Titanic Costa Concordia Bakelit, celuloid

Transkript

1 MTP - Polymery

2 Titanic Costa Concordia Bakelit, celuloid

3 Hlavní použití polymerů

4 Definice polymerů/plastů Polymery = organické látky založené na opakující se jednotce (meru) tvořící dlouhé řetězce Název plasty je odvozen ze tvárných (plastických) schopností polymerních látek (ale to neplatí pro všechny polymerní látky) polymery lze formovat odléváním, spékáním nebo tvářením v tekutém stavu

5 Pro dlouhou historii nesprávného užití jsou plasty vysmívány Film Pelíšky

6 Zpracování polymerů

7 Hlavní druhy polymerních látek termoplasty termosety (reaktoplasty) elastomery (pryže)

8 Mikrostruktura polymerů Polymer = mnoho merů Energie vazebných sil (kj/mol) van der Waals vodíkové můstky 50 kovalentní vazby iontové vazby Kovalentní řetězce: Adapted from Fig. 14.2, Callister 6e. Směr růstu pevnosti Adapted from Fig. 14.7, Callister 6e.

9 Vliv délky uhlíkového řetězce <5 C atomů > 1000 plyny kapaliny vosky a parafíny plasty metan, etan, propan, butan paliva benzín, petrolej, nafta, oleje, vazelíny (<100)

10 Molekulární hmotnost a krystalinita Molekulární hmotnost, Mw. Pevnost -obvykle roste s Mw. -proč? Delší řetězce se více proplétají. Krystalinita: podíl materiálu v krystalickém stavu -Pevnost (Rm) a tuhost (E) obvykle s krystalinitou rostou -Žíháním objem krystalických oblastí roste crystalline region amorphous region Adapted from Fig , Callister 6e. (Fig is from H.W. Hayden, W.G. Moffatt, and J. Wulff, The Structure and Properties of Materials, Vol. III, Mechanical Behavior, John Wiley and Sons, Inc., 1965.)

11 Vztah mezi molekulovou hmotností a viskozitou Mechanické vlastnosti Viskozita Molekulová hmotnost

12 Mechanismy (plastické) deformace plastů

13 Tahová křivka pro různé typy polymerů reaktoplasty termoplasty Další důsledky vnitřní struktury: -křehkost shodně orientované, propojené a zesítěné řetězce -plastická deformace u polymerů s částečnou krystalinitou

14 Srovnání polymerů s jinými materiály

15 Teplotně závislé mechanické vlastnosti Skelné plató Sekundární relaxace A částečně krystalický termoplast B termoset C amorfní termoplast Skelný přechod Pryžové plató Viskózní tok

16 Časově závislá deformace Relaxace napětí / tečení: - Deformuj na eo setrvej - Pozoruj snižování napětí Teplota skelného přechodu (amorphous polystyrene) Tg( C) pro vybrané materiály PE (low Mw) PE (high Mw) PVC PS PC Tm

17 Závislost mechanických vlastností na teplotě pro termoplasty Snížení teploty -zvýší tuhost -zvýší pevnost -sníží tažnost Zvýšení rychlosti deformace má stejný účinek jako snížení teploty Adapted from Fig. 15.3, Callister 6e. (Fig is from T.S. Carswell and J.K. Nason, 'Effect of Environmental Conditions on the Mechanical Properties of Organic Plastics", Symposium on Plastics, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, PA, 1944.) 26

18 Mechanické vlastnosti sesítněných a krystalických polymerů Mikroténový sáček

19 Předdeformování dloužením Dloužení... -před použitím natahuje řetězce -natáhne je ve směru dloužení Mechanické důsledky -Nárůst tuhosti ve směru dloužení -Nárůst pevnosti ve směru dloužení -Snížení tažnosti Žíhání po sloužení... -sníží uspořádání, zarovnání -odstraní důsledky dloužení podobné zpracování za studena u kovů! Vlákna, smršťovací bužírky Adapted from Fig , Callister 6e. (Fig is from J.M. Schultz, Polymer Materials Science, Prentice- Hall, Inc., 1974, pp )

20 Zpracování polymerů

21 Srovnání polymerů s kovy - cena

22 Základní principy návrhu výrobku z plastů Při nahrazování kovů je Vyhni se nahromadění materiálu nový design vždy nutností! Vol jednu tloušťku stěny Stěna tenká jak jen je to možné ale současně tlustá, jak potřeba Tuhost dodají žebra namísto zesílených stěn Rádiusy Vyhýbej se rovným plochám Vyhýbej se zářezům Šetři s přísnou tolerancí Navrhuj součástky jako multifunkční Užívej úsporné montážní postupy Vstřikové otvory do nejtlustší stěny

23 Principy správného návrhu

24 Principy správného návrhu

25 Principy zpracování Design = žebra

26 Principy správného návrhu

27 Principy správného návrhu

28 Využití polymerů

29 Polyetylén o nízké hustotě (LDPE) Délka řetězce: igelit Chemicky odolný El. Izolátor Variabilní pevnost Měkké lahve, formy na led, obaly

30 Polyetylén o vysoké hustotě(hdpe) Délka řetězce: 10, ,000

31 Polyetylén s ultradlouhými řetězci (UHMWPE) Délka řetězce: 2-6 million Kloubní náhrady Přilba převody

32 PVC (polyvinyl chlorid) Délka řetězce: 4,000 5,000 Levné, Tuhé ale lze změkčit Tepelné deformace Podlahy El. Izolace hadice Polárnější silnější vazebné síly

33 Polyetylén Tereftalát (PET) - Polyester Délka řetězce: 4,000 8,000 Ester

34 Polystyrén Elektrická izolace Optická čistota Levné Hračky Rámy, kryty svítidel

35 Polypropylén Odolné proti tepelnému působení Chemicky odolný Citlivé na UV Sterilní lékařské výrobky Zavazadla Konstrukční části Fleece vlákna kontaminace řek

36 PTFE - polytetraflóretylén Chemicky odolný Výborná elektroizolace Nízký koeficient tření Těsnění Ložiska, kluzné povrchy Vysokoteplotní elektrické součástky a izolace Gore-Tex 30nm póry teflon

37 Nylon polyamid 66 Vysoká pevnost Odolnost abrazi Ložiska rukojeti Vlákna

38 Aramid - Kevlar Silná síť kovalentních vazeb a Polárních vodíkových můstků

39 Bavlna Celulóza je nejrozšířenější polymer na Zemi Je základem dřeva a papíru Celuloid (CA) Dlouhá vlákna celulózy + vodíkové můstky

40 Příklady

41 Biodegradace - PLA

42 Příklady Spacer textílie

43 Příklady

44 Polymerization Reactions: Initial compound used to form polymer is the mer or monomer which are chemically joined together in one of two ways: Addition polymerization molecules physically link to each other Condensation polymerization new molecule formed by chemical reaction

45 Amorphous Thermoplastics Extensive chain branching All thermosets are amorphous Exhibit glass tranistion temperatures Tg Below Tg, polymer acts stiff and rigid Above Tg, polymer acts soft and rubbery Melt or liquify over extended temperature range near Tg. Don t have distinct Tm like crystalline polymers. Thermosetting polymers do not melt but degrade above Tg

46 Crystalline (actually usually semicrystalline) Atomic bonds regular and repeated Have a defined melting point Tm Can contain some degree of amorphous polymer Usually translucent to opaque

47 Crystalline vs. Amorphous viscosity Specific volume

48 Controlling the Strength of Thermoplastics Plastic deformation in thermoplastics is due to the rotation and sliding of chains over each other. To increase the strength of a thermoplastic, we have to make it harder for the chains to move. There are essentially three ways that we can control this: 1. Alter the length of the chains 2. Change the strength of the bonds within the chains 3. Change the strength of the bonds between the chains

49 Introduction to Viscoelasticity All viscous liquids deform continuously under the influence of an applied stress They exhibit viscous behavior. Solids deform under an applied stress, but soon reach a position of equilibrium, in which further deformation ceases. If the stress is removed they recover their original shape They exhibit elastic behavior. Viscoelastic materials can exhibit both viscosity and elasticity, depending on the conditions. Viscous fluid Viscoelastic fluid Viscoelastic solid Elastic solid Polymers display VISCOELASTIC properties

50 Introduction to Viscoelasticity The response of polymeric liquids, such as melts and solutions, to an imposed stress may under certain conditions resemble the behavior of a solid or a liquid, depending on the situation. Reiner used the biblical expression that mountains flowed in front of God to define the DEBORAH number De De characteristic material time time scale of the deformation C t S Solid-like response: Liquid-like response: De De 0

51 Viscous (Liquid-like) Response A material is purely viscous (or inelastic) if following any flow or deformation history, the stresses in the material become instantaneously zero, as soon as the flow is stopped; or the deformation rate becomes instantaneously zero when the stresses are set equal to zero. Upon imposing a step input in strain, the stresses relax as soon as the strain is constant. The liquid behavior can be simply represented by the Newtonian model. We can represent the Newtonian behavior by using a dashpot mechanical analog:

52 Viscous (Liquid-like) Response Stress Relaxation experiment (suddenly applying a strain to the sample and following the stress as a function of time as the strain is held constant). o (strain) o 0 const (stress) t o =0 time time Creep Experiment (a constant stress is instantaneously applied to the material and the resulting strain is followed as a function of time) (stress) o t o =0 t s time (strain) t o =0 slope t o =0 t s d dt o o t time s

53 Elastic (Solid-like) Response A material is perfectly elastic, if the equilibrium shape is attained instantaneously when a stress is applied. Upon imposing a step input in strain, the stresses do not relax. The simplest elastic solid model is the Hookean model, which we can represent by the spring mechanical analog. G

54 Elastic (Solid-like) Response Stress Relaxation experiment o (stress) (strain) t o =0 Creep Experiment time t o =0 time (stress) (strain) o o /G t o =0 t s time t o =0 t s time

55 Viscoelastic Response Maxwell Element A viscoelastic material (liquid or solid) will not respond instantaneously when stresses are applied, or the stresses will not respond instantaneously to any imposed deformation. Upon imposing a step input in strain the viscoelastic liquid or solid will show stress relaxation over a significant time. At least two components are needed, one to characterize elastic and the other viscous behavior. One such model is the Maxwell model: (t, ) G(t, ) G(t,) = relaxation modulus. If G = G(t) only, then we have linear viscoelastic behavior

56 Viscoelastic Response Let s try to deform the Maxwell element

57 Maxwell Model Response The deformation rate of the Maxwell model is equal to the sum of the individual deformation rates: fluid G G solid (1) /G is called the relaxation time

58 Maxwell Model Response 1) Stress Relaxation Experiment: If the mechanical model is suddenly extended to a position and held there ( o =const., =0), from (1):. (t) o e t / Exponential decay Also recall the definition of the relaxation modulus: (t) ( G o o e t / and G(t) G o e t / G(t) (t) o o (strain) (stress) t / G o o ( (t) G o e o t o =0 t o =0 time time

59 Maxwell Model Response 2) Creep Experiment: If a sudden stress is imposed, an instantaneous stretching of the spring will occur, followed by an extension of the dashpot. Deformation after removal of the stress is known as creep recovery: t) o G ( o J(t) (stress) 1 G t o =0 t t o o /G Or by defining the creep compliance : t s time t o =0. slope o t s J(t) Elastic Recovery o /G o t time s (t) o Permanent Set

60 Maxwell Model Response The Maxwell model can describe successfully the phenomena of elastic strain, creep recovery, permanent set and stress relaxation observed with real materials Moreover the model exhibits relaxation of stresses after a step strain deformation and continuous deformation as long as the stress is maintained. These are characteristics of liquid-like behaviour Therefore the Maxwell element represents a VISCOELASTIC FLUID.

61 Viscoelastic Reponse Voigt-Kelvin Element The Voigt-Kelvin element consists of a spring and a dashpot connected in parallel. spring spring G dashpot dashpot

62 Voigt-Kelvin Model Response Creep Experiment ( o =const.):. (t) o G (1 e t / ) J(t) 1 G (1 e t / or ) If the stress is removed after equilibrium has been reached (creep recovery): (t) (stress) G o t / e Exponential decay o /G J(t) 1 G (1 e t / ) (t) G o t / e o slope o t o =0 t s time t o =0 time t s

63 Voigt-Kelvin Model Response The Voigt-Kelvin element does not continue to deform as long as stress is applied, rather it reaches an equilibrium deformation. It does not exhibit any permanent set. These resemble the response of cross-linked rubbers and are characteristics of solid-like behaviour Therefore the Voigt-Kelvin element represents a VISCOELASTIC SOLID. The Voigt-Kelvin element cannot describe stress relaxation. Both Maxwell and Voigt-Kelvin elements can provide only a qualitative description of the response Various other spring/dashpot combinations have been proposed.