь принимает на себя всю ответственность за интерпретацию результатов.

СМЕЖНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ

Похожие калькуляторы

15

Калькулятор экструзии

Расчёты экструзии: производительность, фильера, шнек, охлаждение, тяговое устройство, себестоимость

/extrusion-calculator

Калькулятор литья под давлением

Расчёты литья пластмасс: усилие смыкания, впрыск, цикл, охлаждение, пресс-форма, себестоимость

/injection-molding-calculator

Калькулятор коррозии

Расчёты коррозии: скорость, катодная защита, покрытия, гальваническая коррозия, ресурс трубопровода

/corrosion-calculator

Калькулятор композитных материалов

Расчёты композитов: правило смесей, ламинат, прочность Tsai-Hill, объём волокна, автоклав

/composite-materials-calculator

Калькулятор трибологии

Расчёты трибологии: трение, износ, смазка, подшипники, контактное давление, температура

/tribology-calculator

Калькулятор керамики

Расчёты керамики: шихта, обжиг, усадка, прочность, глазурь, плотность и пористость

/ceramics-calculator

Калькулятор ПЛК (программируемых контроллеров)

Расчёты для ПЛК: выбор контроллера, таймеры, масштабирование, память, коммуникации, надёжность

/plc-programming-calculator

Калькулятор промышленного IoT (IIoT)

Расчёты IIoT: устройства, связь, шлюзы, облако, энергопотребление, ROI

/industrial-iot-calculator

Калькулятор надёжности

Расчёты надёжности: Вейбулл, системная надёжность, испытания, анализ отказов, резервирование

/reliability-calculator

Калькулятор строительной механики: балки, колонны, армирование и ветровая нагрузка

Расчёты строительной механики: изгиб балки, момент инерции, устойчивость колонны (Эйлер), армирование по СП 63, ветровая нагрузка по СП 20.

/structural-engineering-calculator

Геотехнический калькулятор: несущая способность грунта, осадка и откосы

Геотехнические расчёты: несущая способность грунта (СП 22), осадка фундамента, давление грунта (Кулон/Ренкин), устойчивость откоса, сваи (СП 24).

/geotechnical-calculator

Калькулятор водоподготовки: коагуляция, хлорирование, фильтрация и осмос

Расчёты водоподготовки: доза коагулянта, хлорирование, скорость фильтрации, умягчение, обратный осмос, индексы Ланжелье и Ризнера.

/water-treatment-calculator

Калькулятор гидроэнергетики: мощность ГЭС, турбины и малые ГЭС

Расчёты гидроэнергетики: мощность ГЭС (P = ρgQHη), выбор турбины (Пельтон/Фрэнсис/Каплан), малые ГЭС, AEP, гидрология.

/hydropower-calculator

Калькулятор накопителей энергии

Расчёты систем накопления энергии: аккумуляторы, ГАЭС, маховики, водород, тепловые накопители

/energy-storage-calculator

Калькулятор SCADA-систем

Расчёты SCADA: теги, серверы, сеть, архив, лицензирование, надёжность

/scada-calculator
ТЕГИ:#Инженерия#Материаловедение#инженерия#техника#расчёт#проектирование#полимерная инженерия#реология#ПТР#вязкость расплава#экструзия#калькулятор#бесплатно#онлайн