Materiały pomocnicze do laboratorium

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 Mgr 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).                                    Rys. 1. Wpływ masy cząsteczkowej M na wytrzymałość na rozciąganie Rm na przykładzie kopolimeru  chlorek winylu/octan winylu.  Rm [MPa]  50  10  5000 10000   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 Re, zatem wzrost temperatury obniża granice plastyczności 

(…)

… 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…
… 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…
… 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…
… 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…
… 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…
… konstrukcyjnego (ABS), a krzywa 4 elastomeru, (gumy).
Tabela 1. Wartości modułu E dla różnych materiałów
l.p.
E [N/m2]
materiał
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]
1
600
200
2
3
4
100
600
ε [%]
Rys. 8. Krzywe przedstawiające zależność naprężenia…
... zobacz całą notatkę