ZALICZENIE : TEST na ostatnim wykładzie. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY kierunek: INŻYNIERIA MATERIAŁOWA. dr hab. inż.

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WROCŁAWSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY kierunek: INŻYNIERIA MATERIAŁOWA TWORZYWA KOMPOZYTOWE I CERAMICZNE dr hab. inż. Wojciech WIELEBA p.207 bud. B-5 Program wykładu cz.1 Wprowadzenie. Podział materiałów polimerowych. Budowa chemiczna i fizyczna polimerów oraz jej wpływ na ich własności mechaniczne. Modyfikacja fizyczna materiałów polimerowych. Podział napełniaczy i ich właściwości. Metody wytwarzania kompozytów polimerowych termoplastycznych, elastomerowych oraz duroplastów. Optymalizacja składu kompozytów. Przegląd kompozytów polimerowych stosowanych w budowie maszyn. Literatura 1) Żuchowska D.: Polimery konstrukcyjne, WNT, Warszawa ) Żuchowska D.: Struktura i własności polimerów jako materiałów konstrukcyjnych, Skrypt Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, ) Serwis branżowy Tworzywa Sztuczne, strona internetowa: ZALICZENIE : TEST na ostatnim wykładzie 1

2 Wprowadzenie. Podział materiałów polimerowych. Budowa chemiczna i fizyczna polimerów oraz jej wpływ na ich własności mechaniczne WYKŁAD 1 Wprowadzenie Zastosowania inżynierskie często wymagają niezwykłych powiązań właściwości materiałów np. lotnictwo wymaga lekkich materiałów o dużej wytrzymałości i sztywności i odporności na zużycie Większość materiałów o dużej wytrzymałości i sztywności ma dużą gęstość (są ciężkie) Większość lekkich materiałów jest mało odporna na zużycie zakładane właściwości nie mogą być uzyskane dla jednorodnego materiału (jednofazowego) Rozwiązaniem są materiały kompozytowe Definicja materiału kompozytowego Kompozyty są materiałami wielofazowymi - zwykle występują dwie fazy: Faza osnowy (matryca) Faza ciągła, otaczająca inne fazy Faza dyspersyjna Faza nieciągła Matryca (jasna) Faza dyspersyjna (ciemna) Kompozyty zwykle wykazują właściwości obu faz. Jednocześnie posiadają lepsze właściwości od każdej z faz 2

3 Co to są TWORZYWA SZTUCZNE? TWORZYWA SZTUCZNE DEFINICJE I. Umowna nazwa materiału, którego podstawowym składnikiem (czasami jedynym) jest polimer związek wielkocząsteczkowy otrzymywany metodami chemicznymi. II. Materiał składający się z polimeru oraz innych substancji chemicznych, których zadaniem jest modyfikacja właściwości fizycznych tworzywa. Szczególne cechy tworzyw sztucznych Zalety Łatwość formowania wyrobów o skomplikowanym kształcie a także o estetycznym wyglądzie (połysk, barwa, przezroczystość). Stosunkowo duża odporność chemiczna. Dobre właściwości mechaniczne i elektryczne. Mała gęstość. 3

4 Szczególne cechy tworzyw sztucznych Wady Niższa w porównaniu z metalami wytrzymałość F mechaniczna, twardość i sztywność. Płynięcie pod obciążeniem. Większość własności tworzyw sztucznych jest silnie zależna od temperatury i czasu. Niezadowalająca odporność cieplna. Dla większości polimerów zakres temperatury stosowania: od 60 do +100 ºC. Tworzywa sztuczne na świecie Na świecie dostępnych jest ponad 1000 gatunków i rodzajów tworzyw sztucznych Zużycie tworzyw sztucznych na świecie: 2004 r kg/ osobę tj. ok. 180 mln ton 2010 r. - prognozowane jest 37 kg/osobę (ok. 250 mln ton ) Objętościowo stanowią one ponad połowę światowej produkcji stali Zamiast poszukiwania nowych tworzyw modyfikuje się istniejące gatunki przede wszystkim aby zwiększyć udarność tworzyw oraz poprawić ich właściwości w wyższych temperaturach Polepszanie właściwości tworzyw sztucznych Właściwości tworzyw sztucznych (mechaniczne, chemiczne, fizyczne) można zmieniać poprzez modyfikację chemiczną - reakcje chemiczne na polimerach fizyczną - mieszanie polimerów z innymi dodatkami Najczęściej prowadzi się modyfikację fizyczną tworząc w ten sposób kompozyty materiałowe 4

5 Kompozyty polimerowe -środki pomocnicze Napełniacze (wypełniacze) - ciągłe (włókna) - proszkowe Plastyfikatory POLIMERY TWORZYWA SZTUCZNE Środki antystatyczne Stabilizatory Barwniki, pigmenty Porfory (środki spieniające) Środki smarujące Porównanie materiałów konstrukcyjnych Materiał Gęstość [Mg/m 3 ] Wytrzymałość względna *) Cena 1 m 3 [zł] Wskaźnik ceny*) [zł/mpa] PA 6.6 1,1 1, ,95 ABS 1,0 1, ,79 PC 1,2 1, ,38 POM 1,4 1, ,46 PA +WS 1,4 3, ,85 EP + WS 1,8 8, ,25 UP +WS 1,8 5, ,30 stal 7,9 1, ,00 stal nierdzewna 7,9 1, ,20 brąz 8,3 1, ,42 aluminium 2,7 1, ,25 *) wskaźniki odniesiono do stali przy założeniu takiej samej masy konstrukcji Postacie handlowe tworzyw sztucznych Tłoczywa Folie Tworzywa Sztuczne Żywice Półfabrykaty Laminaty 5

6 Zastosowanie tworzyw sztucznych Tworzywa konstrukcyjne, Materiały powłokowe, Spoiwa, Kleje i kity, Apretury, Włókna syntetyczne. Zastosowanie tworzyw sztucznych w różnych gałęziach przemysłu 2,6% 7,9% 18,4% 7,4% 76,7% 31,6% 4,5% 2,7% 0,8% 24,1% Sprzęt sportowy Sprzęt AGD Meble Motoryzacja Elektronika Rolnictwo Budownictwo Opakowania Inne Udział gatunków tworzyw sztucznych w produkcji opakowań PS 15% PVC 2% PE 42% PET 21% PP 20% 6

7 Budowa chemiczna i fizyczna polimerów Budowa molekularna polimerów Polimery mają ogromne rozmiary porównaniu z tworzącymi je cząsteczkami (np. węglowodorów) Nazywamy je makromolekułami Jednostki struktury (łańcucha) nazywamy merami mer Budowa łańcucha polimerów Liniowa Rozgałęziona Usieciowana Neuronowa 7

8 Budowa molekularna mer Homopolimery wszystkie mery tworzące łańcuch polimeru są takie same a) Kopolimery b) a) statystyczne b) przemienne c) c) blokowe d) szczepione (rozgałęzione) d) Budowa molekularna Mieszaniny i stopy polimerowe Układ dwóch lub większej liczby polimerów (kopolimerów) w której udział danego składnika wynosi co najmniej 2% - układ mieszalny (blenda) - układ niemieszalny stop polimerowy (alloy) Kształt łańcucha polimeru struktura helikalna i zygzakowata Łańcuchy polimerowe rzadko są proste. np. postać zygzakowata łańcucha polietylenowego, pojedyncze wiązania w łańcuchu są zdolne do obrotu i zginania się w trzech kierunkach, Omawianą strukturę mają przede wszystkim polimery krystaliczne np. PE 8

9 Kształt łańcucha polimeru struktura globularna ( spaghetti ) Różne zagięcia, skręcenia i zawinięcia łańcucha polimerowego prowadzą do rozległego jego splatania się (model spaghetti paghetti ). Takie zachowanie polimeru może wpływać na wiele jego właściwości fizycznych i cieplnych. Struktura fizyczna polimerów Struktura amorficzna Struktura krystaliczna Struktura polipropylenu Struktura fizyczna polimerów Modele polimerów krystalicznych Model płytkowo- lamelarny (wg Kellera): kryształy są w rzeczywistości małymi płytkami utworzonymi z przeplecionych łańcuchów polimeru (lameli) polietylen 9

10 Struktura fizyczna polimerów Modele polimerów krystalicznych struktura sferolityczna W znacznej części swojej objętości polimery krystalizują podczas stygnięcia fazy roztopionej tworzą często promieniowy wzór nazywany sferolitem. W ten sposób krystalizują m.in. PE, PP, PVC, PA, POM Własności polimerów a stopień krystaliczności Stopień krystaliczności udział fazy krystalicznej w całkowitej objętości próbki polimerowej Stopień krystaliczności wosk kruchy wosk ciągliwy miękki wosk smar, ciecz Tworzywo twarde Tworzywo miękkie Ciężar cząsteczkowy Wpływ stopnia krystaliczności oraz masy cząsteczkowej na własności mechaniczne polimeru (przykład dla PE) Polimery a makaron spaghetti Polimery amorficzne...ciepłe, świeże spaghetti bez jakichkolwiek splątań i sklejeń. Polimery semikrystaliczne. ciepłe, świeże spaghetti,, gdzieniegdzie posklejane i lekko splątane Polimery krystaliczne..przypominają spaghetti przyrządzone przez współlokatora z akademika, przeważnie mocno posklejane, z niewielką ilością luźnych nitek.polimery w temperaturze poniżej temperatury zeszklenia T g, trzydniowe spaghetti - pozostawione na słońcu! 10

11 TEMPERATURA I CZAS A WŁAŚCIWOŚCI POLIMERÓW Wpływ temperatury W przypadku polimerów termoplastycznych temperatura jest obok czasu najważniejszym parametrem, który należy uwzględnić podczas użytkowania elementów z tworzyw sztucznych! Stan fizyczny polimerów E [MPa] termoplasty elastomery duroplasty 0 0 szklisty kruchy T k T k temperatura kruchości, T g temperatura zeszklenia T g szklisty lepkosprężysty wymuszonej elastyczności wysokoelastyczny T p T plastyczny 11

12 Temperatura topnienia T p (T m ) oraz temperatura zeszklenia T g Polimer T g [ºC] T m [ºC] PTFE PE-HD PP PA PET PS PC Klasyfikacja polimerów ze względu na ich właściwości w podwyższonej temperaturze T g 20 C POLIMERY T g > 20 C wulkanizujące ELASTOMERY niewulkanizujące PLASTOMERY Kauczuki SBR, NBR PUR, CSM termoplasty duroplasty Bezpostaciowe (amorficzne) Krystaliczne Termoutwardzalne Chemoutwardzalne PS, PVC, PC, PMMA PE, PP, PA, PET żywice PF, UF żywice MF żywice EP, żywice UP Zagadnienie lepkosprężystości polimerów Mechaniczne właściwości polimerów zależą od temperatury. Polimery amorficzne i semikrystaliczne: w niskiej temperaturze mogą zachowywać się jak szkło - Wykazują właściwości sprężyste dla małych Polimer kruchy odkształceń (zachodzi Polimer plastyczny prawo Hooke a e a, σ = Eε) w wysokiej temperaturze mają właściwości lepkie (bardzo gęsta ciecz) Odkształcenie [%] w temperaturze pośredniej mają własności gumy (elastyczne) - Mogą wykazywać cechy lepkosprężyste Naprężenie [MPa] 12

13 Lepkosprężystość Sprężystość - odkształcenia zachodzą natychmiast po pojawieniu się obciążenia tzn. Całkowite odkształcenie występuje bezpośrednio po pojawieniu się naprężeń i zanika całkowicie po ustąpieniu obciążenia. Lepkość odkształcenie nie jest natychmiastowe Odkształcenie jest opóźnione w stosunku do naprężeń (odkształcenie nie jest całkowicie odwracalne, wymiary nie powracają do stanu początkowego) Zagadnienie lepkosprężystości polimerów Własności lepkosprężyste są kombinacją własności sprężystych i lepkich Raptowne pojawienie się naprężenia w materiale polimerowym powoduje pojawienie się natychmiastowych odkształceń sprężystych a po pewnym czasie zjawisk związanych z lepkością (czasowa zależność odkształceń). Jaki wpływ na właściwości mechaniczne polimerów ma czas? Zachowanie sprężyste Zachowanie lepkie Relaksacja naprężeń Metoda doświadczalna wyznaczania relaksacji naprężeń w materiałach lepkosprężystych. Próbka zostaje wydłużona tak, aby odkształcenia przyjęły określoną wartość ε 0. Następnie obserwowana jest zmiana naprężeń w próbce w funkcji czasu 13

14 Próbka obciążona jest w taki sposób, aby utrzymywało się w niej stałe naprężenie σ 0. Obserwowana jest zmiana odkształcenia w próbce w funkcji czasu ε s odkształcenia sprężyste ε e odkształcenia wysokoelastyczne (powrotne) ε t odkształcenia trwałe. Pełzanie Metoda doświadczalna określania lepkosprężystego pełzania. ε s ε e ε t ε t 1 σ 0 = const t MECHANIKA POLIMERÓW czyli jak odkształcają się tworzywa sztuczne? Własności mechaniczne polimerów Własności mechaniczne polimerów określane są przy pomocy takich samych parametrów jak w przypadku metali tj. moduł sprężystości E, wytrzymałość na rozciąganie R m, twardość, itp. Właściwości mechaniczne polimerów są jednak bardzo wrażliwe na warunki badań (otoczenia) tj.: wielkość odkształceń oraz prędkość odkształcania, temperaturę, środowisko (chemiczne) w jakim prowadzone są badania 14

15 Rodzaje zachowania podczas odkształcania polimerów Naprężenie [MPa] Polimer kruchy Polimer plastyczny Polimer wysokoelastyczny (elastomer) Odkształcenie [%] Odkształcenia w polimerach semikrystalicznych Naprężenie Odkształcenie W przeciwieństwie do metali granica wytrzymałości na rozciąganie R m dla polimerów nie występuje podczas formowania przewężenia, odkształcenie zachodzi bowiem poza przewężeniem. Natomiast w obszarze przewężenia następuje umocnienie materiału wyniku reorientacji fazy amorficznej Mechanizm odkształceń sprężystych w polimerach amorficznych oraz semikrystalicznych Rozciąganie i obracanie wiązań położenie ustalone postać rozciągnięta ROZCIĄGANIE łańcuchów i OBRÓT wiązań w kierunku działania naprężeń. Wiązania nie ulegają pękaniu a łańcuchy nie ślizgają się po sobie (tzn. wiązania międzymolekularne nie ulegają pękaniu). 15

16 Mechanizm odkształceń plastycznych w polimerach semikrystalicznych Model struktury włókna poliestrowego podczas rozciągania Mechanizm łańcuchy ślizgają się po sobie (pozwala na to obrót wiązań) Niektóre wiązania międzycząsteczkowe ulegają pękaniu. Wynikiem jest wysoko zorientowana struktura (obszar przewężenia próbki) Elastomery Elastomery są polimerami, które Naprężenie [MPa] trudno krystalizują (są amorficzne) posiadają budowę, która pozwala na łatwy obrót wiązań w łańcuchach, Polimer wysokoelastyczny są usieciowane co zapobiega przemieszczaniu (elastomer) (ślizganiu) łańcuchów względem siebie ulegają znacznym odkształceniom sprężystym zanim odkształcą się plastycznie Odkształcenie [%] Najniższa temperatura, w której utrzymują się ich właściwości wysokoelastyczne wynosi od ok. -50 do -90 C poniżej tej temperatury stają się kruche Odkształcenia elastomerów usieciowanie σ σ W stanie nienaprężonym (elastomery są amorficzne) łańcuchu polimerowe są skręcone i pozawijane Po przyłożeniu obciążenia następuje częściowe rozwinięcie i rozprostowanie łańcuchów w kierunku działania naprężeń. Po zniknięciu obciążenia, łańcuchy polimerowe powracają sprężyście do swojego pierwotnego położenia. 16