13 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ

Transcript

1 ΣΧΟΛΗ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΜΠ ΤΕΧΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ 13 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ Ε. Βιντζηλαίου (Συντονιστής), Ε. Βουγιούκας, Ε. Μπαδογιάννης

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες Χρήσης Creative Commons. για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΑΡΑΣΚΕΥH ΤΑΞΙΝOΜΗΣΗ - ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΒΑΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ - ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΙΝΟΠΛΙΣΜΕΝΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ ΠΑΡΑΣΚΕΥH ΜΟΡΦΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΙΝΟΠΛΙΣΜΕΝΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΙΝΟΠΛΙΣΜΕΝΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΚΥΨΕΛΩΤΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ - ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ 3

4 Πολυμερή: ουσία που δομείται από πολλά μόρια με πολλαπλή επανάληψη στοιχειωδών μονάδων. Τα μόρια τους είναι τόσο μεγάλα, ώστε οι ιδιότητες τους να μην αλλάζουν με προσθήκη ή αφαίρεση μιας ή λίγων στοιχειωδών μονάδων Πολυμερισμός στυρενίου για παραγωγή πολυστυρενίου 4

5 Χαρακτηριστικά - Πλεονεκτήματα: Μεγάλο μοριακό βάρος, διαφορετικό για το ίδιο πολυμερές χαμηλό βάρος, λόγω μικρών Α.Β. των C, H. ανθεκτικότητα σε διάρκεια μικρή θερμική αγωγιμότητα (δεν υπάρχουν διαθέσιμα διεγερμένα e) μικρή υδαταπορροφητικότητα ευκολία μορφοποίησης ευκολία ενίσχυσης με ίνες => υψηλή αντοχή 5

6 Πολυμερισμός Πρώτη ύλη υδρογονάνθρακες (αλκοόλες, εστέρες, αιθέρες ). Προϊόν αντίδρασης: ίδια χημική σύσταση με την πρώτη ύλη - πολλαπλάσιο μοριακό βάρος. Πολυμερισμός βινυλοχλωριδίου για παραγωγή πολυβινύλιο χλωριδίου (PVC) 6

7 Πολυσυμπύκνωση Δημιουργία ριζών με αποβολή μορίων μικρού βάρους (π.χ. H 2 O) Σύνδεση μονομερών μεταξύ τους (π.χ. πολυαμίδες (νάυλον), οι πολυεστέρες, τα πολυμερή φαινόληςαλδεΰδης) Αντίδραση δύο αμινοξέων για την παραγωγή πρωτεϊνών 7

8 Πολυπροσθήκη Σύνδεση μορίων μέσω ατόμων οξυγόνου ή αζώτου, αντί για άνθρακα (π.χ. εποξειδικές ρητίνες και οι πολυουρεθάνες) Σχηματισμός ουρεθάνης για εν συνεχεία, πολυμερισμό 8

9 Παρασκευάζονται με επίδραση Τ και P Δομή : άμορφη (π.χ. πολυπροπυλένιο, νάυλον) ή ημικρυσταλλική (π.χ. πολυ-αιθερο-αιθεροκετόνη, γνωστή ως PEEK). πολυμερισμένες αλυσίδες μακρομορίων συνδεδεμένες με ασθενείς δεσμούς van der Waals εύκολη η μεταξύ τους ολίσθηση θέρμανση => εξασθένιση ενδομοριακών δυνάμεων σε υψηλές θερμοκρασίας τήκονται και συμπεριφέρονται ως ιξώδη ρευστά επανασκλήρυνση κατόπιν επαναφοράς της θερμοκρασίας σε χαμηλά επίπεδα κύκλοι τήξης-σκλήρυνσης => αύξηση της ψαθυρότητας του υλικού. Καπάκι πολυπροπυλενίου 9

10 πολυμερισμένες αλυσίδες μακρομορίων μεταξύ τους διασταυρούμενες κατά τη τελική φάση της θερμικής επεξεργασίας παράγεται ρητίνη αποτελούμενη από αλυσίδες μακρομορίων σύνδεση αλυσίδων παρουσία καταλύτη σε θερμοκρασία δωματίου ή υψηλότερη δεν επαναλαμβάνεται θερμοσκλήρυνση: αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί ρήξη των δεσμών των αλυσίδων και "μαλάκωμα" του υλικού, οι δεσμοί στις διακλαδώσεις των αλυσίδων παρεμποδίζουν την τήξη ή την ιξώδη ροή, οπότε δεν συμπεριφέρονται πλαστικά περαιτέρω θέρμανση οδηγεί σε αποσύνθεση Κουμπιά βακελίτη 10

11 Ελαστομερή πολυμερισμένες μακρομοριακές αλυσίδες "διπλωμένες" ως ελατήρια σύνδεση σε λιγοστά σημεία διασταύρωσης, ανάκτηση του αρχικού σχήματος μετά παύση της δράσης. Φυσικά Κυτταρίνη Λιγνίνη Καζεΐνη Κυτταρίνη: σύνδεση των αλυσίδων γλυκόζης με δεσμούς υδρογόνου (γαλάζιες συνδέσεις) 11

12 εξέλαση (για πολυμερικά πλέγματα) κυλίνδρωση χύτευση με εμφύσηση / συμπίεση / έγχυση Εξαρτάται από: ρεολογικές τους ιδιότητες (χαρακτηριστικά ροής) τη θερμοκρασία μετάβασης από υαλώδη μορφή (ορίζεται παρακάτω) τον τύπο τους και το σχήμα του παραγόμενου προϊόντος 12

13 Εξέλαση πολυμερικών πλεγμάτων (α) και μορφοποίηση μεμβράνης με κυλίνδρωση (β) 13

14 μηδενικό πορώδες σημαντική συστολή κατά τη σκλήρυνση (2-10 %) θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης, T g : Θερμοκρασία στην οποία συμβαίνει ρήξη των δευτευρευόντων δεσμών που συγκρατούν τις μακρομοριακές αλυσίδες. μείωση του μέτρου ελαστικότητας (~3 MPa) - ευκολότερη ολίσθηση των μακρομοριακών αλυσίδων μεταξύ τους για Τ>T g => ελαστομερή συμπεριφορά (παραμορφώσεις 300%) για Τ< T g => σκλήρυνση του υλικού, αύξηση ψαθυρότητας. 14

15 τάση Αύξηση ρυθμού φόρτισης αύξηση Τ παραμόρφωση 15

16 E (ΜPa) Δυσκαμψία Ιξώδης συμπεριφορά T g Ζώνη μετάβασης T( C) Περιοχή Υαλώδους κατάστασης Μεγάλη πτώση του Ε, όταν T > T g Περιοχή Υαλώδους Μεταπτώσης Περιοχή ιξωδοελαστικής συμπεριφοράς Επίδραση της θερμοκρασίας στο μέτρο ελαστικότητας του άμορφου πολυστυρένιου (A.V. Tobolsky, Properties and Structures of Polymers, John Wiley and Sons, Inc., 1960.)). 16

17 Διάγραμμα σ-ε ακετυλικής ρητίνης. Επίδραση της θερμοκρασίας και του ρυθμού φόρτισης. 17

18 Πολυμερές Πυκνότητα (kg/m 3 ) Συντελεστής θερμικής διαστολής ( 10-6 / C) Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας (W/mK) Θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης ( C) Θερμοπλαστικά Πολυαιθυλένιο LD Πολυαιθυλένιο HD Πολυπροπυλένιο Πολυστυρένιο Πολυβινυλοχλωρίδιο(PVC) Πολυμεθακρυλικό μεθύλιο (ΡΜΜΑ) Νάυλον Θερμοσκληρυνόμενα Εποξειδικές ρητίνες Πολυεστέρες Φαινολοφορμαλδεΰδη Ελαστομερή Πολυϊσοπρένιο 910 ~600 ~0.14 ~75 Πολυβουταδιένιο 1500 ~600 ~0.14 ~75 Πολυχλωροπρένιο 940 ~600 ~0.14 ~75 18

19 Πολυμερές Μέτρο ελαστικότητας (GΡa), (20 C, 100 s) Εφελκυστική αντοχή (MPa) Θερμοπλαστικά Πολυαιθυλένιο LD Πολυαιθυλένιο HD Πολυπροπυλένιο Πολυστυρένιο Πολυβινυλοχλωρίδιο(PVC) Πολυμεθακρυλικό μεθύλιο (ΡΜΜΑ) Νάυλον Θερμοσκληρυνόμενα Εποξειδικές ρητίνες Πολυεστέρες Φαινολοφορμαλδεΰδη Ελαστομερή Πολυϊσοπρένιο ~10 Πολυβουταδιένιο ~10 Πολυχλωροπρένιο ~0.01 ~10 19

20 σ = Ε ε (t, T) (ερπυσμός) Σχέση τάσης-παραμόρφωσης ιξωδοελαστικών υλικών (και σύγκριση με τα ελαστικά) για δύο χρόνους φόρτισης 20

21 εξίσωση WLF C 1( T1 T0 ) log( t )= C + T -T Σχηματική παράσταση της σχέσης χρόνου-θερμοκρασίας-μέτρου ελαστικότητας 21

22 Σχέση χρόνου-παραμόρφωσης υπό σταθερή τάση για ιξωδοελαστικό υλικό 22

23 σ σ n 1 ε2t sinh 0 σ1 σ2 ε = ε sinh t ε = ε m( ) t ε: ολική παραμόρφωση σε χρόνο t, σ: σταθερή τάση, ε 1, ε 2, σ 1, σ 2, η εμπειρικές σταθερές του υλικού 0 n (α) Καμπύλες ερπυσμού και (β) ισόχρονη καμπύλη (100 sec) πολυμερών 23

24 δράση χημικών οξέα & βάσεις (ισχυρά) οργανικοί διαλύτες και καύσιμα (ρηγμάτωση) έλαια (διόγκωση και μικρορηγματώσεις) νερό (μείωση της αντοχής) επιρρεπή: τα άμορφα πολυμερή μεγαλύτερη ανθεκτικότητα: τα ημικρυσταλλικά. 24

25 Υπεριώδης ακτινοβολία ( nm) αλλοίωση της μοριακής δομής (διάσπαση πολυμερικών αλυσίδων) αύξηση της ψαθυρότητας του υλικού (μείωση της εφελκυστικής παραμόρφωσης κατά την αστοχία) χρωματική αλλοίωση (υποκίτρινος ή καφέ χρωματισμός). Μετά την διάσπαση, ιδιαίετερα επιρρεπή σε αντιδράσεις οξέιδωσης, υδρόλυσης, στους κύκλους θέρμανσης και ύγρανσης-αφύγρανσης 25

26 Η ανθεκτικότητα στην υπεριώδη ακτινοβολία αυξάνεται με τη χρήση ειδικών χημικών σταθεροποιητών (απορροφούν την ακτινοβολία, π.χ. C ως 30% στα ελαστικά) αδρανών πρόσμικτων εξωτερικών βαφών 26

27 Γενικά μεγάλο συντελεστή θερμικής διαστολής (50-300*10-6 / 0 C) σε σχέση με χάλυβα και σκυρόδεμα (11-12*10-6 / 0 C) Αυξημένη παραμόρφωση Μέριμνα όταν τα δύο υλικά συνεργάζονται Σε συνθήκες πυρκαγιάς της τάξης των C (ακόμα και πρίν την καύση): Ταχεία μείωση της δυσκαμψίας Έκλυση τοξικών αερίων χρήση επιβραδυντικών καύσης ή αδρανών συστατικών ( φίλλερ ) 27

28 Μειονεκτήματα πολύ χαμηλό μέτρο ελαστικότητας ανάπτυξη σημαντικών ερπυστικών παραμορφώσεων εξάρτηση της μηχανικής συμπεριφοράς από τη θερμοκρασία και το ρυθμό φόρτισης Χαμηλή απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες Πλεονεκτήματα συγκολλητικές και/ή υγρομονωτικές ιδιότητες (ρητίνες, θερμοπλαστικά) ανάπτυξη πολύ μεγάλων παραμορφώσειων-απορρόφηση ενέργειας κατά την φόρτιση-αποφόρτιση-επαναφόρτισή (ελαστομερή) Τα περισσότερα μειονεκτήματα αίρονται με τη χρήση οπλισμού ινών 28

29 Συμπεριφορά ελαστομερούς υπό ανακυκλιζόμενη φόρτιση (φόρτιση-αποφόρτιση-επαναφόρτιση) 29

30 Εφαρμογή ελαστομερών (α) στη σεισμική μόνωση κατασκευών και (β) για την απόσβεση ταλαντώσεων. 30

31 μήτρα, από (κατά κανόνα) θερμοσκληρυνόμενο πολυμερές (εποξειδική ρητίνη, πολυεστέρας, φαινολική ρητίνη, βινυλεστέρας κ.τ.λ.) ίνες, οργανικές ή ανόργανες, υψηλής εφελκυστικής αντοχής (ίνες γυαλιού, αραμιδίου ή άνθρακα, με διάμετρο 5-25μm) Χαρακτηριστικά βάρος ίσο με το 1/4 περίπου του χάλυβα και υψηλή μηχανική αντοχή τους (η οποία οφείλεται στις ίνες) ανθεκτικότητα σε δυσμενείς χημικές επιδράσεις. 31

32 Άνθρακας Υλικό Πυκνότητα (kg/m 3 ) Μέτρο ελαστικότ. (GPa) Εφελκυστική αντοχή (MPa) Παραμόρφωση θραύσης (%) Υψηλής αντοχής Υπερ-υψηλής αντοχής Υψηλού μέτρου ελαστικότητας Υπερ-υψηλού μέτρου ελαστικ Γυαλί Τυπικές ιδιότητες ινών Ε Ζ S Αραμίδιο Χαμηλού μέτρου ελαστικότητας (Κέβλαρ 29) Υψηλού μέτρου ελαστικότητας (Κέβλαρ 49, Twaron)

33 Ίνες Γυαλιού παρασκευάζονται από λειωμένο γυαλί χαμηλότερο κόστος. τύπου Ε, (μείωση της αντοχής σε αλκαλικό περιβάλλον), τύπου Ζ (ή AR), μεγάλη αντοχή στο αλκαλικό περιβάλλον τύπου S, υψηλής αντοχής - υψηλό μέτρο ελαστικότητας Ίνες Άνθρακα παρασκευάζονται είτε από θερμική κατεργασία του πολυακρυλονιτριλίου (PAN) είτε μέσω απόσταξης κάρβουνου (pitch). PAN: μεγαλύτερη αντοχή και μέτρο ελαστικότητας Ίνες Αραμιδίου πολύ καλή συμπεριφορά σε κρουστικά φορτία Κέβλαρ, Twaron (αρωματικό πολυαμίδιο) Technora (αρωματικό πολυαιθεραμίδιο) 33

34 Τυπικές καμπύλες εφελκυστικής τάσηςπαραμόρφωσης για διάφορους τύπους ινών 34

35 μη αυτοματοποιημένες μεθόδους, όπως είναι η εφαρμογή με το χέρι, ο ψεκασμός και η χύτευση σε αυτόκλειστο ημι-αυτοματοποιημένες μεθόδους, όπως είναι η συμπίεση (εν ψυχρώ ή εν θερμώ), η χύτευση με πίεση και η εμφύσηση ρητίνης αυτοματοποιημένες μεθόδους, όπως είναι η εξέλαση (pultrusion), η περιέλιξη και η χύτευση με εμφύσηση. ανοικτού καλουπιού, κλειστού καλουπιού. 35

36 Ανοικτού καλουπιού: Μέθοδοι με εφαρμογή πίεσης εν κενώ (α), μέσω μεμβράνης (β) 36

37 Ανοικτού καλουπιού: Μέθοδος περιέλιξης 37

38 Χύτευση εν θερμώ σε διπλό καλούπι. Εμφύσηση ρητίνης 38

39 Μέθοδος εξέλασης (pultrusion). 39

40 ράβδων και τενόντων (π.χ. για τον οπλισμό και/ή την προένταση στοιχείων σκυροδέματος) λωρίδων ή ταινιών πλάτους μερικών εκατοστών, πάχους της τάξης του χιλιοστού και μήκους αρκετών μέτρων (π.χ. για την εφαρμογή τους υπό μορφή εξωτερικού οπλισμού) φύλλων, παρόμοιων με τις λωρίδες αλλά μεγαλύτερου πλάτους (π.χ. για χρήση σε μορφή εξωτερικού μανδύα δομικών στοιχείων) διδιάστατων ή τριδιάστατων πλεγμάτων (π.χ. για τον οπλισμό επιφανειακών στοιχείων από σκυρόδεμα) γραμμικών μελών (διατομής π.χ. I, Ο, U) επίπεδων στοιχείων επικάλυψης (π.χ. κυματοειδή πετάσματα) εύκαμπτων μεμβρανών (π.χ. για τη στέγαση ανοικτών χώρων, για τον οπλισμό του εδάφους κ.τ.λ.). 40

41 GFRP: Ε = 50 Gpa, ε u,pl = 3% AFRP: Ε = Gpa, ε u,pl = 2-3% CFRP: Ε = GPa, ε u,pl = 1-1,5% Μείωση Εφελκ. Αντοχής ( ), σε μακροχρ. Φόρτιση, κατά: GFRP: % AFRP: % Τομή ελάσματος συνθέτου υλικού σε μεγέθυνση. CFRP: % 41

42 E E V E V f m m fb fb Ε m, E fb μέτρο ελαστικότητας μήτρας και ινών V m, V fb, ποσοστό κ.ο., μήτρικού υλικού και ινών E fb >>Ε m E f E V fb fb f f V f V f, t m, t m fb, t fb f m,t, f fb, t, εφελκυστική αντοχή μήτρας και ινών 42

43 Υγρασία δράση χημικών Θερμοκρασίας υπεριώδης ακτινοβολία. Γενικά: CFRP >> AFRP>>GFRP Μεγάλη επίδραση Περιβάλλον χημικών (αλκάλια): GFRP (κυρίως τύπου Ε), UV: AFRP 43

44 Κριτήριο Συντελ. βάρους Αξιολόγηση πολυμερών με ίνες: Άνθρακα Αραμιδίου Γυαλιού Εφελκυστική αντοχή Μέτρο ελαστικότητας Παραμόρφωση θραύσης Συμπεριφορά σε μακροχρόνιες δράσεις Κόστος Ανθεκτικ. σε διάρκεια Πυκνότητα Συμπεριφορά σε κόπωση Σύνολο Αξιολόγηση

45 Μαχητικό αεροσκάφος από FRP Υποστύλωμα ενισχυμένο με FRP 45

46 Ενίσχυση υποστυλωμάτων και πλάκας 46

47 Κατακόρυφες στρώσεις για καμπτική ενίσχυση 47

48 ακμές ή πλευρές ανοικτών ή κλειστών, αντίστοιχα, κυψελών αποτελούμενες από στερεό ιστό μικρών γραμμικών ή επιφανειακών στοιχείων, Παρασκευάζονται όπως το κυψελωτό σκυρόδεμα (εισαγωγή φυσαλίδων αέρα) σε υγρό μονομερές (δηλαδή πριν από τον πολυμερισμό) ή σε πολυμερές σε ρευστή μορφή. Σταθεροποίηση φυσαλίδων Δομή κυψελωτού πλαστικού (α) με ανοικτές και (β) με κλειστές κυψέλες 48

49 Γενικά Χαρακτηριστικά χαμηλό βάρος θερμομονωτικά (και ηχομονωτικά) χαρακτηριστικά Ιδιότητες Χαρακτηρίζονται από τις ιδιότητες του πολυμερούς που αποτελεί τον στερεό ιστό σχετική πυκνότητα, ρ/ρ s, (λόγος πυκνότητας κυψελωτού υλικού/πολυμερές ~ ) 49

50 E E s ρ ( ) ρ s 2 el E s ρ 0.05( ) ρ s 2 G E s 3 ρ ( ) 8 ρ s 2 pl E s ρ 0.3( ) ρ s cr E s ρ 0.65( ) ρ s 3 2 Διαγράμματα θλιπτικής τάσηςπαραμόρφωσης κυψελωτών πολυμερών: (α) ελαστομερικά, (β) ελαστοπλαστικά, (γ) ψαθυρά 50

51 2 ( ) (1 - ) 4 t 3 3 K s s g 1 te s s s Θερμική αγωγιμότητα για κυψελωτή πολυουρεθάνη (κλειστών κυψελών) 51

52 Θερμική αγωγιμότητα για κυψελωτή πολυουρεθάνη (PU), πολυστερίνη (PS) και φαινολοφορμαλδεΰδη (PF) 52

53 Θερμ. Αγωγ.κυψελωτής πολυουρεθάνης (κλειστών κυψελών), ρ/ρ s = 0.024, συναρτήσει ηλικίας και θερμοκρασίας 53

54 RC/PS-M (αποτελείται από διογκωμένη πολυστερίνη και έχει κλειστές κυψέλες) RC/PS-E (εξηλασμένη πολυστερίνη, κλειστές κυψέλες) RC/PUR (κυψελωτή πολυουρεθάνη) RC/PF (κυψελωτό υλικό με βάση τα προϊόντα φαινόλης και φορμαλδεΰδης, κλειστές ή και ανοικτές κυψέλες). Κατηγορία I: Κατάλληλα για κατασκευές χωρίς φόρτιση (π.χ. τοιχοπληρώσεις, θερμομονώσεις κενών, εξαεριζόμενων ορόφων κ.τ.λ.). Κατηγορία II: Κατάλληλα για εφαρμογές με περιορισμένες φορτίσεις (π.χ. κάτω από δάπεδα) και εφαρμογές όπου μπορεί να αναπτυχθούν αυξημένες θερμοκρασίες και όπου απαιτείται στοιχειώδης αντοχή σε θλίψη και συμπεριφορά σε ερπυσμό. Κατηγορία III: Κατάλληλα για εφαρμογές με φορτίσεις (π.χ. δώματα, χώροι στάθμευσης, δάπεδα ψυγείων) και εφαρμογές όπου απαιτείται μεγαλύτερη αντοχή σε θλίψη και ικανοποιητική συμπεριφορά σε ερπυσμό 54

55 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα Πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοιχτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση.