10. KAPITOLA STATICKÉ ZKOUŠKY DLOUHODOBÉ. Krípové zkoušky. l = l. ε 1, ε 2 hodnoty formace v definovaných časech

Transkript

1 1. KAPITOLA STATICKÉ ZKOUŠKY DLOUHODOBÉ Vedle výrobků určenýc k jednorázové či krákodobé spořebě, exisuje celá řada aplikací, při kerýc jsou polymerní maeriály vysaveny namáání (napěí či deformaci) v delším časovém období. K omuo účelu slouží speciální dlouodobé zkoušky. Řada polymerníc maeriálů má sklon k deformaci (oku) za normálníc podmínek pod vlasní íou, o znamená při nízké deformaci (ak zvaný sudený ok). V principu se používají dva posupy, jak si při ěco zkouškác posupuje. Buďo se vzorek definovaně zaíží a sleduje se jeo deformace v čase (krípová zkouška) anebo se vzorek zdeformuje na příslušnou odnou a měří se časová změna napěí (relaxace napěí) ve zkušebním ělese. V obou případec se měření provádí za konsanní eploy. Krípové zkoušky Krípové deformační zkoušky jsou normovány pro a, lak i oyb. Pro věší cilivos a jednodušší mecanismus deformace se však dává přednos aovým deformacím. Zkušební ěleso se na jednom konci pevně ucyí a na druém se napíná konsanní silou, což způsobí deformaci ělesa (obrázek 1.1). Deformace měřenéo vzorku se projeví nárůsem délky ve směru působící síly, kerá se vyjadřuje jako poměrné prodloužení, případně proažení ε l l l 1 [%] Jako zkušební ělesa se obvykle volí vzorky ve varu obousranné lopaky, u kerýc se očekává zanedbaelná změna průřezu běem deformace. V průběu měření se sleduje časová změna deformace, ze keré se sesrojí krípová křivka s carakerisickými úseky (obrázek 1.2). Vedle oo se sanovuje aké krípová ryclos jako přírůsek deformace za definovanou jednoku času v k ( 2, 1) ε 2 2 ε1 1 kde ε 1, ε 2 odnoy formace v definovanýc časec

2 1, 2 definované časy Obrázek 1.1: Zařízení pro krípové zkoušky v au. Obrázek 1.2: Obecná krípová křivka. A odpovídá počáeční, elasické deformaci, AB je carakerisická poklesem deformace, B předsavuje primární kríp, v BC je konsanní ryclos deformace - sekundární kríp, CD vzrůs deformace až k vlasní desrukci ělesa, erciární kríp. Okamžiá ryclos oku je určena směrnicí ečny ke krípové křivce. Poměrný přírůsek deformace v časovém úseku se poom vyjadřuje jako krípový index

3 v k ε 2 ε1 ε 1 1 [%] Tvar krípovýc křivek je silně ovlivněn ypem polymernío maeriálu, jeo srukurou (lineární, rozvěvený), supněm krysaliniy, ypem mezimolekulovýc sil, příomnosí změkčovadel, plnění a dalšími fakory. Kromě vlasnío polymernío maeriálu, rají důležiou roli vnější paramery, jakými jsou podmínky zkoušení (eploa) anebo velikos konsannío zaížení. Jeo záměrnou volbou lze dosánou ve zvoleném časovém rozmezí celýc křivek včeně desrukce. Cování polymerů v čase lze různě modelova pomocí mecanickýc modelů složenýc z ocelové pružiny (demonsrující elasickou deformaci) a písu (odpovídající viskozní deformaci) v rozdílnýc uspořádáníc, keré se dají maemaicky popsa. Krípové zkoušky jsou časově náročné a moou probía až několik le. Proo je výodné výsledky predikova, což lze s pomocí derivované rovnice změny deformace při aovém namáání ε ε m n dε m n d n 1 ze keré se získají paramery m a n a jejic dosazením do rovnice lze spočía deformaci v požadovaném čase. Z časové závislosi pevnosi lze získa izocronní křivku napěí deformace odečením deformace v daném čase pro různé odnoy napěí. S její pomocí je možné odadnou deformaci po určié době namáání. Z izocronníc křivek se aké sanovuje počáeční neboli angenový krípový modul E ε [ MPa] Krípová pevnos, edy napěí, při kerém dojde k přeržení v daném časovém okamžiku (obvykle 1 od) lze sanovi z časové závislosi pevnosi. Také se určuje smluvní krípový modul jako napěí vedoucí k předepsanému proažení za určiou dobu (například za 1 od o 1 %). Časová závislos krípovéo modulu je závislá na velikosi použiéo napěí i eploě měření.

4 Na základě měření lze vyčís základní informace o povaze změny deformace, odnoác časovýc a dlouodobýc pevnosí, či různýc vlivec na jejic velikosi a průbě. Tyo informací je možné vymezi meze oddělující například ranici lineariy, napěí deformace, zasavení deformačnío cování, dokončení redisribuce napěí a porušení plasickýc mo při dlouodobýc podmínkác zaížení. Obvyklé jsou dva průběy krípovýc křivek. Buďo ryclos deformace při konsanním zaížení pozvolna klesá až k bodu, za nímž se zkušební vzorek už více nedeformuje a nedojde ani k jeo porušení. Ve druém případě jsou parné ři oblasi oblas s klesající ryclosí deformace, oblasí usálenéo oku a oblasí s křekým (ažným) porušením maeriálu. Tyo oblasi definují podmínky porušení a deformování polymerníc maeriálů, kde důležiou vlasnosí je odnoa dlouodobé pevnosi. Při nižšíc napěíc nedojde k porušení maeriálu a krípové cování lze popsa rovnicí lineární viskoelasiciy. Naopak při vyššíc napěíc dojde v jisém okamžiku k porušení maeriálu a edy pro popis časové deformace je nezbyné použí nelineárníc vzaů. K měření krípovéo cování slouží jednoducá zařízení, scopná dlouodobé zkoušky (řeba i několik roků). Věšinou se jedná o rám s čelismi, ve kerýc je ve svislé poloze upnuý sledovaný vzorek. Na dolní čelisi je pak zavěšeno zaváží odpovídající předepsanému napěí (obvykle v rozsau 1 % 9 % meze pevnosi v au). Mnoem složiější je pak příslušensví zaručující konsanní eplou a vlkos v okolí zkušebnío vzorku a zařízení odečíající deformaci vzorku, keré nesmí nikerak ovlivňova zkušební ěleso ani průbě zkoušky. Proo se s výodou používají různá opická zařízení (kaeomery), kdy se na zkušební vzorek nakreslí rysky, případně se přilepí odporové enzomery a sleduje se změna délky v čase. Před samoným měřením je nezbyné změři rozměry zkušebnío ělesa ke sanovení průřezu vzorku. Poom se zkušební ěleso předíží ak, aby nedošlo k měřielné deformaci a změří se jeo délka l. Plynule a bez rázů se zaěžuje zkušebním zaížením po dobu přibližně desei sekund a ve sanovenýc časovýc inervalec (volí se s oledem na zkoušený maeriál) docází k odeču deformace. Zkoušení se provádí u nejméně ří zkušebníc ěles současně. Po přeržení se vyodnoí povau lomu zkušebnío ělesa, změna průřezu, zda nedošlo k vyvoření krčku a podobně. Tako ovlivněné výsledky se vypouší. Zkoušky krípovéo cování v oybu jsou výodné pro krákodobé zkoušky, kdy se sesrojí časová závislos průybu anebo se přímo spočíá změna modulu pružnosi. Teno způsob je vodný zejména pro křeké maeriály (polysyren, bakeli). Nezbynou podmínkou je možnos emperování zkušebnío vzorku. Výodou jsou menší zaěžovací síly a celkově menší zkušební zařízení. Pro sanovení krípu v laku se používají zkušební zařízení s pákovým zaěžovacím sysémem a zkušební ělesa ve varu válečků. Relaxační zkoušky

5 Relaxační zkoušky spočívají v měření změny napěí (relaxaci) při konsanní deformaci. Relaxace je výsledkem fyzikálníc anebo cemickýc změn ve vniřní srukuře zkoušenéo maeriálu. Průbě relaxace napěí je významně ovlivněný vnějšími i vniřními fakory, jakými jsou eploa, velikos deformace, var zkušebnío vzorku, či molekulová monos, skladba směsi, usoa síťování a další. Sejně jako krípové cování lze relaxaci popsa pomocí mecanickýc modelů (pís a pružina), z nicž nejjednodušším je Maxwellův model (obrázek 1.3). dε 1 d E d + d E Proože se podle základní definice relaxace s časem nemění, ak plaí d dε E η e kde je napěí v čase je napěí v čase τ je relaxační doba definovaná e τ η τ E Obrázek 1.3: Maxwellův model.

6 Při okamžié deformaci modelu na počáeční deformaci ε v čase kraším než τ, lze zanedba viskozní člen a rovnici upravi ε E e τ a z ní odvodi vza pro relaxační modul E r E r e ε ε τ E e τ Relaxační doba τ je čas pořebný k poklesu napěí na e 1 původní odnoy, edy 36,79 % původní odnoy napěí. Na obrázku 1.4 je uveden příklad časovéo průběu relaxačnío cování Maxwellova modelu. Míso nejvěšío sklonu křivky v logarimickýc souřadnýc pak odpovídá relaxačnímu času. Obrázek 1.4: Modelová relaxační křivka pro τ 1 s (vlevo) a v logarimickýc souřadnicíc (vpravo). Věšina polymerů má však více, obecně až nekonečno relaxačníc časů, a o v rozsau několika časovýc řádů. Jejic disribuce se projeví esoviým průběem varem křivky. Přesnou disribuci

7 relaxačníc času (relaxační spekrum) lze získa pouze, když naměřená daa pokrývají dosaečně velkou časovou oblas (alespoň 6 časovýc řádů). Too nelze prakicky dosánou, proo se využívá skládání relaxačníc křivek naměřenýc při různýc eploníc podmínkác na principu superpozice čas eploa. Relaxace měření se měří buďo koninuálně (koninuální deformace a nepřeržié měření napěí) anebo diskoninuálně (krákodobá deformace a po změření je vzorek odížen) při deformaci zkušebnío ělesa namááním v au anebo laku (obrázek 1.5). Sudium relaxace napěí vypovídá kromě fyzikálníc změn ve zkušebním ělese aké o jinak obížně kvanifikovaelnýc cemickýc změnác, například u síťovanýc makromolekul. Používají se aké ke zjišťování vlivu zbyků polymeračníc kaalyzáorů v polymerec, ke sledování změn příčnýc vazeb v kaučukovýc sííc, vlivu vody a nečiso na změny v Si O vazeb v silikonovém kaučuku, degradačníc procesů v polyureanovýc kaučucíc. Cilivá je k odnocení anioxidanů a mecanismů jejic účinku v kaučucíc, epelnýc sabilizáorů a dalšíc. Obrázek 1.5: Zařízení pro sledování relaxačnío cování polymerů. Zařízení k měření relaxace napěí kladou vysoké nároky na přesnos snímání změny napěí při konsanní deformaci. Vzorek je umísěný v komoře, kerou lze emperova, případně zajisi inerní amosféru. Zkušební ělesa pro měření relaxace v laku jsou zpravidla válečky o rozměrec 2 2 mm, pro zkoušku v au se pak používají pásky o loušťce,2 mm. V principu probíá měření ak, že se vzorek umísí a upevní ve zkušební komoře a po kondicionování se co nejrycleji deformuje na předepsanou odnou. Výcozí napěí se odečíá 1 s po dosažení deformace.

8 Vyodnocení se provádí ze záznamu měření. Relaxační křivka se získá výnosem relaivnío poklesu napěí ve zkušebním ělese v závislosi na čase. Z éo závislosi se spočíá ryclosní konsanu relaxace jako převrácenou odnou relaxační doby ln ln k s 1 [ ] a pro konkréní časový úsek k ln 2 ln 1 s [ ] Pro výpoče akivační energie relaxačnío procesu je nezbyné provés sanovení při nejméně řec různýc eploác. Ve sejnýc okamžicíc se určí ryclosní konsany, keré se graficky znázorní v závislosi na reciproké eploě. Směrnice přímky se poom dosadí do Arreniovy rovnice. k A e E ak RT Dále se dá sanovi velikos poměrné relaxace p. r. 1 [%] anebo koeficien relaxace k. r. Zkoušky rvalé deformace

9 Jedná se o zvlášní zkoušky vulkanizovanýc kaučuků (s elasickou, vranou deformací), keré probíají při konsanním proažení a při konsanní deformaci (proažením na konsanní délku). Trvalá deformace v laku při konsanním napěí Zkušební ěleso ve varu válečku o rozměrec 2 2 mm se deformuje konsanním napěím 1 MPa a sleduje se průbě deformace v určiýc časovýc inervalec při zaížení i po odížení. Tak se získá ak zvaná plasoelasická křivka (obrázek 1.6). Před samoným měřením se změří průřez zkušebnío ělesa a podle oo se nasaví zaížení odpovídající předepsanému napěí. Obrázek 1.6: Plasoelasická křivka při zaížení a odlečení. V čase 1 se zkušební ěleso o výšce zaíží a sleduje se jeo časová změna deformace. Nejprve se projeví ideální elasická deformace nezávislá na čase deformace ělesa z výšky na výšku 1. Posupně se začne projevova viskoelasické cování polymerů, keré je už časově závislé. Ryclos deformace se posupně snižuje a asympoicky se přiblíží k usálené odnoě deformace 2. Tao fáze odpovídá zpožděné elasiciě (vraná, ale časově závislá) a plasické deformaci (nevraná). V čase 2 dojde k odížení zkušebnío ělesa a okamžiě dojde k návrau výšky ělesa z pozice 2 do 3 vypovídající vrané elasické deformaci časově nezávislé. V dalším průběu se projeví vraná zpožděná elasicia, kdy se dojde ke zvýšení z poloy 3 do 4. Rozdíl mezi odnoou a 4 odpovídá podílu nevrané plasické deformace a odpovídá rvalé deformaci zkušebnío ělesa. Hodnoy jednolivýc ypů deformace se vyodnocují jako poměrná změna výšky vzledem k původní výšce anebo celkové deformaci ( 2 ) elasická deformace

10 ε 1 [%] ε 1 [%] el el 2 zpožděná elasická deformace (zoavení) ε 1 [%] ε 1 [%] z z 2 rvalá deformace 4 4. d. 1 [%]. d. 1 [%] 2 Tako lze sanovi jednolivé složky deformací v elasomerníc maeriálec. Měřící zařízení je upraveno ak, že umožňuje vždy měření dvou zkušebníc vzorků současně. Zkušební ělesa jsou umísěna v emperované komoře, což umožňuje provádě měření za různýc eplo. Měření rvalé deformace lze provádě i na jinýc zkušebníc zařízeníc (plasomer Defo). Podmínkou je však možnos sledování změny výšky zkušebnío ělesa. Rozměry zkušebníc ěles poom odpovídají zkušebnímu zařízení. Pokud není možné zaznamenáva průbě zkoušky plynule, ak se odnoy zaížení a odížení měří v předem definovanýc inervalec ( v čase, 1 v čase 1 min po zaížení, 2 po 72 od s meziodnoami v časec 1 min, 6 min a po 24 od a 48 od, 3 v čase 1 min po odlečení a 4 v čase 3 min s mezikonrolou po 1 min). Trvalá deformace v laku při konsanní deformaci Nejpoužívanější způsob sanovení rvalé deformace vulkanizovanýc kaučuků, kdy je zkušební ěleso sláčeno mezi dvěma paralelními deskami (obrázek 1.7) předepsanou deformací (o 25 % při vrdosi ělesa < 85 S A) po předepsanou dobu (24 od anebo 72 od) při eploě 7 C. Po uvolnění a zoavení (3 min) se poom změří rvalá deformace. Zkušební ělesa mají normovanou velikos (yp I o průměru 29 mm a výšce 12,5 mm, yp II 13 mm 6,3 mm).

11 Obrázek 1.7: Zařízení ke sledování rvalé deformace při konsanním zaížení. Trvalá deformace se poom spočíá podle vzau. d. ε 1 [%] kde původní výška ělesa ε velikos slačení výška po uvolnění Hodnoa rvalé deformace v laku 1 % znamená, že z celé deformace nuné ke slačení zkušebnío ělesa, se po odlečení nevráilo nic a pryž ak zraila pružící scopnos využívá se ke sledování ěsnícíc maeriálů (abulka 1.1). Hodnoa 5 % znamená, že se polovina slačení se proměnila v nevranou deformaci, druá polovina se vlivem rerakčníc sil vráila a je scopna vyvinou proilak. Ideálním případem je poom nulová rvalá deformace, kdy se při slačení uplaňuje veškerá pružící scopnos. Tabulka 1.1: Rozdělení pryže podle odnoy rvalé deformace (kriérium ěsnění) Trvalá deformace Hodnocení < 25 % velmi dobrá < 4 % dobrá < 6 % méně vodná > 6 % nevodná

12 Zkušební zařízení se skládá ze dvou ocelovýc kooučů, mezi jejicž rovnoběžnými plocami se slačuje určiá série zkušebníc ěles. Velikos slačení se dociluje pomocí opěrnéo kroužku ve sředu saovacío šroubu. Trvalá deformace se obvykle měří při vyššíc i nízkýc eploác s oledem na reálné aplikace zkoušenéo maeriálu. Zkoušky lze provádě aké v různýc prosředíc.