P L O ITECH C N H I N KA K A WR

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WROCŁAWSKA Wydział Mechaniczny Tworzywa sztuczne PROJEKTOWANIE ELEMENTÓW MASZYN Literatura 1) Żuchowska D.: Polimery konstrukcyjne, WNT, Warszawa ) Żuchowska D.: Struktura i własności polimerów jako materiałów konstrukcyjnych, Skrypt Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, ) Dobrosz K, Matysiak A.: Tworzywa sztuczne. Właściwości i zastosowanie WSP, Warszawa ) Ziemiański K.: Tworzywa sztuczne w budowie maszyn - wybrane zagadnienia, Oficyna Wydawnicza PWr, Wrocław, ) Serwis branżowy Tworzywa Sztuczne, strona internetowa: MBM-wykład 1 1

2 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. MBM-wykład 1 2

3 Szczególne cechy tworzyw sztucznych Wady Niższa w porównaniu z metalami wytrzymałość 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. 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 MBM-wykład 1 3

4 Kompozyty polimerowe -środki pomocnicze Napełniacze (wypełniacze) - ciągłe (włókna) - proszkowe Plastyfikatory POLIMERY TWORZYWA SZTUCZNE Środki antystatyczne Stabilizatory Barwniki, pigmenty Porfory (środki spieniające) Środki smarujące Postacie handlowe tworzyw sztucznych Tłoczywa Folie Laminaty Tworzywa Sztuczne Żywice Półfabrykaty MBM-wykład 1 4

5 Zastosowanie tworzyw sztucznych Tworzywa konstrukcyjne, Materiały powłokowe, Spoiwa, Kleje i kity, Apretury, Włókna syntetyczne. Budowa molekularna polimerów Polimery mają ogromne rozmiary porównaniu z tworzącymi je cząsteczkami (np. węglowodorów) Nazywamy je makromolekułami Jednostki struktury (łańcucha) nazywamy merami mer MBM-wykład 1 5

6 Budowa łańcucha polimerów Liniowa Rozgałęziona Termoplasty Usieciowana Neuronowa (gęsto usieciowana) Elastomery Duroplasty 11 Budowa molekularna Homopolimery wszystkie mery tworzące łańcuch polimeru są takie same Kopolimery a) statystyczne b) przemienne c) blokowe d) szczepione (rozgałęzione) 12 MBM-wykład 1 6

7 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 Kształt łańcucha polimeru struktura globularna ( spaghetti ) Różne zagięcia, skręcenia i zawinięcia łańcucha polimerowego prowadzą do rozległego jego splatania się (model spaghetti ). Takie zachowanie polimeru może wpływać na wiele jego właściwości fizycznych i cieplnych. MBM-wykład 1 7

8 Struktura fizyczna polimerów Struktura amorficzna Struktura krystaliczna 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) MBM-wykład 1 8

9 Stan fizyczny polimerów E [MPa] termoplasty elastomery duroplasty 0 0 szklisty kruchy T k T g szklisty lepkosprężysty wymuszonej elastyczności wysokoelastyczny T p T plastyczny T k temperatura kruchości, T g temperatura zeszklenia 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 MBM-wykład 1 9

10 TERMOPLASTY Stan fizyczny w temperaturze 20 o C E [MPa] PET, PS, PC T g >20 o C PE, PP T g <20 o C 0 0 szklisty kruchy T k T szklisty lepkosprężysty g wymuszonej elastyczności wysokoelastyczny T T plastycznyp T k temperatura kruchości, T g temperatura zeszklenia 19 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 MBM-wykład 1 10

11 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) 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 MBM-wykład 1 11

12 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 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 MBM-wykład 1 12

13 Rodzaje zachowania podczas odkształcania polimerów Naprężenie [MPa] Polimer kruchy Polimer plastyczny Polimer wysokoelastyczny (elastomer) Odkształcenie [%] MBM-wykład 1 13