Реверс-инжиниринг изделий из пластмасс: мифы и реальность

«Давайте отдадим изделие в химическую лабораторию и нам скажут, из чего оно сделано» — самым частым заблуждением среди заказчиков реверс-инжиниринга является уверенность в том, что химическая лаборатория может произвести ряд манипуляций, результат которых позволит сделать вывод о том, какое сырье и добавки применялись для производства образца. При этом кажущаяся сложность и недоступность анализа для не специалистов создают впечатление высокой информативности и достоверности результатов.

Для исследования химического состава полимерной композиции применяется большой ассортимент аналитических методов, каждый из которых имеет свою область применения и свои ограничения, которые приведены в табл. 1.

Таблица 1. Основные методы, используемые при расшифровке состава полимерной композиции

При осуществлении анализа вышеуказанными методами также необходимо понимать, что отсутствие какого-либо потенциально возможного компонента в интерпретации расшифровки не означает его фактическое отсутствие, так как исследование обычно не направлено на исключение их наличия по причине высокой стоимости таких работ.

Самым важным ограничением в наборе аналитических методов является невозможность определения конкретной марки и, тем более, производителя полимерного компонента или добавки.

Часто результатом аналитического исследование является обнаружение в составе полимерной композиции минеральных наполнителей (стекловолокно, сажа, тальк, мел и других). Их тип и количественное содержание далее используются для составления рецептурной карты. В данном случае ошибкой может являться недостаточное внимание или невозможность определения характеристик самого наполнителя, основными из которых являются геометрия и размер, качество поверхности и наличие поверхностной обработки частиц или волокон.

Так, например, для разных по качеству меловых добавок объем ввода в полимер будет разным. Качественная меловая добавка должна иметь в своей основе мел с максимально высоким содержанием СаСО₃ с максимально низким содержанием абразивных примесей и в обязательном порядке обработанный стеариновой кислотой. За счет различной кристаллической структуры мела и мрамора меловая добавка на основе мела более предпочтительна, так как она оказывает относительно меньшее абразивное воздействие на оборудование. Кроме основных компонентов меловая добавка может содержать модифицирующие добавки, в частности стеарат цинка, который используется в качестве гидрофобизатора, термостабилизатора и смазывающего вещества.

Также в состав меловой добавки может входить полимерный воск: его содержание может составлять до 4%. Полимерный воск является связующим, необходимым для качественного смешения компонентов добавки (непосредственно мела и полимера) [1]. При использовании сажи в качестве красителя, модификатора электропроводности или УФ-стабилизатора наблюдается прямая зависимость данных свойств от размера частиц, а также от их структурного расположения (рис. 1 и 2) [2].

Таким образом, сам факт обнаружения наполнителя и даже определение его содержания не дает полного понимания о том, какой эффект оказывает именно этот компонент на свойства всей композиции.

Рисунок 1. Зависимость свойств композиции от размера частиц сажи

Рисунок 2. Зависимость свойств композиции от степени структурированности сажи

Основным критерием оценки пригодности композиционного полимерного материала для производства конкретного изделия обоснованно считают возможность выполнения требований по его эксплуатации. При этом типичной ошибкой является отождествление свойств полимерного материала по паспорту со свойствами готового изделия. Значения свойств, указываемых в паспорте на материал (даже если мы примем условие, что определены свойства всей композиции со всеми добавками, что встречается крайне редко), определяются в лабораторных условиях на стандартных образцах, что является правильным подходом с точки зрения надежности сравнения различных композиций между собой. Однако такой подход абсолютно некорректен при выборе марки полимера или, тем более, при построении многокомпонентной рецептуры.

Свойства конечного изделия могут отличаться от паспортных характеристик сырья как в сторону повышения, так и в сторону уменьшения. Большое влияние на такие изменения оказывают технология и параметры производства, наличие добавок, условия и длительность эксплуатации и хранения изделия, по образцу которого проводят реверс-инжиниринг. Без учета этих факторов возникает большая вероятность выбора материала для производства с заниженными характеристиками или с завышенной стоимостью.

Одним из ярких примеров характеристики сырья, при упоре на который происходит некорректный выбор материала, является верхний предел температуры эксплуатации. В паспорте материала могут быть указаны значения таких свойств, как температура размягчения по Вика или температура деформации под нагрузкой (HDT). На практике эти свойства не отражают реальную стойкость готового изделия к нагреву, так как не учитывают такие эффекты, как ползучесть, посткристаллизацию, а также влияние остаточных напряжений.

Другим примером неверной интерпретации является корелляция значения такого относительного показателя, как модуль упругости, характеризующего жесткость, с абсолютным значением усилия, которое необходимо приложить для деформации изделия. При этом не всегда обращается внимание на то, что показатель модуля превышает показатель прочности при разрушении на 2-3 порядка. Такое непонятное, на первый взгляд, соотношение вызвано наличием безразмерных величин в формуле расчета модуля.

Самым важным и стойким мифом является то, что точная расшифровка состава гарантирует получение изделия с характеристиками, аналогичными образцу. Даже если непостижимым образом избежать последствий вышеприведенных заблуждений, всегда в области неопределенности остаются такие факторы, как работа оборудования и технологические параметры. На практике в рамках производства изделий из пластмасс используются многокомпонентные композиции. В этом случае одним из краеугольных камней успеха является равномерность и однородность распределения компонентов, а также сохранения этой структуры в процессе формования изделия из расплава. Так, например, до сегодняшнего дня одной из сложнейших задач является масштабирование качественных характеристик полимерных компаундов, полученных в лабораторных установках, на технологические линии для серийного выпуска. Огромное количество исследований ведется в области математического моделирования процессов, происходящих в материальном цилиндре. При этом результаты таких работ не являются универсальными и не могут быть применены в условиях, отличающихся от тех, что были созданы в процессе проведения эксперимента.

Технологические параметры производства — производительность линии, интенсивность охлаждения, метод съема изделий, условия хранения — также оказывают существенное влияние на результат.

Мы рассмотрели основные нюансы, влияющие на достоверность и обоснованность принятия решения по разработке сырьевой рецептуры методом обратного инжиниринга для изделий из пластмасс. Несмотря на кажущееся обилие информации, которую можно получить при помощи лабораторных исследований, алгоритм разработки рецептуры во многих случаях до сих пор остается в поле экспертной оценки. Более того, по мере расширения возможностей и снижения стоимости таких исследований, все больше ошибок в выборе материала производится по причинам поверхностной оценки результатов. Таким образом, сегодня невозможно переоценить ценность технологов как специалистов, которые могут корректно интерпретировать данные для реверс-инжиниринга.

1. ООО «ИГ «Инфомайн». Обзор рынка меловых добавок для производства полимерной продукции в России. Москва. 2018. https://www.infomine.ru/files/catalog/582/file_582_eng.pdf

2. Cabot Corporation. Application Guide Specialty Carbon Black for Plastics Application Overview. pdf. 2021.