ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ

Transcript

1 ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ

2 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι μηχανικές ιδιότητες των πολυμερών προσδιορίζονται από παραμέτρους που χρησιμοποιούνται και στα μέταλλα: - μέτρο ελαστικότητας - αντοχή διαρροής - εφελκυστική αντοχή - αντοχή στην κρούση - σκληρότητα - κόπωση - ερπυσμός Για τον χαρακτηρισμό πολλών πολυμερών - δοκιμή τάσης - παραμόρφωσης Τα μηχανικά χαρακτηριστικά των πολυμερών είναι πολύ ευαίσθητα στο: - ρυθμό παραμόρφωσης - θερμοκρασία - χημική φύση του περιβάλλοντος (παρουσία νερού, οξυγόνου, οργανικών διαλυτών, κλπ.).

3 2. ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΑΣΗΣ - ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ Τρία τυπικώς διαφορετικά είδη συμπεριφοράς τάσης - παραμόρφωσης : (Α) Ψαθυρά πολυμερή - μέχρι το σημείο θραύσης παραμορφώνεται ελαστικά (Β) Πλαστικά πολυμερή - παρόμοια με τα μεταλλικά υλικά (C) Τελείως ελαστικα τύπου καουτσούκ (ελαστομερη)

4 Πλαστικά πολυμερή σημείο διαρροής (σ y ) = μέγιστο στην καμπύλη σ-ε ακριβώς μετά από το τέλος της γραμμικά ελαστικής περιοχής αντοχή σε εφελκυσμό (TS) = τάση όπου λαμβάνει χώρα θραύση TS < σ y η TS > σ y Η αντοχή των πλαστικών πολυμερών = η αντοχή στον εφελκυσμό

5 Ε (GPa) Τα πολυμερή είναι μηχανικώς διαφορετικά από τα μέταλλα και τα κεραμικά Ε μέταλλα, Ε κεραμικά >> Ε πολυμερή

6 TS(MPa) TS μέταλλα, TS κεραμικά >> TS πολυμερή

7 K Ic (MPa m) K Ic μέταλλα >> K Ic πολυμερή, K Ic κεραμικά K Ic πολυμερή Δυσθραυστότητα

8 σ(mpa) Η ολκιμότητα - σπάνια %ΕL μέταλλα > 100% - %ΕL πολύ ελαστικά πολυμερή 1000% Τα μηχανικά χαρακτηριστικά των πολυμερών - πολύ περισσότερο ευαίσθητα στις μεταβολές θερμοκρασίας κοντά στην θερμοκρασία δωματίου ºC 20ºC 40ºC Πολυμεθακρυλικό Μεθυλεστέρα (πλεξιγκλάς) PMMA 60ºC ε to 1.3 Αυξάνοντας T : (1) μείωση του Ε (2) μείωση της ΤS (3) αύξηση της ολκιμότητας (4 C -εντελώς ψαθυρό 50, 60 C - σημαντική πλαστική παραμόρφωση ) Μείωση του ρυθμού παραμόρφωσης -> ίδια επίδραση όπως η αύξηση της θερμοκρασίας : το υλικό γίνεται μαλακότερο και πιο όλκιμο

9 3. ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ ΗΜΙΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ Πολλά ημικρυσταλλικά πολυμερή σε ακατέργαστη μορφή έχουν τη σφαιρουλιτική δομή : - κάθε σφαιρουλίτης αποτελείται από πολυάριθμα φύλλα αναδιπλωμένων αλυσίδων, οι οποίες κατευθύνονται ακτινικά από το κέντρο προς το εξωτερικό - περιοχές άμορφου υλικού που διαχωρίζουν τις φυλλώδεις δομές - γειτονικές φυλλώδεις δομές συνδέονται με συνδετικές αλυσίδες που διέρχονται μέσα από τις άμορφες περιοχές

10 3.1 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΕΛΑΣΤΙΚΗΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ Ελαστική παραμόρφωση στα ημικρυσταλλικά πολυμερή - σχετικά μικρά σ : - Στάδιο 1 - επιμήκυνση μορίων της πολυμερούς αλυσίδας στην άμορφη περιοχή στη διεύθυνση της εφελκυστικής τάσης - Στάδιο 2 : - άμορφες αλυσίδες συνεχίζουν να ευθυγραμμίζονται και να επιμηκύνονται - κάμψη και έκταση των δεσμών της αλυσίδας εντός των φυλλωδών κρυσταλλιτών - Ε = συνδυασμός των Ε κρυσταλλικών φάσεων και Ε άμορφων φάσεων

11 3.2 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΠΛΑΣΤΙΚΗΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ Στάδιο 3 - μετάβαση ελαστική - πλαστική παραμόρφωση - γειτονικές σελίδες των φυλλωδών δομών ολισθαίνουν η μία πάνω στην άλλη -> στρέψη των φυλλωδών δομών -> πτυχωτές αλυσίδες ευθυγραμμίζονται με τον άξονα εφελκυσμού - κάθε μετατόπιση αλυσίδας εμποδίζεται από τους δεσμούς van der Waals

12 Στάδιο 4 : Στάδιο 5 - τα τμήματα των κρυσταλλικών κομματιών αποχωρίζονται από τις φυλλώδεις δομές - τα κομμάτια παραμένουν συνδεδεμένα μεταξύ τους μέσω των συνδετικών αλυσίδων Στάδιο 4 Στάδιο 5 : - τα κρυσταλλικά τμήματα και οι συνδετικές αλυσίδες προσανατολίζονται κατά μήκος της διεύθυνσης εφελκυσμού

13 Εφελκυστική παραμόρφωση των ημικρυσταλλικών πολυμερών -> έντονα προσανατολισμένη δομή - ονομάζεται εκτατική διέλκυση Επιμηκύνσεις μέτριου βαθμού -> οι σφαιρουλίτες υφίστανται αλλαγές Μεγαλύτερες παραμορφώσεις -> η σφαιρουλιτική δομή καταστρέφεται Επιμηκύνσεις μεγάλου βαθμού -> η παραμόρφωση είναι αντιστρεπτή : - εάν η παραμόρφωση τερματιστεί σε κάποιο αυθαίρετο σημείο, και το δείγμα θερμανθεί σε υψηλή Τ (κοντά στο Τ m ) -> το υλικό θα επιστρέψει αποκτώντας τη σφαιρουλιτική δομή - βαθμός ανάκτησης σχήματος και δομής εξαρτάται από την Τ ανόπτησης και από το βαθμό επιμήκυνσης

14 3.3 ΜΑΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ Άνω σημείο διαρροής - λαιμός εντός της περιοχή φόρτισης του δοκιμίου Μέσα στον λαιμό οι αλυσίδες προσανατολίζονται παράλληλα με την διεύθυνση παραμόρφωσης -> τοπική ενδυνάμωση: αντίσταση στη συνεχιζόμενη παραμόρφωση Η επιμήκυνση πραγματοποιείται με τη διάδοση της περιοχής λαιμού κατά μήκος του τμήματος του δείγματος που παραμορφώνεται Ο προσανατολισμός των αλυσίδων συνοδεύει την επέκταση της στένωσης Η εφελκυστική παραμόρφωση είναι σε αντίθεση με εκείνη στα όλκιμα μέταλλα ( η παραμόρφωση περιορίζεται στο εσωτερικό της περιοχής λαιμού)

15 4. ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΙΣ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ Περιορισμός στη διαδικασία παραμόρφωσης -> αύξηση της αντοχής Εκτεταμένη διαπλοκή των αλυσίδων μεταξύ τους ή σημαντικός βαθμός διαμοριακών δεσμών παρεμποδίζει τις σχετικές κινήσεις μεταξύ των αλυσίδων Οι δευτερογενείς διαμοριακοί δεσμοί είναι πολύ ασθενέστεροι από τους ομοιοπολικούς δεσμούς - σημαντικές διαμοριακές δυνάμεις δημιουργούνται λόγω του μεγάλου αριθμού δεσμών van der Waals μεταξύ των αλυσίδων Ε αυξάνεται καθώς μεγαλώνει η ισχύς των δευτερευόντων δεσμών και η ευθυγράμμιση των αλυσίδων

16 4.1 ΜΟΡΙΑΚΟ ΒΑΡΟΣ Το μέγεθος του εφελκυστικού μέτρου ελαστικότητας δεν επηρεάζεται από το μοριακό βάρος Για πολλά πολυμερή, η αντοχή στον εφελκυσμό αυξάνεται με την αύξηση του μοριακού βάρους TS = TS A M n TS - αντοχή στον εφελκυσμό σε άπειρο μοριακό βάρος M n - μέσο κατ' αριθμό μοριακό βάρος A σταθερά Αυτή η συμπεριφορά εξηγείται από την αυξημένη διαπλοκή των αλυσίδων με την αύξηση του M n

17 4.2 ΒΑΘΜΟΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟΤΗΤΑΣ Ο βαθμός κρυσταλλικότητας επηρεάζει την έκταση των διαμοριακών δευτερευόντων δεσμών -> σημαντική επίδραση στις μηχανικές ιδιότητες (1) Στις κρυσταλλικές περιοχές - εκτεταμένοι δευτερογενείς δεσμοί μεταξύ των γειτονικών τμημάτων των αλυσίδων (2) Οι δευτερογενείς δεσμοί είναι πολύ λιγότερο επικρατείς στις άμορφες περιοχές (1), (2) => για τα ημικρυσταλλικά πολυμερή, TS αυξάνεται σημαντικά με το βαθμό κρυσταλλικότητας (π.χ. TS πολυαιθυλένιο αυξάνεται μια τάξη μεγέθους όταν ο βαθμός κρυσταλλικότητας αυξηθεί από 0.3 σε 0.6) Αύξηση της κρυσταλλικότητας -> πιο ψαθυρό

18 4.3 ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ ΜΕ ΔΙΕΛΚΥΣΗ Διέλκυση = επέκταση του λαιμού - χρησιμοποιείται για να βελτιώσει τη μηχανική αντοχή και το μέτρο εφελκυσμού Αντίστοιχο της σκλήρυνσης των μετάλλων με παραμόρφωση Πρόκληση ακαμψίας - χρησιμοποιείται στην παραγωγή ινών και φιλμ Οι μοριακές αλυσίδες γλιστρούν η μία δίπλα στην άλλη και προσανατολίζονται Ο βαθμός ενδυνάμωσης και πρόκλησης ακαμψίας εξαρτάται από το βαθμό της παραμόρφωσης Οι ιδιότητες των διελκυσμένων πολυμερών είναι πολύ ανισότροπες (Ε και TS - σημαντικά μεγαλύτερες κατά την κατεύθυνση της παραμόρφωσης σε σχέση με άλλες διευθύνσεις)

19 E διέλκυνσης ~ 3 E χωρίς διέλκυνση Ε 45 = ελάχιστη τιμή 1 5 E χωρίς διέλκυνση TS διέλκυνσης ~ (2 εως 5) TS χωρίς διέλκυνση TS_ _ διέλκυνσης ~ 1 3 εως 1 2 TS χωρίς διέλκυνση Για ένα άμορφο πολυμερές που διελκύεται σε αυξημένη Τ η προσανατολισμένη μοριακή δομή διατηρείται μόνο όταν το υλικό ψύχεται γρήγορα μέχρι τη Τ περιβάλλοντος Εάν, μετά τη διέλκυση, το πολυμερές κρατείται στη Τ που έγινε η διέλκυση, οι μοριακές αλυσίδες χαλαρώνουν και παίρνουν τυχαίες διαμορφώσεις χαρακτηριστικές της προπαραμορφωμένης κατάστασης

20 4.4 ΘΕΡΜΙΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ Η θερμική επεξεργασία (ή ανόπτηση) των ημικρυσταλλικών πολυμερών -> τροποποιήσεις του κρυσταλλικού μεγέθους και της σφαιρουλιτικής δομής Για μη διελκυσμένα υλικά που υπόκεινται σε θερμικές επεξεργασίες σταθερού χρόνου, η αύξηση της Τ ανόπτησης οδηγεί σε: (1) αύξηση του Ε (2) αύξηση της σ y (3) μείωση της ολκιμότητας Αυτά τα φαινόμενα ανόπτησης είναι αντίστροφα από εκείνα που παρατηρούνται στα μέταλλα (εξασθένιση, αποσκλήρυνση, αυξημένη ολκιμότητα) Για ορισμένες πολυμερικές ίνες που έχουν υποστεί διέλκυση, η επίδραση της ανόπτησης στο Ε είναι αντίθετη προς εκείνη των μη διελκυσμένων υλικών : Ε μειώνεται με την αύξηση της Τ ανόπτησης, λόγω απώλειας προσανατολισμού των αλυσίδων και αύξησης της κρυσταλλικότητας λόγω παραμόρφωσης

21 5. ΙΞΩΔΟΕΛΑΣΤΙΚΗ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ (ΒΙΣΚΟΕΛΑΤΙΚΟΤΗΤΑ) Άμορφο πολυμερές μπορεί να συμπεριφέρεται σαν : - ύαλος σε χαμηλές Τ - καουτσουκικό στερεό σε ενδιάμεσες Τ (>Τ υαλώδους μετάβασης ) - παχύρρευστο υγρό σε υψηλές Τ (1) Μικρές ε, χαμηλές Τ -> ελαστική συμπεριφορά : σ = Εε (νόμο του Hooke) (2) Υψηλότερες Τ -> ιξώδης συμπεριφορά ( προσομοιάζει με αυτή του υγρού) (3) Ενδιάμεσες Τ -> ελαστομερικό υγρό - συνδυασμένα μηχανικά χαρακτηριστικά των δύο ακραίων περιπτώσεων = ιξωδοελαστικότητα (ή βισκοελαστικότητα) Η ελαστική παραμόρφωση είναι ακαριαία Τερματισμό της εξωτερικής σ -> ε ανακτάται πλήρως

22 Πλήρης ιξώδης συμπεριφορά - η παραμόρφωση δεν είναι ακαριαία - σε ανταπόκριση προς μια εξωτερικά εφαρμοζόμενη τάση, η παραμόρφωση καθυστερεί και εξαρτάται από το χρόνο - η παραμόρφωση δεν είναι αντιστρεπτή, δεν ανακτάται όταν τερματίζεται η τάση Ενδιάμεση ιξωδοελαστική συμπεριφορά - η εφαρμογή μιας τάσης -> μια στιγμιαία ελαστική παραμόρφωση, η οποία ακολουθείται από μια ιξώδη, χρονικά εξαρτώμενη παραμόρφωση, μια μορφή ανελαστικότητας

23 5.1 ΜΕΤΡΟ ΙΞΩΔΟΕΛΑΣΤΙΚΗΣ (ΒΙΣΚΟΕΛΑΣΤΙΚΗΣ) ΧΑΛΑΡΩΣΗΣ Η ιξωδοελαστική συμπεριφορά των πολυμερών υλικών = f(t,t) Μετρήσεις χαλάρωσης : - ένα δείγμα αρχικά παραμορφώνεται ακαριαία σε έκταση έως ένα προκαθορισμένο και σχετικά χαμηλό επίπεδο παραμόρφωσης - η τάση που απαιτείται για να διατηρήσει σταθερή την παραμόρφωση αυτή μετριέται σαν συνάρτηση του χρόνου, ενώ η T διατηρείται σταθερή Η τάση μειώνεται με το χρόνο λόγω διαδικασιών μοριακής χαλάρωσης Το μέτρο χαλάρωσης (relaxation modulus) = χρονικά εξαρτώμενο Ε των ιξωδοελαστικών πολυμερών: E r t = σ(t) ε 0 σ(t) - μετρούμενη χρονικά εξαρτωμένη τάση ε 0 - επίπεδο παραμόρφωσης που διατηρείται σταθερό

24 To μέγεθος του μέτρου χαλάρωσης E r t είναι συνάρτηση της T Για πλήρη χαρακτηρισμό της ιξωδοελαστικής συμπεριφοράς - μετρήσεις ισόθερμης χαλάρωσης τάσης σε μια περιοχή θερμοκρασιών -> (1) η μείωση του E r (t) με το χρόνο (2) οι μετατοπίσεις των καμπυλών σε μικρότερα επίπεδα E r (t) όταν αυξάνεται T Για να αναπαραστήσουμε την επίδραση της T, λαμβάνονται σημεία σε μια συγκεκριμένη ώρα από τη γραφική παράσταση Log(E r (t))=f(log(t))

25 Γραφική παράσταση E r (t 1 ) =f(t) 1. Χαμηλές θερμοκρασίες : - υαλώδη περιοχή - υλικό δύσκαμπτο και ψαθυρό - Ε r (t 1 ) ανεξάρτητο της Τ - οι μακρές μοριακές αλυσίδες είναι παγωμένες στη θέση που βρίσκονται 2. Τ : - δερματώδης περιοχή, ή περιοχή υαλώδους μετάβασης - E r (t 1 ) μειώνεται απότομα - η παραμόρφωση εξαρτάται από τον χρόνο και δεν είναι πλήρως ανακτήσιμη αν αφαιρέσουμε το φορτίο

26 3. - το υλικό παραμορφώνεται με καουτσουκικό (ελαστομερικό) τρόπο - υπάρχει τόσο το ελαστικό όσο και το ιξώδες τμήμα της καμπύλης - E r (t 1 ) είναι σχετικά μικρό -> εύκολα να προκληθεί παραμόρφωση 4. Καουτσουκική ροή μαλακή καουτσουκική (ελαστομερική) κατάσταση 5. Ιξώδης ροή - E r (t 1 ) μειώνεται δραματικά όσο αυξάνεται Τ - έντονη κίνηση των αλυσίδων, τα τμήματα τους υφίστανται δονήσεις και περιστροφική κίνηση σε μεγάλο βαθμό ανεξάρτητα η μία από την άλλη - δεν υπάρχει ελαστική συμπεριφορά - η συμπεριφορά παραμόρφωσης καθορίζεται συναρτήσει του ιξώδους (κριτήριο της αντοχής του υλικού στη ροή που προκαλείται από διατμητικές τάσεις)

27 5.2 ΙΞΩΔΟΕΛΑΣΤΙΚΟΣ ΕΡΠΥΣΜΟΣ Ιξωδοελαστικός ερπυσμός - χρονικά εξαρτώμενη παραμόρφωση όταν το επίπεδο τάσεων διατηρείται σταθερό Μπορεί να είναι σημαντικό ακόμη και σε Τ δωματίου και υπό μέτρια επίπεδα τάσης κάτω από την σ y του υλικού Δοκιμές ερπυσμού με τον ίδιο τρόπο σαν στα μέταλλα : - εφαρμόζεται μια τάση και διατηρείται σε σταθερό επίπεδο ενώ μετριέται η παραμόρφωση σαν συνάρτηση του χρόνου - υπό ισόθερμες συνθήκες

28 Τα αποτελέσματα της δοκιμής ερπυσμού -> το χρονικά εξαρτώμενο μέτρο ερπυσμού Ε c (t) (creep modulus) Ε c t = σ 0 ε(t) σ 0 - σταθερή εφαρμοζόμενη τάση ε(t) - χρονικά εξαρτώμενη παραμόρφωση Ε c ελαττώνεται με την αύξηση της Τ E c αυξάνεται καθώς αυξάνεται ο βαθμός κρυσταλλικότητας

29 6. ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΩΝ ΕΛΑΣΤΟΜΕΡΩΝ Ελαστομερή υλικά - ελαστικότητα παρόμοια με του καουτσούκ - πολύ μεγάλες ελαστικές παραμορφώσεις και επιστροφή στην αρχική μορφή Η συμπεριφορά αυτή παρατηρήθηκε πρώτη φορά στο φυσικό καουτσούκ Ε ελαστομερη - πολύ μικρό - μεταβάλλονται με την τάση, εφόσον η καμπύλη σ-ε δεν είναι γραμμική σ (MPa) ε

30 Απουσία τάσης -> το ελαστομερές είναι άμορφο : αποτελείται από μοριακές αλυσίδες οι οποίες είναι πολύ συνεστραμμένες, έκκεντρες και περιελιγμένες Ελαστική παραμόρφωση, με εφαρμογή εφελκυστικού φορτίου μερικό ξεδίπλωμα, ξετύλιγμα, ευθυγράμμιση, επιμήκυνση των αλυσίδων κατά τη διεύθυνση της τάσης

31 Εντροπία (μέτρο της αταξίας μέσα σε ένα σύστημα) = κινητήρια δύναμη της ελαστικής παραμόρφωσης - αυξάνεται με την αύξηση της αταξίας Εφαρμογή τάσης -> οι αλυσίδες τακτοποιούνται και γίνονται πιο ευθύγραμμες το σύστημα γίνεται πιο τακτικό -> η εντροπία μειώνεται Η εντροπία αυξάνεται όταν οι αλυσίδες επιστρέφουν στο αρχικό έκκεντρο και περιελιγμένο περίγραμμα Έλκυση του ελαστομερούς -> αύξηση της θερμοκρασίας του Ε αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας ( αντίθετα από τα μέταλλα)

32 Κριτήρια ώστε ένα πολυμερές να είναι ελαστομερικό: (1) Να μην κρυσταλλώνεται εύκολα (τα ελαστομερικά υλικά είναι άμορφα) (2) Οι περιστροφές των δεσμών των αλυσίδων να είναι σχετικά ελεύθερες ώστε οι περιελιγμένες αλυσίδες να ανταποκρίνονται άμεσα σε μια εφαρμοζόμενη τάση (3) Η έναρξη της πλαστικής παραμόρφωσης να εμφανίζεται με καθυστέρηση - διασταυρώσεις σημεία αγκίστρωσης μεταξύ των αλυσίδων - αποτρέπουν την ολίσθησή τους > καθυστερούν την πλαστική παραμόρφωση - βουλκανισμός -> δημιουργία διασταυρώσεων (4) Τ > Τ υαλώδους μετάπτωσης, T g ( συνήθως T g (-50, -90) C ) - Τ < T g -> το ελαστομερές γίνεται ψαθυρό

33 6.1 ΒΟΥΛΚΑΝΙΣΜΟΣ Βουλκανισμός = διαδικασία σχηματισμού διασταυρώσεων στα ελαστομερή - επιτυγχάνεται με μια μη αντιστρεπτή χημική αντίδραση - συνήθως πραγματοποιείται σε υψηλή Τ - προστίθενται ενώσεις του θείου στο ελαστομερές - αλυσίδες ατόμων θείου συνδέονται με γειτονικές αλυσίδες του πολυμερές και τις διασταυρώνουν :

34 Σημεία διασταυρώσεων - άτομα άνθρακα τα οποία ήταν διπλά συνδεδεμένα πριν το βουλκανισμό Αβουλκάνιστο καουτσούκ - μαλακό και κολλώδες - με μικρή αντοχή στην εκτριβή Ε, TS και η αντίσταση στην φθορά λόγω οξείδωσης ενισχύονται με το βουλκανισμό E ~ πυκνότητα των σταυροδεσμών

35 7. ΘΕΡΜΟΠΛΑΣΤΙΚΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ Θερμοπλαστικά πολυμερή (α) γίνονται μαλακότερα όταν θερμαίνονται (β) σκληρύνονται όταν ψύχονται - (α) και (β) είναι εντελώς αντιστρεπτές και μπορούν να επαναληφθούν - σε μοριακό επίπεδο, καθώς αυξάνεται Τ, οι δευτερογενείς διαμοριακές δυνάμεις μειώνονται (λόγω αυξημένης διαμοριακής κίνησης) -> η σχετική κίνηση μεταξύ γειτονικών αλυσίδων διευκολύνεται όταν εφαρμόζεται μια τάση

36 8. ΘΕΡΜΟΣΚΛΗΡΥΝΟΜΕΝΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ Κατά την αρχική θερμική επεξεργασία, δημιουργούνται ομοιοπολικοί δεσμοί διασταυρώσεων μεταξύ γειτονικών μοριακών αλυσίδων -> οι αλυσίδες αντιστέκονται στις δονητικές και περιστροφικές κινήσεις σε υψηλές Τ -> το υλικό γίνεται μονίμως σκληρό Δεν μαλακώνουν εάν επακολουθήσει θέρμανση Τα θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή είναι γενικώς σκληρότερα, ισχυρότερα και πιο εύθραυστα από τα θερμοπλαστικά - έχουν καλύτερη σταθερότητα στις διαστάσεις τους

37 9. ΘΡΑΥΣΗ ΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ Η αντοχή στη θραύση των πολυμερών υλικών είναι χαμηλή σε σύγκριση με εκείνη των μετάλλων και των κεραμικών Θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή ψαθυρή θραύση - ρωγμές σχηματίζονται σε περιοχές που υπάρχουν συγκεντρώσεις τάσεων (χαραγές, εγκοπές, οξείες ατέλειες) - η τάση ενισχύεται στα άκρα των ρωγμών -> διάδοση ρωγμής και θραύση - οι ομοιοπολικοί δεσμοί σπάνε κατά τη διάρκεια της θραύσης

38 Θερμοπλαστικά πολυμερή - όλκιμη η ψαθυρή θραύση - μετάβαση από όλκιμο προς ψαθυρό υλικό - παράγοντες που ευνοούν τη ψαθυρή θραύση : - μείωση της θερμοκρασίας - αύξηση του ρυθμού παραμόρφωσης - παρουσία μιας οξείας εγκοπής - αυξημένο πάχος των δειγμάτων - αύξηση της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης (T g ) με τροποποίηση της δομής του πολυμερούς Υαλώδη θερμοπλαστικά - ψαθυρά σε σχετικά χαμηλές Τ - Τ T g -> όλκιμα - πλαστική διαρροή πριν τη θραύση

39 Πορώδης ρωγμή σε ορισμένα υαλώδη θερμοπλαστικά πολυμερή - σχηματισμό μικρών μικροκενών - μεταξύ των μικροκενών - ινώδεις γέφυρες εντός των οποίων οι μοριακές αλυσίδες προσανατολίζονται - εάν το εφαρμοζόμενο εφελκυστικό φορτίο είναι επαρκές, οι γέφυρες επιμηκύνονται και σπάνε -> ανάπτυξη και τη συνένωση των μικροκενών

40 10. ΛΟΙΠΑ ΜΗΧΑΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ 10.1 ΑΝΤΟΧΗ ΚΡΟΥΣΗΣ Αντοχή στην κρούση - δοκιμές Izod ή Charpy Τα πολυμερή - όλκιμη ή ψαθυρή θραύση σε κρουστική φόρτιση - εξαρτάται από Τ - μέγεθος του δείγματος - ρυθμό παραμόρφωσης - τρόπο φόρτισης Τα κρυσταλλικά και τα άμορφα πολυμερή - ψαθυρά σε χαμηλές Τ - έχουν χαμηλή αντοχή στην κρούση - παρουσιάζουν μετάβαση από όλκιμη-σε-ψαθυρή συμπεριφορά Η αντοχή στην κρούση μειώνεται σε υψηλότερες Τ

41 Izod Η εγκοπή δρα ως σημείο συγκέντρωσης τάσεων για το υψηλής ταχύτητας κρουστικό χτύπημα Charpy final height initial height

42 10.2 ΚΟΠΩΣΗ Αστοχία λόγω κόπωσης - υπό συνθήκες κυκλικής φόρτισης - η κόπωση επέρχεται σε σ < σ y Καμπύλες κόπωσης για διάφορα πολυμερή (τάση συναρτήσει του αριθμού κύκλων μέχρι την αστοχία σε λογαριθμική κλίμακα)

43 Ορισμένα πολυμερή έχουν όριο κόπωσης Η αντοχή στην κόπωση και το όριο κόπωσης για τα πολυμερή υλικά είναι πολύ χαμηλότερα από εκείνα των μετάλλων Η συμπεριφορά των πολυμερών στην κόπωση εξαρτάται πολύ περισσότερο από τη συχνότητα φόρτισης από ότι εκείνη των μετάλλων Η κυκλική φόρτιση των πολυμερών σε υψηλές συχνότητες ή σε σχετικά μεγάλες τάσεις -> τοπική θέρμανση -> η αστοχία από αποσκλήρυνση του υλικού αντί από κόπωση

44 10.3 ΔΙΑΣΧΙΣΤΙΚΗ ΑΝΤΟΧΗ ΚΑΙ ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ Αντίσταση στη διάσχιση - σημαντική ιδιότητα ειδικά στα λεπτά φιλμ - η μηχανική παράμετρος που μετρείται = η ενέργεια που απαιτείται να σχιστεί ένα κομμένο δείγμα με συγκεκριμένη γεωμετρία Σκληρότητα = αντίσταση ενός υλικού στη χάραξη, διείσδυση, δημιουργία κοιλότητας Τα πολυμερή είναι μαλακότερα από τα μέταλλα και τα κεραμικά Οι δοκιμές σκληρότητας γίνονται με τεχνικές διείσδυσης όμοιες με εκείνες που περιγράφηκαν για τα μέταλλα Δοκιμές Rockwell χρησιμοποιούνται σπάνια για τα πολυμερή Άλλες τεχνικές που χρησιμοποιούνται : Durometer και Barcol

45 11. ΠΕΡΙΛΗΨΗ Συμπεριφορά τάσης παραμόρφωσης ψαθυρά πολυμερή - πλαστικά πολυμερή - πολύ ελαστικά πολυμερή Παραμόρφωση ημικρυσταλλικών πολυμερών - μηχανισμός ελαστικής παραμόρφωσης - μηχανισμός πλαστικής παραμόρφωσης - μακροσκοπική παραμόρφωση Παράγοντες που επηρεάζουν τις μηχανικές ιδιότητες των ημικρυσταλλικών πολυμερών μοριακό βάρος - βαθμός κρυσταλλικότητας - παραμόρφωση με διέλκυση - θερμική επεξεργασία

46 Θερμοπλαστικά και θερμοσκληρυνομενα πολυμερή Ιξωδοελαστικη παραμόρφωση - μέτρο ιξωδοελαστικης χαλάρωσης - ιξωδοελαστικος ερπυσμός Παραμόρφωση ελστομερων Θραύση πολυμερών Λοιπά χαρακτηριστικά αντοχή κρούσης - κόπωση - αντίσταση διάσχισης - σκληρότητα