Termické chování polymerů

Podobné dokumenty
Struktura polymerů. Příprava (výroba).struktura vlastnosti. Materiálové inženýrství (Nauka o materiálu) Základní představy: přírodní vs.

VLASTNOSTI VLÁKEN. 3. Tepelné vlastnosti vláken

Amorfní a krystalické polymery, termické analýzy DSC, TGA,TMA

Podstata plastů [1] Polymery

Vlastnosti polymerů určeny jejich fyzikální a chemickou strukturou

2 VLIV STRUKTURY NA VLASTNOSTI A ZPRACOVATELNOST PLASTŮ

Polymery lze rozdělit podle několika kritérií. Podle původu rozlišujeme polymery přírodní a syntetické. Přírodní polymery jsou:

charakterizaci polymerů,, kopolymerů

Základem molekulové fyziky je kinetická teorie látek. Vychází ze tří pouček:

2 Stanovení teploty tání semikrystalických polymerů v práškové formě

Nauka o materiálu. Přednáška č.13 Polymery

kopolymerace kopolymery

Přírodní proteiny, nukleové kyseliny (NA)

6. Viskoelasticita materiálů

Polymerní materiály 1

MATERIÁLOVÁ PROBLEMATIKA PŘI SEPARACI PLYNŮ A PAR

Plasty. Základy materiálového inženýrství. Katedra materiálu Strojní fakulty Technická univerzita v Liberci Doc. Ing. Karel Daďourek, 2010

Přírodní proteiny, nukleové kyseliny (NA)

Polymery struktura. Vlastnosti polymerů určeny jejich fyzikální a chemickou strukturou

Skupenské stavy látek. Mezimolekulární síly

KONSTITUČNÍ VZTAHY. 1. Tahová zkouška

POLYMERY PRINCIPY, STRUKTURA, VLASTNOSTI. Doc. ing. Jaromír LEDERER, CSc.

Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.3 Pevnost krystalických materiálů

Matrice. Inženýrský pohled. Josef Křena Letov letecká výroba, s.r.o. Praha 9

LOGO. Struktura a vlastnosti pevných látek

ZÁKLADY REOLOGIE. Reologie - nauka o tokových a deformačních vlastnostech makromolekulárních

Termodynamika materiálů. Vztahy a přeměny různých druhů energie při termodynamických dějích podmínky nutné pro uskutečnění fázových přeměn

Ţijeme v době plastové

Polymery a plasty v praxi POLYSTYREN & KOPOLYMERY STYRÉMU

2 MECHANICKÉ VLASTNOSTI SKLA

Kompozity s termoplastovou matricí

4 Stanovení krystalického podílu semikrystalických polymerů z hustotních měření

1. Fázové rozhraní 1-1

Polymery struktura. Vlastnosti polymerů určeny jejich fyzikální a chemickou strukturou

Tepelná vodivost. střední rychlost. T 1 > T 2 z. teplo přenesené za čas dt: T 1 T 2. tepelný tok střední volná dráha. součinitel tepelné vodivosti

18MTY 1. Ing. Jaroslav Valach, Ph.D.

Kapitola 3.6 Charakterizace keramiky a skla POVRCHOVÉ VLASTNOSTI. Jaroslav Krucký, PMB 22

Experimentální metody

Vlastnosti kapalin. Povrchová vrstva kapaliny

8 Elasticita kaučukových sítí

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

4 Viskoelasticita polymerů II - creep

Struktura a vlastnosti kovů I.

Nauka o materiálu. Přednáška č.3 Pevnost krystalických materiálů

Mol. fyz. a termodynamika

Výroba tablet. Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob. Lisování tablet. POMOCNÉ LÁTKY (kluzné látky, rozvolňovadla) LÉČIVÉ LÁTKY

3. Termická analýza. Příprava předmětu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253

Experimentální zjišťování charakteristik kompozitových materiálů a dílů

Primární (kovalentní) Sekundární (stereochemická Terciální (konformační) Kvartérní (nadmolekulární)

Polymery a plasty v praxi POLYSTYREN & KOPOLYMERY STYRÉMU

Křehké materiály. Technická univerzita v Liberci Nekovové materiály, 5. MI Doc. Ing. Karel Daďourek, 2008

3. Vlastnosti skla za normální teploty (mechanické, tepelné, optické, chemické, elektrické).

Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích. Institute of Technology And Business In České Budějovice

Fyzika - Sexta, 2. ročník

Makromolekulární látky

18MTY 9. přenáška polymery 2

TECHNOLOGIE VSTŘIKOVÁNÍ

Některé základní pojmy

C5060 Metody chemického výzkumu

Výroba tablet. Lisovací nástroje. Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob. Lisování tablet. Horní trn (razidlo) Lisovací matrice (forma, lisovnice)

STRUKTURA A VLASTNOSTI PEVNÝCH LÁTEK

Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.9 Plasticita a creep

TERMOMECHANICKÉ VLASTNOSTI

Termická analýza Excellence

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. úloha č. XXII. Název: Diferenční skenovací kalorimetrie

Pružnost. Pružné deformace (pružiny, podložky) Tuhost systému (nežádoucí průhyb) Kmitání systému (vlastní frekvence)

Základní požadavky: mechanické a fyzikální vlastnosti materiálu

PŘEDMLUVA 3 1 ÚVOD 23 2 MATERIÁLY 25

12. Struktura a vlastnosti pevných látek

tuhost, elasticita, tvrdost, relaxace a creep, únava materiálu, reologické modely, zátěž a namáhání

Vlastnosti a zkoušení materiálu. Přednáška č.13 Část 1: Polymery

Netkané textilie. Materiály

Polymery: minimum, které bychom si měli pamatovat. Lukáš Horný

Výroba tablet. Fáze lisování. Lisovací nástroje. Typy tabletovacích lisů. Inženýrství chemicko-farmaceutických výrob

přechodná forma ] n práškový polyetylen CH 2

Speciální analytické metody pro léčiva

Sklářské a bižuterní materiály 2005/06

Metody termické analýzy. 3. Termické metody všeobecně. Uspořádání experimentů.

Výroba polotovarů z plastů

Celosvětová produkce plastů

Mechanika kontinua. Mechanika elastických těles Mechanika kapalin

2 TVAROVÁNÍ TEXTILNÍCH MATERIÁLŮ

MAKROMOLEKULÁRNÍ CHEMIE

Okruhy otázek ke SZZ navazujícího magisterského studijního programu Strojní inženýrství, obor Konstrukce a výroba součástí z plastů a kompozitů

PLASTY A SYNTETICKÁ VLÁKNA

Polymerační způsoby. Bloková polymerace: monomer + iniciátor (0,1%) + (event. regulátor)

Využití metod DMA pro studium polymerních materiálů. Jitka Babíková

Plasty. Klasifikace polymerů. Kopolymery. Polymerace. Základní typy reakcí vedoucí ke vzniku polymerů. polyadice

autor testu, obrázky: Mgr. Radovan Sloup 1. Vyřeš osmisměrku: (škrtat můžeš vodorovně, svisle nebo úhlopříčně v libovolném směru)

nomenklatura Procesní názvy Strukturní názvy

VY_32_INOVACE_CHK4_5460 ŠAL

SYNPO, akciová společnost Oddělení hodnocení a zkoušení S. K. Neumanna 1316, Pardubice Zelené Předměstí

".~'M'iEíUVA, ". ŠŇUPÁREK

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

Studium mechanických vlastností polymerů metodami destruktivního a nedestruktivního testování. Pavel Koseček

POSLEDNÍ SMĚRY VE VÝVOJI TERMOPLASTICKÝCH ELASTOMERU

Titanic Costa Concordia

APLIKACE MIKROTVRDOSTI K HODNOCENÍ KVALITY PLASTOVÝCH DÍLŮ. vliv expozice v tenzoaktivním prostředí motorových paliv a geometrie dílu

Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

UČIVO. Termodynamická teplota. První termodynamický zákon Přenos vnitřní energie

Transkript:

Termické chování polymerů 1

amorfní a semikrystalické polymery Semikrystalické polymery krystalická fáze je rozptýlena ve fázi amorfní (dvoufázový systém). Kryst. fáze těsnější uložení makromolekul roste hustota (měřítko stupně krystalinity)

Srovnání amorfních a semikrystalických polymerů Makromolekuly jsou v krystalické fázi více uspořádané než ve fázi amorfní. S obsahem krystalické fáze v polymeru se mění vlastnosti: - zvyšuje hustota - mění se mechanické vlastnosti (zvyšuje pevnost, tuhost) - snižuje rozpustnost - Optické vlastnosti (PS) (zhoršuje transparentnost, přísady) - výrazně se mění termické chování Termické chování polymerů

Termické chování nízkomolekulárních látek Energy vs. temperature - low molecular weight compounds

Termické chování polymerů Energy vs. temperature - (amorphous) polymers (no gaseous state - WHY?)

Termické chování amorfních polymerů Stavy amorfního polymeru v závislosti na teplotě určeno ch. strukturou Teplota skelného přechodu Teplota tečení Sklovitý stav T g Viskoelastický stav T f Plastický stav T Sklo Kaučuk (zesíťovaný) Kapalina (tavenina) roomt - sklovitý (PET, PS, plexi) (Tg-120 C) kaučukovitý (cis-1,4-polybutadien, cis-1,4- polyisopren) (Tg kap. N 2 )

T Termické chování amorfních polymerů Druhy tepelného pohybu v amorfních polymerech: - Vzájemný pohyb celých makromolekul (translační pohyb) tok materiálu (makromolekuly po sobě klouzají) - Pohyby segmentů makromolekul - elesticita (dovoluje částečné rozbalování makromolekuly, ohyb částí) - Pohyb atomů v hlavním a vedlejším řetězci - Rovnovážné vibrace atomů Teplota skelného přechodu Teplota tečení Sklovitý stav T g Viskoelastický stav T f Plastický stav

T Termické vlastnosti Pohyby segmentů makromolekul Teorie volného objemu Každý segment makromolekuly zaujímá určitý prostor = vyloučený objem Mezi segmenty makromolekuly je prostor, v němž atomy segmentu vibrují kolem svých rovnovážných poloh = volný objem Zvyšování teploty vede k zvýšení vibrací atomů a tím k zvyšování volného objemu. Teplota, při níž je dosaženo takového volného objemu, že může dojít k pohybu segmentu a zároveň teplota, při které tepelný pohyb překoná mezimolekulární interakce = teplota skelného přechodu T g Teplota skelného přechodu Sklovitý stav T g Viskoelastický stav

Teorie volného objemu Teplota, při níž je dosaženo takového volného objemu, že může dojít k pohybu segmentu a zároveň teplota, při které tepelný pohyb překoná mezimolekulární interakce = T g není spojeno s fázovým přechodem změna vlastností: specifického objemu, specifické tepelné kapacity, indexu lomu, dielektrické konstanty i jeho mechanických vlastností (modulu pružnosti) stanovení Tg závisí na provedení metody (rychlost ohřevu) Teplota skelného přechodu Sklovitý stav T g Viskoelastický stav rychlé pomalé ochlazení T

Specific volume vs. temperature A liquid region, B viscous liquid with some elastic response, C rubbery region, D - glassy region, E crystalites in a rubbery matrix, F crystallites in a glassy matrix

Pohyby segmentů makromolekul Teorie volného objemu Teplota skelného přechodu T g tedy závisí na: o Velikosti volného objemu - ohebnost makromolekuly, možnost rotace kolem vazeb - velikost postranních substituentů (malé, symetrické rozmístění) o Mezimolekulárních interakcích o Molární hmotnosti (délka segmentu) o Přítomnosti nízkomolekulárních látek (rozpouštědla, změkčovadla)

Faktory ovlivňující Tg 1) Ohebnost řetězců (Tg ) versus Přitažlivé síly mezi řetězci (Tg ) Tg(C) Polyethylene - 120 Polypropylene - 20 Polybutadiene - 90 Polyethylene oxide - 52 Polystyrene + 100 PA 6 + 47-65 PET + 70 aramides + 250-400

2) Vzdálenost mezi řetězci MM elikost postranních skupin (PROČ?) Př: methakryláty R Tg(C) methyl 105 ethyl 65 n-propyl 35 n-butyl 21 n-hexyl -5 n-octyl -20 n-dodecyl -65 Faktory ovlivňující Tg

Faktory ovlivňující Tg Crosslinking Copolymerization Branching Plasticization Crystalinity Molecular weight

Polymer Tg ( C) Polyethylen - 80 polypropylen - 18 cis-1,4-polyisopren - 73 poly(dimethylsiloxan) - 123 poly(tetrafluorethylen) - 113 polyisobutylen - 70 poly(-kaprolaktam) + 50 poly(methylmethakrylát) + 105 poly(vinylchlorid) + 83 polyakrylonitril + 104 poly(vinylacetát) + 29 poly(vinylalkohol) + 85

Seřaď následující polymery podle vzrůstající T g. Polyethylentereftalát cis-1,4-polybutadien polystyren = +67 C = -114 C = +100 C

Viskoelastický (kaučukovitý) stav Působením napětí na polymer v kaučukovitém stavu je vyvolána deformace, která má dvě složky: - vratná (elastická)-působením síly dochází k vzájemnému pohybu segmentů v rámci jednoho polymerního klubka, po uvolnění se segmenty vrací do původního stavu (není posun celých makromolekul) - nevratná (viskózní tok) - působením síly dochází k částečnému pohybu makromolekul vůči sobě (toku uvolnění zapletenin) (trvalá zbytková def. - creep) Teplota skelného přechodu Teplota tečení Sklovitý stav T g Viskoelastický stav T f Plastický stav T

Kaučukovitá elasticita polymerů o Mimořádně velká vratná (elastická) DEFORMACEpůsobením síly dochází k vzájemnému pohybu segmentů v rámci jednoho polymerního klubka, po uvolnění se segmenty vrací do původního stavu - Zvýšení zastoupení elastické složky je dosaženo zesíťováním lineárních řetězců. (hustota síťování) o Modul pružnosti E (MPa) elastické materiály nízké hodnoty o Amorfní polymery, vysoká M o Ovlivněna faktory, které OMEZUJÍ pohyb segmentů (silné interakce, velké substituenty) σ E [Pa] = (napětí v tahu, tlaku) ε (deformace) Kaučuky- 1MPa, plasty 10 3 MPa, vlákna 10 4 MPa, kovy 10 5 MPa. řídce sesíťované lineární uhlovodíky (nekrystalizující)

Deformation of solid polymers (MPa) A- Brittle polymer(fragile) B- Crystalinic plastic polymer (ductile, tough) C- Rubbery polymer (elastic up to 800 % deformation)

T Druhy tepelného pohybu v amorfních polymerech: - Vzájemný pohyb celých makromolekul (translační pohyb)(makromolekuly po sobě klouzají) - Pohyby segmentů makromolekul (dovoluje částečné rozbalování makromolekuly) - Pohyb atomů v hlavním a vedlejším řetězci - Rovnovážné vibrace atomů (pohyb segmentů, při vysokých P makromolekuly zahákovány ) Tf plastický stav (zpracování polymerů, nevratné deformace) Teplota skelného přechodu Teplota tečení Sklovitý stav T g Viskoelastický stav T f Plastický stav

- uvolnění všech nevazebných interakcí - Makro-Brownův pohyb: makromolekuly jsou vzájemně vůči sobě pohyblivé jako celek - polymer přechází ze stavu viskoelastického do plastického - fázový přechod - nad T f všechny deformace nevratné - převedení polymeru do plastického stavu- zásadní pro zpracování (vytlačování, vstřikování, válcování, lisování) Teplota skelného přechodu Teplota tečení Sklovitý stav T g Viskoelastický stav T f Plastický stav T

Initial modulus of a polymer vs. temperature 1 - Amorphous linear polymer 2 - Amorphous slightly crosslinked polymer 3 - Semicrystalinic linear polymer

Tepelné chování krystalické fáze polymeru

Termické chování semikrystalických polymerů Teplota skelného přechodu Teplota tečení Sklovitý stav T g Viskoelastický stav T f Plastický stav T T m T m Teplota tání 100% krystalický Tm (krystalický stav fixované pozice X tekutina) neexistuje, uplatňuje se u krystalického podílu

Termické chování semikrystalických polymerů Teplota skelného přechodu Teplota tání Teplota tečení Sklovitý stav T g Fyz. zesítěný kaučuk T m Viskoelastický stav T Plastický f stav T T f <T m houževnatý polymer přechází při T m do plastického stavu T f >T m polymer je mezi T f a T m v kaučukovitém stavu

Termické chování semikrystalických polymerů fyzikálně zesítěný kaučuk teplotní závislost modulu pružnosti semikrystalického polymeru

27

Faktory ovlivňující Tm 1) Typy a vzdálenost polárních skupin -CO-NH- > -CO-O- (>> -CH2-CH2-) Tm (C) Polycaprolactone 61 Polycaprolactame (PA6) 215 PA12 179 Polyethyleneterephtalate 256 Polybutyleneterephtalate 223

Faktory ovlivňující Tm Faktory ovlivňující Tm 2) Ohebnost řetězce rigidní řetězec vyšší Tm (melting point) Tm(C) Polypropylene (isotactic) 135 Polypropylene 165 Polyethylene oxide 66 Polystyrene (isotactic) 240

Faktory ovlivňující Tm 3) Copolymerization of monomers with different volume (affecting distance between polar groups) Molar ratio of monomer 2 Tm of copolymer of monomers with similar volume ( ) and different volume ( )

T m je tím vyšší, čím nenší je změna entropie (S m ) při fázové přeměně (omezené možnosti způsobu uspořádání molekul ohebnost, interakce) 31

Experimentální stanovení T g Termogravimetrická analýza (TG) Diferenční termická analýza (DTA) Diferenční skenovací kalorimetrie (DSC)

Diferenční termická analýza (DTA) měření teplot mezi dvěma vzorky studovaným - Ts a referenčním - Tr, který je v měřeném intervalu inertní, oba vzorky musí být zahřívané stejným způsobem Teplotní rozdíl se zaznamenává graficky jako teplotní resp. časová závislost a nazývá se křivkou přímého ohřevu Na počátku jsou teploty Ts a Tr stejné, při ohřevu dochází ke vzniku rozdílu ΔT = Ts - Tr

křivka přímého ohřevu Diferenční termická analýza křivka DTA: 1- endotermní děj 2- exotermní děj

Diferenční skenovací kalorimetrie (DSC) udržení stejné teploty studovaného a referenčního vzorku, které jsou zahřívány současně vedle sebe. Udržení nulového teplotního rozdílu se dosahuje buď dodáním energie do vzorku (pokud v něm probíhá endotermní děj) nebo do referenční látky (ve vzorku probíhá exotermní děj) Přesnost měření je oproti DTA vyšší

Diferenční skenovací kalorimetrie (DSC) Příklad DSC křivky a určení charakteristických teplot Typická DSC křivka organického polymeru

DSC křivka semikrystalického PCL

DSC křivka semikrystalického PCL vyhodnocení 1.a 2. ohřev 38

DSC křivka amorfního kopolymeru PLCL

Teplota skelného přechodu T g tedy závisí na: Velikosti volného objemu - ohebnost makromolekuly, možnost rotace kolem vazeb - velikost postranních substituentů Mezimolekulárních interakcích Molární hmotnosti Seřaď následující polymery podle vzrůstající T g. Poly(vinylchlorid) Poly(ethylen) Poly(methylmethakrylát)

Může sklo téct? Ano, ale trvá to nějaký ten čas. 10 32 let. Zanotto, E.D. 1998. Do cathedral glasses flow? American Journal of Physics 66(May):392.