Ανθεκτικότητα Υλικών και Περιβάλλον

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Ανθεκτικότητα Υλικών και Περιβάλλον"

Λυκούργος Παυλόπουλος
6 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Ανθεκτικότητα Υλικών και Περιβάλλον Ν. Μ. Μπάρκουλα, Επίκουρη Καθηγήτρια, Δρ. Μηχ/γος Μηχανικός 1

2 Τι είναι: Περίγραμμα Μαθήματος Επιλογής Μάθημα Επιλογής στο 9ο Εξάμηνο του ΤΜΕΥ Με τι ασχολείται: Με την υποβάθμιση λόγω αλληλεπίδρασης με περιβαλλοντικές φορτίσεις και την ανθεκτικότητά τους Ποια είναι η δομή του: Διαλέξεις, Case Studies 2

3 Περίγραμμα Μαθήματος Πότε και που: Δευτέρα 10:00-13:00, KY2 (Μελέτη βιβλιογραφίας - εξέταση) Website: Πως εξετάζεται: Μελέτη βιβλιογραφίας (στα αγγλικά) κατά την διάρκεια του εξαμήνου 10 θεματικές ενότητες 1 βαθμός ανά ενότητα Υποχρεωτική Παρουσία για εξέταση της θεματικής ενότητας Απαλλαγή από εξετάσεις μόνο αν ο βαθμός είναι > 5/10 κατά μέσο όρο Οι βαθμοί από τα επιμέρους τεστ δεν συνυπολογίζονται στον τελικό βαθμό 3

4 Προγραμματισμός: Περίγραμμα Μαθήματος Διαλέξεις: 11 διαλέξεις Επικοινωνία: Ν.-Μ. Μπάρκουλα Γραφείο: ΙΙΙ-206, Μεταβατικό Κτ. Ώρες Γραφείου: Τρίτη Πέμπτη

5 Εισαγωγή στην Ανθεκτικότητα Ανθεκτικότητα: Η διατήρηση της απόδοσης ενός υλικού ή κατασκευαστικού στοιχείου κατά την διάρκεια της ζωής του Μείωση της ανθεκτικότητας = υποβάθμιση των ιδιοτήτων / λειτουργικών χαρακτηριστικών του υλικού / στοιχείου Υποβάθμιση λόγω: Μηχανικών διεργασιών Χημικών διεργασιών κόπωση ερπυσμός φθορά οξείδωση ηλεκτροχημική διάβρωση αποδόμηση πολυμερών συνδυασμοί φορτίσεων και συνέργιες 5

6 Αποδόμηση πολυμερών: Είναι γνωστό ότι τα πολυμερή υποβαθμίζονται λόγω έκθεσης σε: Θέρμανση (θερμική υποβάθμιση και θερμική οξείδωση με την παρουσία οξυγόνου). Φως (Φώτο-υποβάθμιση). Οξυγόνο (Οξειδωτική υποβάθμιση). Γήρανση (συνήθως υποβάθμιση με υπεριώδη ακτινοβολία). Συμπεριφορά που εξαρτάται κατά πολύ από τον τύπο του πολυμερούς Οξυγόνο UV ακτινοβολία μερική διάλυση / εξάτμιση Διάρρηξη δεσμών θερμότητα (κατακερματισμός) αλλαγή χρώματος όζον επιφανειακή ρωγμάτωση x-rays ψαθυροποίηση Πολλά πολυμερή τείνουν να διογκώνονται όταν εκτίθενται σε υγρά απώλεια μηχανικών ιδιοτήτων 6

7 Εισαγωγή στην περιβαλλοντική υποβάθμιση Αποδόμηση πολυμερών: Κατά την έκθεση των πολυμερών σε υψηλές θερμοκρασίες εμφανίζουν την τάση όχι μόνο να μαλακώνουν αλλά και να υποβαθμίζονται. Η θερμική υποβάθμιση μπορεί να μειώσει τη θερμοκρασία λειτουργίας ενός πολυμερούς αφού μπορεί να οδηγήσει σε μείωση των μηχανικών του ή/και άλλων ιδιοτήτων. Η θερμική υποβάθμιση υπεισέρχεται ως αλλαγή της μοριακής δομής λόγω «υπερθέρμανης». Σε υψηλές θερμοκρασίες τα μέρη της μεγάλης αλυσίδας των πολυμερών μπορεί να αποχωριστούν (διάρρηξη δεσμών) και να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους, αλλάζοντας τις ιδιότητες του πολυμερούς. 7

8 Περιβαλλοντική Υποβάθμιση : Οι παράγοντες που επιδρούν στην γήρανση είναι: Γήρανση Ηλιακή ακτινοβολία Θερμοκρασία Υγρασία Ρύποι Αντοχή των δεσμών Τοποθεσία 8

9 UV ακτινοβολία: Μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Είναι η περιοχή που γειτνιάζει με το ορατό φως και ακολουθείται από τις ακτίνες Χ και τις ακτίνες γ. 9

10 UV ακτινοβολία: 10

11 Αντοχή των δεσμών: Παρόλο που η υπεριώδης ακτινοβολία βρίσκεται σε πολύ χαμηλά ποσοστά στο ηλιακό φάσμα η ποσότητα αυτή είναι αρκετή για να προκαλέσει υποβάθμιση στα πλαστικά λόγω του υψηλού περιεχομένου σε κβαντική ενέργεια. Οι δεσμοί σε πολλά πλαστικά έχουν ενέργειες διάσπασης παρόμοιες με την κβαντική ενέργεια που είναι παρούσα στην υπεριώδη ακτινοβολία. Υπεριώδης ακτινοβολία στην περιοχή των 300 με 400 nm είναι ικανή να προκαλέσει διάρρηξη των δεσμών στα πλαστικά και να οδηγήσει σε ραγδαία υποβάθμιση της δομής των πλαστικών. Για παράδειγμα διάρρηξη στο μόριο CH3 CH3 μπορεί να προκληθεί από UV ακτινοβολία μήκους κύματος μεγαλύτερου των 340 nm το οποίο έχει αρκετή ενέργεια ώστε να σπάσει τον κύριο δεσμό του μορίου. 11

12 Αντοχή των δεσμών: Κάθε πλαστικό έχει ξεχωριστά μήκη κύματος που μπορεί να είναι καταστροφικά, γι αυτό και η υποβάθμιση συμβαίνει σε διαφορετικά μήκη, για παράδειγμα το καταστροφικό μήκος κύματος για το PE είναι περίπου 300 nm ενώ για το PP είναι περίπου 370 nm. 12

13 Τοποθεσία: Το ποσό της UV ακτινοβολίας που είναι παρούσα στο ηλιακό φάσμα διαφοροποιείται σημαντικά ανάλογα με την τοποθεσία και είναι ιδιαίτερα υψηλό κοντά στον ισημερινό. Αυτό οδηγεί σε μεγάλη εξάρτηση του ρυθμού υποβάθμισης σε σχέση με την τοποθεσία του προϊόντος με αποτέλεσμα να μην είναι δυνατή η ενιαία χρήση προϊόντων χωρίς την γνώση της θέσης που θα εφαρμοστούν. Το PVC-U μπορεί να σταθεροποιηθεί ικανοποιητικά για ηπειρωτικές περιοχές με χρήση 4% TiO2 (διοξείδιο του τιτανίου) αλλά το ίδιο υλικό σε τροπικά κλίματα χρειάζεται περίπου 8% TiO2 για ικανοποιητική σταθεροποίηση. Αυτή η αλλαγή έχει σημαντική επίδραση στο κόστος και στην μορφοποίηση του προϊόντος, ενώ η χρήση PVC-U ηπειρωτικών προδιαγραφών σε τροπικό κλίμα μπορεί να οδηγήσει σε ραγδαία και σημαντική γήρανση του προϊόντος. 13

14 Θερμοκρασία : Η γήρανση είναι μία διαδικασία υποβάθμισης η οποία εξαρτάται από την θερμοκρασία. Όσο πιο υψηλή η θερμοκρασία τόσο πιο μεγάλο το ποσοστό γήρανσης. Ο γενικός κανόνας είναι για 10ºC αύξηση της θερμοκρασίας ο ρυθμός γήρανσης διπλασιάζεται. Σε τροπικές λοιπόν περιοχές υπάρχει η συνδυασμένη επίδραση της υψηλότερης υπεριώδους ακτινοβολίας αλλά υψηλότεροι ρυθμοί λόγω της αυξημένης θερμοκρασίας. Υγρασία Το νερό επηρεάζεται από την υπεριώδη ακτινοβολία όπου παράγει διάφορες ελεύθερες ρίζες οι οποίες μπορούν και να οδηγήσουν στην έναρξη αλλά και στην διάδοση της διαδικασίας υποβάθμισης. Οι περισσότερες συνθήκες υποβάθμισης είναι πολύ πιο αργές σε ζεστά ξηρά κλίματα σε σχέση με τα ζεστά υγρά κλίματα. 14

15 Περιβαλλοντική υποβάθμιση σύνθετων υλικών: Υψηλές / χαμηλές θερμοκρασίες Ακτινοβολία UV Υγρασία Έκθεση σε υγρά / αέρια Ηλεκτρικά πεδία Φθορά λόγω σκόνης / άμμου Επίθεση από ένζυμα Ιδιότητες που υποβαθμίζονται : Μηχανικές Ηλεκτρικές Οπτικές Μηχανισμοί υποβάθμισης: Φυσική, Χημική, Μηχανική 15

16 Φυσική Υποβάθμιση: Συμβαίνει σε θερμοκρασίες κάτω από την θερμοκρασία Tg του πολυμερούς όταν αυτό δεν είναι σε κατάσταση ισορροπίας και αλλάζει προς την κατεύθυνση της θερμοδυναμικής ισορροπίας. Αυτό οδηγεί σε αλλαγές στα ακόλουθα: Δυσκαμψία Τάση διαρροής Πυκνότητα Ρεολογικές ιδιότητες Δυσθραυστότητα Ψαθυροποίηση Οι αλλαγές εξαρτώνται από την απόσταση της θερμοκρασίας υποβάθμισης από την θερμοκρασία Tg. 16

17 Χημική Υποβάθμιση: Είναι μία μη αναστρέψιμη διαδικασία η οποία συμπεριλαμβάνει: Απόσχιση των αλυσίδων Επιπλέον σταυροειδής δεσμούς Υδρόλυση Αποπολυμερισμός Πλαστικοποίηση Υδρόλυση και οξείδωση είναι οι δύο πιο πιθανοί μηχανισμοί χημικής υποβάθμισης σε πολυμερικά σύνθετα υψηλών θερμοκρασιών. Η οξείδωση οδηγεί σε τομή των χημικών δεσμών, δηλαδή μείωση του μοριακού βάρους, αλλαγές στις μηχανικές ιδιότητες, και μείωση της μάζας λόγω εξάτμισης των παραπροϊόντων οξείδωσης. Η θερμο-οξείδωση είναι πολύ σημαντική όταν αυξάνεται η θερμοκρασία και ο χρόνος έκθεσης. 17

18 Μηχανική Υποβάθμιση: Είναι μία μη αναστρέψιμη διαδικασία η οποία είναι ορατή σε μακροσκοπική κλίμακα. Όταν συνδυάζεται με φυσική και χημική υποβάθμιση τότε η υποβάθμιση είναι πολύ πιο σοβαρή. Τα πειράματα που προσομοιάζουν αυτού του τύπου την υποβάθμιση είναι ερπυσμός-χαλάρωση και θερμομηχανικές κυκλικές φορτίσεις. Αλλάζουν κυρίως οι ιδιότητες που εξαρτώνται από την μήτρα, δηλαδή οι εγκάρσιες (κάθετα στην διεύθυνση των ινών) και οι διατμητικές ιδιότητες. Οι ιδιότητες που εξαρτώνται από τις ίνες επηρεάζονται έμμεσα (μέσω υποβάθμισης της διεπιφάνειας). Η υποβάθμιση συμπεριλαμβάνει: ρωγμάτωση της μήτρας διαστρωματικές αποκολλήσεις υποβάθμιση της διεπιφάνειας αστοχία των ινών ανελαστική παραμόρφωση 18

19 Έκθεση σε υγρά και νερό: Οδηγεί σε φαινόμενα διάχυσης. Η διάχυση στα πολυμερικά σύνθετα εξαρτάται από τα επιμέρους υλικά αλλά και τον διαλύτη. Η διάχυση μπορεί να είναι αναστρέψιμη ή μη-αναστρέψιμη ανάλογα με τον μηχανισμό υποβάθμισης που θα επικρατήσει και τον τύπο της μήτρας (πολική ή μη πολική) και μπορεί να έχει θετική ή αρνητική επίδραση ανάλογα με την θερμοκρασία. Μοριακή αποδόμηση λόγω υδρόλυσης ή μικρο-ρωγμάτωσης είναι μη αναστρέψιμη. Διόγκωση και πλαστικοποίηση είναι αναστρέψιμη Η διόγκωση οδηγεί σε τοπικές τάσεις. Ο συνδυασμός νερού και μηχανικών τάσεων μπορεί ωστόσο να οδηγήσει σε αστοχία λόγω αλλαγής του τασικού πεδίου γύρω από την ίνα, διάβρωσης λόγω τάσης της ίνας και/ή αποκόλλησης της διεπιφάνειας ίνας/μήτρας. 19

20 Θέματα που θα εξεταστούν: 1. Απορρόφηση υγρασίας 2. Θερμοκρασία 3. Υπεριώδης ακτινοβολία 4. Φθορά υλικών 5. Φλόγα 6. Ερπυσμός-Χαλάρωση 7. Κόπωση 8. Ανθεκτικότητα και γήρανση αεροπορικών δομών 9. Ανθεκτικότητα και γήρανση κτιριακών υποδομών 10. Βιο-αποικοδόμηση υλικών συσκευασίας 20

Σχετικά έγγραφα

ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ. Υλικά-ιστορία και χαρακτήρας

ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ Υλικά-ιστορία και χαρακτήρας ΥΛΙΚΑ: Αντοχή σε φορτία. Μονωτές ή αγωγοί θερμότητας /ηλεκτρισμού. Διαπερατά ή μη από μαγνητική ροή. Να διαδίδουν ή να αντανακλούν το