Mekaniske egenskaper
• spenning-tøyning av polymerer
brittle polymer
FS of polymer ca. 10% that of metals
plastic
elastomer
elastic modulus
– less than metal
Tøyning – deformation > 1000%
(for metaller, maksimum ca. 10%)
Adapted from Fig. 15.1,
Callister 7e.
Egenskaper sterkt
temperaturberoende
Partielt krystallin polymer – ulike
stadier av deformasjon
Strekkegenskaper: sprøtt eller plastiskt
Near Failure
(MPa)
fibrillar
structure
x brittle failure
onset of
necking
near
failure
plastic failure
x
Initial
unload/reload
e
aligned, networked
crosscase
linked
case
crystalline
regions
slide
semicrystalline
case
amorphous
regions
elongate
crystalline
regions align
Stress-strain curves adapted from Fig. 15.1, Callister 7e. Inset figures along plastic response curve adapted from
Figs. 15.12 & 15.13, Callister 7e. (Figs. 15.12 & 15.13 are from J.M. Schultz, Polymer Materials Science, PrenticeHall, Inc., 1974, pp. 500-501.)
4
Viskoelastisk deformasjon
Last - tid
Helt elastisk
Viskoelastisk
Viskøs
Smeltning vs. Glassomvandlingstemperatur.
Tm and Tg
•
•
Både Tm ogTg øker med
kjedenes stivhet
Kjedenes stivhet øker med
1. Store sidegrupper
2. Polære grupper
3. Dobbeltbindinger og
aromatiske grupper
Tm og Tg øker med økende
molekylvekt
Adapted from Fig. 15.18,
Callister 7e.
6
Tidsberoende Deformasjon
• Spenningsrelaksajonon
-- tøy til eo og hold.
-- mål minking i
spenning over tid.
5
10
rigid solid
(small relax)
Er (10s) 3
in MPa 10
transition
region
10
strain
10-1
(t)
10-3 (large relax)
time
• Relaksasjonsmodul:
s(t )
E r (t ) =
eo
for T > Tg.
1
tensile test
eo
Data: Large drop in Er
viscous liquid
(amorphous
polystyrene)
Adapted from Fig.
15.7, Callister 7e.
(Fig. 15.7 is from
A.V. Tobolsky,
Properties and
Structures of
Polymers, John
Wiley and Sons, Inc.,
1960.)
60 100 140 180 T(°C)
Tg
• Sample Tg(C) values:
PE (low density)
PE (high density)
PVC
PS
PC
- 110
- 90
+ 87
+100
+150
Selected values from
Table 15.2, Callister
7e.
7
Relaksasjonsmodul
Krystallin
Tverrbundet
Amorf
Brudd i polymerer
Crazing, rissdannelse
– sfærulitter deformeres plastisk til fibrøs struktur
– mikroporer og fibrøse broer
alligned chains
fibrillar bridges
microvoids
crack
Adapted from Fig. 15.9,
Callister 7e.
9
Fordeformasjon gjennom strekking
• Strekking…(ex: fiskesnøre)
-- strekker polymeren før bruk
-- retter inn kjedene
• Resultat av strekking:
-- økning av E-modulus i strekrettningen
-- økning av bruddspenningen i
strekktrettningen – minker duktiliten
• Varmebehandling etter strekking ...
-- minker rettning av kjeder
-- reverserer effekt av strekking.
Adapted from Fig. 15.13, Callister
7e. (Fig. 15.13 is from J.M.
Schultz, Polymer Materials
Science, Prentice-Hall, Inc.,
1974, pp. 500-501.)
10
Strekk: Elastomerer
(MPa)
x brittle failure
x
plastic failure
x
elastomer
e
initial: amorphous chains are
kinked, cross-linked.
:
final: chains
are straight,
still
cross-linked
Stress-strain curves
adapted from Fig. 15.1,
Callister 7e. Inset
figures along elastomer
curve (green) adapted
from Fig. 15.15, Callister
7e. (Fig. 15.15 is from
Z.D. Jastrzebski, The
Nature and Properties of
Engineering Materials,
3rd ed., John Wiley and
Sons, 1987.)
Deformation
is reversible!
-- sprøtt brudd (retter kjeder, kryssbundet & netverkspolymerer)
-- plastisk oppførsel (delvis krystalline polymerer)
11
Vulkanisering av gummi
Tilsetning av Sholdig stoff.
Øker kryssbinding
Øker stivhet og
styrke
Thermoplaster vs. Herdplaster
• Termoplaster
-- lite kryssbinding
-- duktile
-- myker opp v/oppvarming
-- polyethylen
polypropylen
polykarbonat
polystyren
• Herdplaser:
-- mye cryssbinding
(10 to 50% of monomerer)
-- hard og sprø
-- myker ikke opp v/oppvarming
-- vulkanisert gummi, epoxy,
polyester, phenolharpix
13
T : Termoplaster
• Senking av T...
-- øker E
-- øker TS
-- minker %EL
(MPa)
80 4°C
Data for the
semicrystalline
polymer: PMMA
20°C (Plexiglas)
60
• Økning av tøynings- 40
hasighet...
-- densamme effekten 20
40°C
som minking av T.
0
60°C
0
0.1
0.2
e
to 1.3
0.3
Adapted from Fig. 15.3, Callister 7e. (Fig. 15.3 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.)
14
Polymertyper: Elastomerer
Elastomerer – gummi – normalt kryssbundet
– Naturgummi, kryssbundet
– Syntetgummi & termoplastiske elastomerer
styrene
butadiene
– Silicongummi
15
Polymertyper: fibrer
Fibrer - lengde/diameter >100
• Bruk f eks i tekstil
– Høy strekkholdfasthet
– Normalt høy krystallinitet & polaitet
• Lages vha spinning
– ex: presse polymer gjennom dyse
– Trekking gir rettet kjeder /fibrøs struktur – høy styrke
16
Polymertyper
•
•
Belegg – tynne overflatefilmer – i.e. maling, lakk
– Beskyttelse
– Forbedre utseende
– Elektrisk isolasjon
Lim
•
Film/folie
•
Skum – gassbobbler I plast
17
Avanserte polymerer
• Ultrahigh molecular weight
polyethylene (UHMWPE)
– Molekylvekt
ca. 4 x 106 g/mol
– Gode egenskaper
•
•
•
•
Høy seighet
Slitagemotstand
Lav friksjon
Kjemisk resistent
UHMWPE
Adapted from chapteropening photograph,
Chapter 22, Callister 7e.
18
Addisjon- (kjede) polymerisering
– Initiering
– Propagering
–Avsluttning
19
Kondensasjonpolymerisering
Polyetylentereftalat, PET
20
Tilsetningsstoffer
Forbedre mekaniske egenskaper, processerbarhet,
holdbarhet, etc.
• Fyllstoff
– Øker styrke, slitbarhet, seighet & minker kostnad
– ex: carbon black, silica gel, wood, glass, kalk,
talk, etc.
• Plastifiseringsmiddler
– Reduserer glassomvandlingstemperaturen, Tg
– normalt tilsatt PVC – forbedrer duktilitet
21
Tilsetningsstoffer
• Stabiliserere, Antioksidanter
– Beskyttere mot UV
• Smøremidler
– lettere prosessering
– Na stearat
• Farvestoffer
– Farge eller pigment
• Flammestoppere
– Cl/F & B
22
Processering av Plaster
• Termoplast –
– Kan kjøles og varmes reversibelt & resirkuleres
– Varm til myk – forme –kjøl
– ex: polyethylen, polypropylen, polystyren, etc.
• Herdplast
– Daner nettverk ved oppvarming
– Ødelegges ved oppvarming
– må formes før polymerisering
– ex: uretan, epoxy
23
Procesering Plast - Støping
• Transferpresstøping
– Thermoplast eller herdplast
Adapted from Fig. 15.23,
Callister 7e. (Fig. 15.23 is from
F.W. Billmeyer, Jr., Textbook of
Polymer Science, 3rd ed.,
John Wiley & Sons, 1984. )
24
Prosessering Plast - Støping
• Sprøytestøping
– termoplast & noen herdplast
Adapted from Fig. 15.24,
Callister 7e. (Fig. 15.24 is from
F.W. Billmeyer, Jr., Textbook of
Polymer Science, 2nd edition,
John Wiley & Sons, 1971. )
25
Prosessering – Ekstrusjon
Adapted from Fig. 15.25,
Callister 7e. (Fig. 15.25 is from
Encyclopædia Britannica, 1997.)
26
Plastfilm/folie
Adapted from Fig. 15.26, Callister 7e.
(Fig. 15.26 is from Encyclopædia
Britannica, 1997.)
27