ΔΟΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ (ΠΛΑΣΤΙΚΆ)

Transcript

1 ΔΟΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ (ΠΛΑΣΤΙΚΆ) 1 πολυμερή=πολλά μέρη (οργανικά) C C C C C C Polyethylene (PE) C C C C C C Cl Cl Cl Poly(vinyl chloride) (PVC) C C C C C C C 3 C 3 C 3 Polypropylene (PP) τα πολυμερή repeatανάλογα με τη repeat μορφή στην οποία διατίθενται repeat προς unit unit unit επεξεργασία, διακρίνονται σε: 1. Συνθετικές ρητίνες, που μπορεί να είναι σε υγρή ή τηκόμενη στερεή μορφή και 2. Μάζα μορφώσεως, που συνήθως έχει στερεή μορφή (π.χ. κόκκοι, ίνες) που μορφοποιείται υπό θέρμανση και πίεση σε μηχανές επεξεργασίας

2 Συνθετικές ρητίνες χαρακτηρίζονται τα πολυμερή χαμηλού μοριακού βάρους, ενδιάμεσα προϊόντα ή πρώτες ύλες από μακρομοριακές ενώσεις, που βρίσκονται στην υγρή κατάσταση ή είναι διαλυτά ή τηκόμενα στερεά και που λαμβάνουν την απαιτούμενη αντοχή για τις συγκεκριμένες εφαρμογές μόνο κατόπιν της κατάλληλης επεξεργασίας τους Μάζα μορφώσεως είναι η πρώτη ύλη για την παραγωγή των τελικών εμπορικών προϊόντων του πολυμερούς με μορφοποίηση υπό θέρμανση και πίεση. Η μάζα μορφώσεως τροφοδοτεί τις μηχανές επεξεργασίας των πολυμερών, όπου παίρνουν την επιθυμητή τελική τους μορφή 3 Φυσικά (και συγχρόνως αρχαία) πολυµερή Ξύλο καουτσούκ Βαµβάκι µαλλί δέρµα µετάξι Η παλιότερα γνωστή χρήση Μπάλες καουτσούκ από χρησιµοποιούσαν οι Ινκας οµικά Υλικά- Πολυµερή- 4 2

3 Σύγχρονα πολυµερή Προϊόντα πετρελαίου µέσω Πολυµερισµού Πολυσυµπύκνωσης Πολυπροσθήκης οµικά Υλικά- Πολυµερή- 5 Πλεονεκτήματα Μικρό βάρος, Υψηλός λόγος αντοχής/βάρους Σχετικά χαμηλότερο κόστος Ανθεκτικά σε διάβρωση Χαμηλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα Μόνωση Χυτεύονται σε καλούπια Ποικιλία χρωμάτων και διαφάνειας Ελάχιστη υδατοαπορροφητικότητα Ελάχιστο πορώδες Μειονεκτήματα Μικρή θερμοκρασιακή κλίμακα λειτουργίας Μειωμένη σταθερότητα διαστάσεων με το χρόνο Επίδραση του χρόνου, σκλήρυνση και αύξηση ψαθυρότητας Επηρεάζονται από τις συνθήκες περιβάλλοντος Επηρεάζονται από την υπεριώδη ακτινοβολία 6 3

4 Πολυµερισµός 1/3 (πρώτη ύλη κυρίως υδρογονάνθρακες) R + C C R C C µεθάνιο Ελεύθερη ρίζα Μονοµερές αιθυλένιο R C C + C C R C C C C Πολυµερές πολυαιθυλένιο οµικά Υλικά- Πολυµερή- 7 Πολυμερισμός 2/3: Αντιδρούν κυρίως οι υδρογονάνθρακες, οι αλκοόλες, οι εστέρες και οι αιθέρες. Η χημική αντίδραση συνίσταται στην εξουδετέρωση των ελεύθερων ριζών των ακόρεστων μονομερών, χωρίς καμία αποβολή προϊόντων αντίδρασης. Το σχηματιζόμενο υλικό έχει την ίδια χημική σύσταση με την πρώτη ύλη και ένα πολλαπλάσιο μοριακό βάρος του αρχικού. 8 4

5 Πολυμερισμός 3/3: Κατά τη χημική αντίδραση, διασπώνται οι διπλοί και οι τριπλοί δεσμοί και έτσι μπορούν πολλά μονομερή μόρια να συνδεθούν μεταξύ τους και να σχηματίσουν μόρια μεγάλου μοριακού βάρους. Ισοπολυμερή (ομοπολυμερή) ονομάζονται τα συνθετικά που προήλθαν από τον πολυμερισμό μίας χημικής ουσίας (μονομερές Α) και συμπολυμερή από περισσότερες. 9 Πολυσυμπύκνωση 1/3: Λέγεται και σταδιακός πολυμερισμός κατά την αντίδραση της πολυσυμπύκνωσης, τα μονομερή αποβάλλουν ορισμένα μόρια όπως νερό, υδροχλώριο, αλκοόλη κλπ, δημιουργώντας, έτσι, ελεύθερες ρίζες. Οι ρίζες, επιτρέπουν τη σύνδεση των μονομερών μεταξύ τους, με αποτέλεσμα, τον σχηματισμό υψιπολυμερών (μάκρο) μορίων. 10 5

6 Πολυσυμπύκνωση 2/3: Λέγεται και σταδιακός πολυμερισμός Η αύξηση του μοριακού βάρους, κατά την αντίδραση της πολυσυμπύκνωσης, προχωρά σταδιακά και απαιτεί μεγάλο χρονικό διάστημα, σε αντίθεση με την αντίδραση πολυμερισμού. Τα ενδιάμεσα προϊόντα της πολυσυμπύκνωσης, τα οποία είναι γενικά σε ρευστή κατάσταση, μπορούν να αναμιχθούν με διάφορα μέσα πλήρωσης (φίλερ) και μετά να σταθεροποιηθούν με κατάλληλες μεθόδους. 11 Πολυσυμπύκνωση 3/3: Με τη μέθοδο της πολυσυμπύκνωσης, παρασκευάζονται οι πολυεστέρες, τα διάφορα είδη Nylon, τα πολυμερή φορμαλδεΰδης με φαινόλη (βακελίτης) κλπ. 12 6

7 Πολυπροσθήκη κατά την αντίδραση αυτή, τα υψιμερή μόρια σχηματίζονται από τη σύνθεση δύο διαφορετικών μονομερών, χωρίς καμία αποβολή προϊόντων αντίδρασης. Το χαρακτηριστικό αυτό το έχει και η μέθοδος πολυμερισμού και γι αυτό το λόγο χαρακτηρίζονται συνήθως και οι αντιδράσεις του πολυμερισμού σαν αντιδράσεις πολυπροσθήκης. 13 Μοριακή δοµή γραµµική polyethylene, PVC, nylon. διακλαδούµενη ιασταυρούµενες συνδέσεις Network καουτσούκ ρητίνες θερµοσκληρυνόµενα οµικά Υλικά- Πολυµερή- 14 7

8 Είδη πολυμερών Βάσει της μηχανικής και θερμικής συμπεριφοράς κατάταξη Θερμοπλαστικά σε: πολυμερή (πλαστομερή ή πλαστικά): μετατρέπονται σε εύπλαστα όταν θερμανθούν. Η μοριακή τους Θερμοπλαστικά πολυμερή, θερμοσκληρηνώμενα, ελαστομερή δομή, χαρακτηρίζεται από τη διάταξη όμοιων μακρομορίων σε δέσμες και παρασκευάζονται κυρίως με τη μέθοδο πολυμερισμού Με τη μέθοδο της πολυπροσθήκης και της πολυσυμπύκνωσης παρασκευάζονται μερικά μόνο θερμοπλαστικά πολυμερή. 15 Κατά τη θέρμανση των θερμοπλαστικών πολυμερών τα μακρομόρια χάνουν την συνοχή και ολισθαίνουν μεταξύ τους, με συνέπεια να μετατρέπονται σε εύπλαστα. Τα θερμοπλαστικά, μπορούν επίσης να διαλυθούν σε διάφορους διαλύτες. Σε συνήθεις θερμοκρασίες, τα θερμοπλαστικά υλικά μπορεί να είναι, ανάλογα προς τη χημική τους σύσταση, από εύπλαστα έως και εύθραυστα, το δε μέτρο ελαστικότητας, κυμαίνεται μεταξύ 50 και kp/cm

9 17 Θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή: διακρίνονται σε γραμμικά ή διακλαδωμένα και αναπτύσσουν διασταυρωνόμενες συνδέσεις, κατά την τελική φάση της επεξεργασίας τους, με τη βοήθεια θερμότητας και καθίστανται τελικά πολυμερή χωροπλέγματος. Η κατεργασία της θερμοσκλήρυνσης δεν είναι επαναληπτική όπως στα θερμοπλαστικά, ενώ τα προϊόντα είναι ανθεκτικά στη θερμότητα και δεν μπορούν να μορφοποιηθούν πλέον με την επίδραση της θερμοκρασίας και της πίεσης. 18 9

10 19 Ελαστομερή (ελαστικά): καλούνται τα πολυμερή, τα οποία παρουσιάζουν πολύ μεγάλη επιμήκυνση, όταν επιπονηθούν σε εφελκυσμό. Όταν σταματήσει η επιπόνηση, παρουσιάζουν πλήρη επαναφορά στην αρχική τους κατάσταση. Η δομή των πολυμορίων είναι τέτοια ώστε σχηματίζεται ένα είδος ελατηρίου, σε αυτό οεφείλεται η δυνατότητα επαναφοράς 20 10

11 21 Βασικές ιδιότητες πολυμερών Σχεδόν μηδενικό πορώδες Σημαντική συστολή σκλήρυνσης (2-10%) Θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης Τg: προκαλείται ρήξη των δευτερευόντων δεσμών μείωση Ε. Τ>Τg τα πολυμερή σε ελαστομερή μορφή Τ< Τg τα πολυμερή σκληραίνουν ραγδαία (ψαθυρή συμπεριφορά) 22 11

12 Διάγραμμα ειδικού όγκου (V) θερμοκρασίας (Τ) πολυμερούς που μεταπίπτει σε μορφή είτε κρυσταλλική (αργή ψύξη)είτε υαλώδη (γρήγορη ψύξη) 23 Οι ιδιότητες επηρεάζονται από θερμοκρασία και χρόνο φόρτισης Ιξωδοελαστικά: τα υλικά που η παραμόρφωση επηρεάζεται και από τη διάρκεια και το ρυθμό φόρτισης Στα πολυμερή, μέρος της ενέργειας αποθηκεύεται μηχανικά ενώ ένα άλλο μέρος μετατρέπεται σε θερμότητα λόγω ιξώδους ροής. Γραμμική ελαστικότητα t1 t1, t2 t2 t1 t2 Γραμμική ιξωδοελαστικότητα Μη Γραμμική ιξωδοελαστικότητ 24 12

13 25 Ιξωδοελαστικά Οι πλαστικοποιητές είναι οργανικά μόρια, τα οποία, όταν προστεθούν στη μάζα του υλικού, μεταβάλλουν την μηχανική συμπεριφορά του

14 Ιξωδοελαστικά ελαστομερή 27 In an undeformed thermoplastic polymer tensile sample, (a) the polymer chains are randomly oriented. (b) When a stress is applied, a neck develops as chains become aligned locally. The neck continues to grow until the chains in the entire gage length have aligned. (c) The strength of the polymer is increased 28 14

15 29 Για την αξιολόγηση της συμπεριφοράς ενός υλικού σε γήρανση προσδιορίζονται οι μεταβολές διάφορων ιδιοτήτων του, πριν και μετά την καταπόνηση του υλικού σε γήρανση και μελετάται η μεταβολή των οπτικών και των φυσικομηχανικών ιδιοτήτων του υλικού. Δοκιμή εφελκυσμού 31 15

16 κυψελωτά πολυμερή με την προσθήκη φυσαλίδων αέρα χαμηλό βάρος θερμομόνωση ηχομόνωση μερικές φορές και δυσκαμψία οι ιδιότητες εξαρτώνται από του πολυμερούς των ιστών και τη σχετική πυκνότητα ρ/ρ s (= o,oo5-0,5) 32 Σύνθετα υλικά (composites) Στα παραδοσιακά σύνθετα ανήκουν υλικά όπως: το fiberglass, το ξύλο το σκυρόδεμα. Τα υπόλοιπα σύνθετα που χρησιμοποιούνται σε τεχνικές εφαρμογές υψηλών απαιτήσεων συνιστούν τα λεγόμενα προηγμένα σύνθετα υλικά 33 16

17 κατηγορίες σύνθετων υλικών Ανάλογα με το υλικό της μήτρας υπάρχουν τρεις διαφορετικές κατηγορίες σύνθετων υλικών : - Σύνθετα υλικά μεταλλικής μήτρας - Σύνθετα υλικά κεραμικής μήτρας - Σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας

18 FRP = fibre reinforced polymers= Ινοπλισµένα πολυµερή ΙΟΠ 2 Τι είναι FRP? ίνες Προσδίδουν αντοχή και δυσκαµψία Άνθρακας, γυαλί, αραµίδιο µήτρα Προστατεύει και µεταφέρει φορτία ανάµεσα στις ίνες Εποξειδική ρητίνη, βινιλεστέρας CFRP GFRP AFRP ίνες σύνθετο µήτρα Το σύνθετο υλικό έχει ιδιότητες πολύ ανώτερες των συστατικών του Υλικά FRP Μεγάλη ποικιλία υλικών ύσκαµπτες λωρίδες Μέσω έλασης και ελκυσης υφάσµατα Εύκαµπτη δοµή Ράβδοι Carbon FRP sheet 18

19 Composites FRP For Construction Συνηθέστερες µήτρες: Introduction & Background Section: 1 Polymer matrix για εφαρµογές εσωτερικού οπλισµού Vinylester: στη δηµιουργία ράβδων οπλισµού (προσδίδουν εξαιρετική αντοχή εντός του σκυροδέµατος) Για εφαρµογές εξωτερικού οπλισµού Epoxy: ενίσχυση µε λωρίδες ή υφάσµατα (πλεονεκτούν σε δυνατότητα συγκόλλησης) ISIS EC Module 6 CFRP-ύφασμα GFRP-ράβδοι + = FIBRES POLYMER MATRIX FRP CFRP-ράβδοι 39 19

20 Ινες γυαλιού (Glass fibres) : Fibres Χαµηλού κόστους Σε µεγαλύτερη χρήση σε κατασκευές ποιότητες: E-Glass AR-Glass (αντίσταση σε αλκάλια) Υψηλή αντοχή, µέσο Ε, µέσο βάρος Χρησιµοποιείται σε εφαρµογές όπου το βάρος και η δυσκαµψία δεν είναι κρίσιµη ISIS EC Module 6 Ινες άνθρακα (Carbon fibres): Fibres Σηµαντικά ακριβότερες από γυαλιού Υψηλή αντοχή, µεγάλο Ε, µικρό βάρος E = GPa: standard E = GPa: intermediate E = GPa: high E = GPa: ultra-high Εξαιρετική ανθεκτικότητα και αντοχή στην κόπωση Χρησιµοποιείται σε εφαρµογές όπου το βάρος και η δυσκαµψία είναι κρίσιµη 20

21 Composites FRP For Construction Introduction & Background Ίνες Αραµιδίου (Aramid fibres): Section: 1 Fibres Μέσο προς υψηλό κόστος ιαθέσιµες δύο ποιότητες, µέτρων ελαστικότητας 60 GPa and 120 GPa Υψηλή εφελκυστική αντοχή, µέσο Ε, χαµηλό βάρος Χαµηλή θλιπτική και διατµητική αντοχή Προβλήµατα ανθεκτικότητας υνατή η προσβολή από UV υνατή η απορρόφηση υγρασίας διόγκωση ISIS EC Module 6 Stress (MPa) E-Glass Aramid-49 Standard Carbon igh-modulus Carbon Ultra igh-modulus Reinforcing Steel 1000 frp m m f f ( E f Em ) V f Em Strain (%) E = E V + E V = + f f V + f V f, t m, t m f, t f 43 21

22 FRP bridge deck reinforcement 44 Ιδιότητες FRP (σχετικά µε χάλυβα): Γραµµική συµπεριφορά µέχρι την αστοχία Απουσία σηµείου διαρροής Υψηλότερη αντοχή θραύσης Χαµηλότερη επιµύκυνση θραύσης Stress [MPa] CFRP AFRP GFRP Steel Strain [%] 22

23 Ιδιότητες ράβδων οπλισµού Υλικό Αντοχή θραύσης Μέτρο ελαστικότητας ε u Glass FRP MPa GPa % Carbon FRP MPa GPa % Aramid FRP MPa GPa % Steel MPa 200 GPa >10 % Longitudinal direction Κατεύθυνση των ινών Adapted from Fig. 16.8, Callister & Rethwisch 8e. Transverse direction aligned continuous aligned random discontinuous Chapter

24 Οι ιδιότητες των FRP εξαρτώνται από: Τον τύπο της µήτρας και των ινών Το ποσοστό των ινών Τη διεύθυνση των ινών Chapter

25 Chapter

26 Repair with FRP Additional Applications reinforcement Section: 7 NSM Techniques Newer class of FRP strengthening techniques: near surface mounting reinforcement (NSMR) Unstrengthened concrete T-beam Longitudinal grooves cut into soffit FRP strips placed in grooves Grooves filled with epoxy grout Research indicates NSMR is effective and efficient for strengthening ISIS EC Module 4 26

27 τρόποι παρασκευής ανοικτού καλουπιού επίστρωση µε το χέρι ψεκασµός µε πίεση περίελιξη κλειστού καλουπιού διπλού καλουπιού εξέλαση 27