MATERIAŁY POMOCNICZE DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Materiałoznawstwo III. Właściwości mechaniczne tworzyw polimerowych



Podobne dokumenty
dr hab. inż. Józef Haponiuk Katedra Technologii Polimerów Wydział Chemiczny PG

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

Materiały Reaktorowe. Właściwości mechaniczne

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 7

Nauka o Materiałach. Wykład IX. Odkształcenie materiałów właściwości plastyczne. Jerzy Lis

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE PLASTYCZNOŚĆ. Zmiany makroskopowe. Zmiany makroskopowe

Wykład IX: Odkształcenie materiałów - właściwości plastyczne

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI TEORETYCZNEJ I SYSTEMÓW INFORMACYJNO-POMIAROWYCH

Nauka o Materiałach. Wykład VI. Odkształcenie materiałów właściwości sprężyste i plastyczne. Jerzy Lis

Wykład 27/28 stycznia 2005; pytania z wykładów 1-3.

PEŁZANIE WYBRANYCH ELEMENTÓW KONSTRUKCYJNYCH

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

MATERIAŁOZNAWSTWO vs WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 9

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Wytrzymałość Materiałów

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Temat 1 (2 godziny): Próba statyczna rozciągania metali

Metody badań materiałów konstrukcyjnych

Nauka o Materiałach. Wykład XI. Właściwości cieplne. Jerzy Lis

Krystalizacja Polimerów Istotny Aspekt Procesu Przetwórstwa

Właściwości mechaniczne

dr hab. inż. Józef Haponiuk Katedra Technologii Polimerów Wydział Chemiczny PG

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Podstawowe przypadki (stany) obciążenia elementów : 1. Rozciąganie lub ściskanie 2. Zginanie 3. Skręcanie 4. Ścinanie

INSTRUKCJA DO CWICZENIA NR 5

CHARAKTERYSTYKA TWORZYW POLIMEROWYCH Z UWZGLĘDNIENIEM M.IN. POZIOMU WSKAŹNIKÓW WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH, ODPORNOŚCI NA KOROZJĘ, CENY.

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

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Nauka o Materiałach. Wykład VIII. Odkształcenie materiałów właściwości sprężyste. Jerzy Lis

MATERIAŁOZNAWSTWO. dr hab. inż. Joanna Hucińska Katedra Inżynierii Materiałowej Pok. 128 (budynek Żelbetu )

Rodzaje obciążeń, odkształceń i naprężeń

dr hab. inż. Józef Haponiuk Katedra Technologii Polimerów Wydział Chemiczny PG

MATERIAŁOZNAWSTWO. Prof. dr hab. inż. Andrzej Zieliński Katedra Inżynierii Materiałowej Pok. 204

INSTRUKCJA DO CWICZENIA NR 4

CIEPLNE I MECHANICZNE WŁASNOŚCI CIAŁ

Poliamid (Ertalon, Tarnamid)

Właściwości kryształów

Rys Przykładowe krzywe naprężenia w funkcji odkształcenia dla a) metali b) polimerów.

ĆWICZENIE. Oznaczanie szybkości relaksacji naprężeń wulkanizatów

11. WŁASNOŚCI SPRĘŻYSTE CIAŁ

Mechanika i wytrzymałość materiałów instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego

ĆWICZENIE 15 WYZNACZANIE (K IC )

Politechnika Rzeszowska - Materiały inżynierskie - I DUT / dr inż. Maciej Motyka

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE SPRĘŻYSTOŚĆ MATERIAŁ. Właściwości materiałów. Właściwości materiałów

Materiały budowlane - systematyka i uwarunkowania właściwości użytkowych

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY KATEDRA TECHNOLOGII POLIMERÓW

Interpretacja pomiarów DMTA w odniesieniu do struktury jedno- i wieloskładnikowych układów polimerowych.

PARAMETRY FIZYKO - MECHANICZNE TWORZYW KONSTRUKCYJNYCH

Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny LABOTRATORIUM

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

Ćwiczenie 11. Moduł Younga

Temat 2 (2 godziny) : Próba statyczna ściskania metali

SPRAWOZDANIE LABORATORIUM WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW B Badanie własności mechanicznych materiałów konstrukcyjnych

Wykład XI: Właściwości cieplne. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

dr hab. inż. Józef Haponiuk Katedra Technologii Polimerów Wydział Chemiczny PG

WYTRZYMAŁOŚĆ POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH WYKONANYCH NA BAZIE KLEJÓW EPOKSYDOWYCH MODYFIKOWANYCH MONTMORYLONITEM

Projektowanie elementów z tworzyw sztucznych

Prawidłowość doboru. 2. Dobór materiału

30/01/2018. Wykład X: Właściwości cieplne. Treść wykładu: Stabilność termiczna materiałów

dr hab. inż. Józef Haponiuk Katedra Technologii Polimerów Wydział Chemiczny PG

Politechnika Białostocka

Właściwości cieplne Stabilność termiczna materiałów. Stabilność termiczna materiałów

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

POLICHLOREK WINYLU - PCW (PVC-U)

Modele materiałów

BADANIA WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH 1. Próba rozciągania metali w temperaturze otoczenia (zg. z PN-EN :2002)

Polimery syntetyczne

Ćwiczenie nr 3 Statyczna próba jednoosiowego rozciągania. Umocnienie odkształceniowe, roztworowe i przez rozdrobnienie ziarna

Ćw. 3. Wyznaczanie modułu Younga metodą jednostronnego rozciągania

INŻYNIERIA MATERIAŁOWA

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

RóŜnica temperatur wynosi 20 st.c. Ile wynosi ta róŝnica wyraŝona w K (st. Kelwina)? A. 273 B. -20 C. 293 D. 20

Wykład 8: Lepko-sprężyste odkształcenia ciał

POLIMERY W OCZYSZCZANIU WODY, POWIETRZA ORAZ OCHRONIE GLEBY. Helena Janik, Katedra Technologii POLIMERÓW WCH, PG

Fizyczne właściwości materiałów rolniczych

Naprężenia i odkształcenia spawalnicze

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 4

ężyste) Połą łączenia podatne (spręż Charakterystyka elementów podatnych Charakterystyka sprężyn Klasyfikacja sprężyn Elementy gumowe

Podstawowe pojęcia wytrzymałości materiałów. Statyczna próba rozciągania metali. Warunek nośności i użytkowania. Założenia

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

Próby udarowe. Opracował: XXXXXXX studia inŝynierskie zaoczne wydział mechaniczny semestr V. Gdańsk 2002 r.

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 10

Nowoczesne materiały konstrukcyjne : wybrane zagadnienia / Wojciech Kucharczyk, Andrzej Mazurkiewicz, Wojciech śurowski. wyd. 3. Radom, cop.

Opracowała: dr inż. Teresa Rucińska

Tworzywa sztuczne, to materiały oparte na. zwanych polimerami, otrzymywanych drogą syntezy. chemicznej, w wyniku procesów zwanych ogólnie

Laboratorium wytrzymałości materiałów

AMARGO. Płyty PE HD, PP-H, PP-C, PP-FOAM, PP-TALK, Kasetony konstrukcyjne PP.

Wykład 3. Makrocząsteczki w roztworze i w stanie skondensowanym.

Chronologia, bardziej szczegółowo

Elementy Strukturalne: Z Metalu na Tworzywo... Mariusz Makowski, DuPont Poland

DEGRADACJA MATERIAŁÓW

Czym jest prąd elektryczny

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz.13

INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Transkrypt:

MATERIAŁY POMOCNICZE DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Materiałoznawstwo III Właściwości mechaniczne tworzyw polimerowych Właściwości mechaniczne to zespół cech fizycznych opisujących wytrzymałość materiału na obciążenia takie jak rozciąganie, ściskanie, zginanie, ścinanie, uderzenie itp. Decydują one w dużej mierze o zastosowaniach technicznych danego tworzywa. Właściwości mechaniczne tworzyw polimerowych zależą od: czynników strukturalnych polimeru (budowa, cząsteczkowa i nadcząsteczkowa), dodatków: napełniaczy, modyfikatorów własności (np. plastyfikatorów) czynników zewnętrznych (temperatura, szybkość odkształceń, środowisko) Wpływ czynników strukturalnych (morfologii polimerów) na właściwości mechaniczne Najważniejsze czynniki strukturalne, które decydują o właściwościach mechanicznych to: 1. masa cząsteczkowa, stopień polimeryzacji, 2. budowa chemiczna makrocząsteczki i oddziaływania międzycząsteczkowe, 3. budowa fizyczna (stopień rozgałęzienia makrocząsteczek lub ich usieciowania), 4. morfologia i udział fazy krystalicznej, 5. orientacja makrocząsteczek, 6. wady i niedoskonałości struktury wewnętrznej. Ad 1. Masa cząsteczkowa Wraz ze zwiększaniem się masy cząsteczkowej M polimeru rośnie jego wytrzymałość na rozciąganie, twardość, odporność na uderzenie. Po przekroczeniu wartości granicznej M gr dalszy wzrost masy cząsteczkowej nie powoduje wzrostu właściwości mechanicznych (rys. 1). W polimerach liniowych (np. polietylen) wzrost masy cząsteczkowej związany jest z długością łańcucha (stopniem polimeryzacji liczby monomerów w jednostce polimeru). R m [MPa] 50 10 5000 10000 M gr 15000 M Rys. 1. Wpływ masy cząsteczkowej M na wytrzymałość na rozciąganie R m na przykładzie kopolimeru chlorek winylu/octan winylu. Ad 2. Oddziaływania międzycząsteczkowe Siły międzycząsteczkowe wiążą makrocząsteczki w agregaty, kompleksy i kryształy. Im większe upakowanie makrocząsteczek w przestrzeni tym oddziaływania międzycząsteczkowe są silniejsze a to powoduje wzrost siły potrzebnej do ich rozdzielenia, czyli wzrost wytrzymałości materiału. Z kolei słabsze siły międzycząsteczkowe sprzyjają dobrej odkształcalności (plastyczności) materiału. Wartość oddziaływań międzycząsteczkowych maleje wraz ze wzrostem temperatury, gdyż następuje wzrost ruchliwości makrocząsteczek, a zatem trzeba przyłożyć mniejsze obciążenie żeby je trwale względem siebie przemieścić. Dla przypomnienia, progowym naprężeniem początku trwałego odkształcenia materiału - jest granica plastyczności R e, zatem wzrost temperatury obniża granice plastyczności polimeru.

Ad 3. Budowa przestrzenna stopień rozgałęzienia lub usieciowania Dla tworzyw polimerowych wytrzymałość mechaniczna jest ściśle związana długością łańcuchów, stopniem rozgałęzienia makrocząsteczek oraz stopniem ich usieciowania (duroplasty). Polimery liniowe nierozgałęzione, jak np. poliamid (PA) (nylon) są mało wytrzymale i giętkie. Długie, silnie rozgałęzione łańcuchy podnoszą wytrzymałość na rozciąganie R m, moduł E (sztywność), twardość polimeru, ale obniżają wielkość odkształcenia. Przykładem silnie rozgałęzionego polimeru może być polistyren (PS). Połączenie łańcuchów miedzy sobą silnymi wiązaniami kowalencyjnymi (sieciowanie) (duroplasty) podnosi wytrzymałość mechaniczną polimerów. Im wyższy stopień usieciowania tym lepsza wytrzymałość i mniejsza plastyczność. Zwiększenie liczby wiązań sieciujących uzyskuje się przez obróbkę cieplną tzw. dotwardzanie w podwyższonej temperaturze. Przykładem silnie usieciowanego polimeru jest utwardzona żywica epoksydowa (EP) (np. klej epoksydowy). Na rysunku 2 przedstawiono schematy struktury polimerów. a) b) Rys 2. Widok struktury makrocząsteczek : a) liniowe łańcuchy makrocząsteczek (polimery termoplastyczne), b) trójwymiarowa makrocząsteczka duroplastu. Wiązania sieciujące pomiędzy łańcuchami przedstawione są jako czarne węzły. Ad 4. Morfologia i udział fazy krystalicznej W polimerach liniowych bez rozgałęzień np. polietylen (PE), polipropylen (PP), poliamid (PA) można otrzymać częściowe uporządkowanie przestrzenne łańcuchów (krystaliczność). Ma to korzystny wpływ na wytrzymałość polimeru, gdyż umożliwia lepsze upakowanie łańcuchów w przestrzeni i silne zbliżenie makrocząsteczek, co wywołuje powstanie silniejszych wiązań pomiędzy łańcuchami (rys. 3). Skutkiem jest lepsza wytrzymałość, sztywność, i wyższa temperatura mięknięcia (odporność cieplna - patrz: Instrukcja do ćw. nr 2 z Materiałoznawstwa III). Rys. 3. Dwufazowy układ polimeru o strukturze częściowo krystalicznej (linie proste symbolizują obszary krystaliczne). Im wyższy stopień krystaliczności, tym wyższy moduł E i moduł G, twardość, wytrzymałość zmęczeniowa, odporność na ścieranie, natomiast zmniejsza się wytrzymałość zmęczeniowa, udarność, zdolność do odkształcenia. Polimery zawierające 90% fazy krystalicznej, pod wpływem obciążenia zachowują się podobnie jak metale, co przejawia się w podobnym kształtem zależności naprężenie - odkształcenie: σ = f(ε). Oprócz czynników związanych z budową polimeru ogromny wpływ na własności mają czynniki zewnętrzne takie jak temperatura i środowisko. Szczególnie istotny jest wpływ temperatury. Wpływ temperatury na własności mechaniczne W odróżnieniu od ceramiki i metali właściwości tworzyw polimerowych w dużym stopniu uzależnione są nawet od niewielkich zmian temperatury. Zakres użytkowania większości tworzyw nie przekracza 150 º C,a tylko nieliczne z nich mogą być użytkowane do 300 º C.

Wraz ze wzrostem temperatury polimery stopniowo miękną, co objawia się spadkiem modułu sprężystości E (Young a). Własności polimerów są tak silnie uzależnione od temperatury, że w temperaturach od - 20 º C do +200 º C, moduł sprężystości może się zmienić nawet 10 3 razy. W przypadku metali i ceramik pozostaje praktycznie niezmienny. Zatem przy projektowaniu z użyciem polimerów konstrukcyjnych konieczne jest uwzględnianie potencjalnych zmian wytrzymałości i sztywności w trakcie eksploatacji nawet w temperaturze otoczenia. Zjawisko zmiennego zachowania polimerów pod obciążeniem przy wzroście temperatury związane jest ze zmianą ruchliwości makrocząsteczek. Na rysunku 4 pokazano schematycznie zależność modułu Young a od temperatury polimeru dla polimerów bezpostaciowych: 1 - termoplastycznych, 2 elastomerów, 3 duroplastów. Poniżej temperatury T g, nazywanej temperaturą zeszklenia, polimer jest w stanie sztywnym (nazywanym też szklistym) (obszar A). Makrocząsteczki mogą się sprężyście przemieszczać względem siebie na małe odległości, tak jak atomy w metalach w stanie sprężystym. W miarę wzrostu temperatury rośnie zdolność makrocząsteczek do lokalnych przegrupowań, ale nadal zachowana jest nieruchomość całych makrocząsteczek, polimer jest w stanie szklistym wymuszonej elastyczności (obszar B), a następnie lepkosprężystym (skóropodobnym) (zakres C). Dalszy wzrost temperatury prowadzi do znacznego zwiększenia ruchliwości makrocząsteczek umożliwiającej rozprostowanie skłębionych łańcuchów i powrót do poprzedniego stanu, ale nie trwałe przemieszczenie makrocząsteczek. Zachowanie takie podobne jest do odkształcalności gumy, a stan polimeru określany jest jako wysokoelastyczny, wymuszonej elastycznosci lub gumopodobny (zakres D). Materiał wysokoelastyczny w rozumieniu technicznym oznacza materiał charakteryzujący się znaczną sprężystością powrotną (ang. elastic - sprężysty), w którym po cofnięciu obciążenia materiał wraca do poprzedniego kształtu. Przekroczenie temperatury płynięcia T m (m - melting) powoduje prawie całkowite zmniejszenie sił międzycząsteczkowych i nawet najmniejsze obciążenie powoduje wzajemne trwałe przemieszczanie się łańcuchów polimeru. Takie zachowanie określa się mianem stanu lepko płynnego (zakres E). E 10 N/m 2 10 10 10 5 2 3 T k T g A B C D E 1 T f T Rys. 4. Zależność modułu sprężystości wzdłużnej E od temperatury przy stałej prędkości rozciągania dla polimerów bezpostaciowych. 1 - polimery termoplastyczne, 2 elastomery, 3 duroplasty. Na podstawie rysunku 4 i danych odnośnie temperatury zeszklenia (T g ) dla różnych gatunków polimerów można wyjaśnić dlaczego niektóre polimery w tej samej temperaturze są sztywne, a inne wykazują znaczne odkształcenia. Dla przykładu PMMA o T g =105 º C jest sztywne w temperaturze otoczenia, ponieważ temperatura pokojowa stanowi tylko 0,25T g. Z kolei polietylen o małej gęstości (LDPE), popularny w postaci folii do opakowań ma T g =5 º C, zatem temperatura pokojowa jest powyżej T g, więc materiał znajduje się w stanie lepkosprężystym, tzn. że stopniowo zwiększa się jego odkształcenie przy stałym obciążeniu (odkształcenie jest funkcją czasu). Elastomer, poliizopren (PI) charakteryzuje się ujemną temperaturą zeszklenia, (T g =-53 º C), dla niego temperatura pokojowa jest więc dużo wyższa od T g, stąd jego wysokoelastyczne (gumopodobne) zachowanie w temperaturze

otoczenia, a kruche przy znacznych temperaturach ujemnych. Elastomery osiągają odkształcenie sprężyste (wysokoelastyczne) rzędu kilkuset procent. Temperatury przejścia polimerów w kolejne stany (ze sztywnego w lepkosprężysty i dalsze) uzależnione są od stopnia krystalizacji polimeru w przypadku polimeru o budowie liniowej (rys. 5) oraz od stopnia usieciowania (rys. 6) polimeru o budowie usieciowanej z wiązaniami poprzecznymi (rys. 6) jak też od ciężaru cząsteczkowego. Im wyższy jest stopień krystalizacji lub wyższy stopień usieciowana polimeru, tym wyższe są temperatury w których dochodzi do gwałtownego spadku modułu, co świadczy o lepszej odporności cieplnej polimerów o dużym stopniu krystalizacji lub silnie usieciowanych. Rys. 5. Wpływ stopnia krystaliczności na przebieg zmiany modułu sprężystości w funkcji temperatury. Rys. 6. Wpływ stopnia usieciowania poliizoprenu na zależność modułu sprężystości od temperatury odniesionej do temperatury zeszklenia.

Dodatek Właściwości mechaniczne materiałów opisuje się następującymi wielkościami: modułem sprężystości - moduł Young a E [N/m 2 ], wytrzymałością na rozciąganie R m. Jest to graniczne naprężenie б (б = P/A siła/przekrój próbki), przy którym dochodzi do zerwania próbki podczas próby rozciągania (rys. 7), granicą plastyczności R e. Jest to graniczne naprężenie б, powyżej którego dochodzi do odkształceń trwałych (plastycznych, nieodwracalnych), wydłużeniem względnym ε, (ε = l/lo - przyrost długości próbki /długość początkowa próbki), twardością, udarnością (udarność określa energię potrzebną do złamania próbki odniesioną do pola przekroju próbki (z karbem lub bez karbu)). Rys 7. Przykład wykresu krzywej rozciągania (naprężenie w funkcji odkształcenia) z zaznaczonymi wielkościami charakterystycznymi. Dla porównania własności mechanicznych polimerów z innymi materiałami, w tabeli 1 przedstawiono dane odnośnie modułu Younga (sztywność). Z kolei różnice właściwości mechanicznych polimerów w porównaniu ze stalą hartowaną (krzywa 1) ilustruje rysunek 8. Krzywa 2 odnosi się do polimeru kruchego w stanie szklistym (np. PS), krzywa 3 - tworzywa konstrukcyjnego (ABS), a krzywa 4 - elastomeru, (gumy). Tabela 1. Wartości modułu E dla różnych materiałów l.p. materiał E [N/m 2 ] 1 diament 1000 2 ceramika 300-600 3 metale 15-400 4 wolfram 400 5 stale 200 6 miedź 150 7 tytan 100 8 aluminium 70 9 ołów 15 10 polimery 0,01-7 11 pianki polimerowe 0,001 0,01

б [MPa] 600 1 200 2 3 4 100 ε [%] 600 Rys. 8. Krzywe przedstawiające zależność naprężenia od odkształcenia przy statycznej próbie rozciągania. 1 stal hartowana, 2 - tworzywa kruche w stanie szklistym (np. PS), 3 - tworzywa konstrukcyjne (np. ABS), 4 - elastomery, gumy. Tabela 2. Przykładowe wartości wytrzymałości na rozciąganie R m, granicy plastyczności R e i wydłużenia A dla różnych materiałów Materiał R e [MN/m 2 ] R m [MN/m 2 ] A [%] diament ------------------- 50 000 0 ceramiki ------------------- 40 000 10 000 0 stale 200-2000 400-2000 2-60 Stopy miedzi 60-950 250-1000 1-55 polimery 1-100 1-120 -------