Mehanske lastnosti umetnih snovi-prožnost

Transcript

1 Univerza v Ljubljani Pedagoška fakulteta Mehanske lastnosti umetnih snoviprožnost Sara Matko Seminarska naloga pri predmetu Didaktika tehnike s seminarjem I Mentor: dr. Janez Jamšek, doc. Ljubljana, 2009

2 Povzetek Namen seminarske naloge je izvesti preskus trdote umetnih snovi z meritvami, ki je ciljno namenjene učiteljem pri pouku Tehnike in Tehnologije v osnovni šoli. Seminarska naloga zajema opis značilnosti umetnih snovi in podroben opis na kakšen način se ugotavlja njihova mehanska lastnost prožnost. Podrobno je opisan model za preskus, kjer so podani kriteriji, ki naj bi jih preskus dosegal in dobljene meritve. Na koncu so podana navodila učitelju, na kaj mora biti pazljiv pri izvajanju preskusa, kjer bi učenci ugotavljali prožnost v okviru pouka Tehnike in Tehnologije.

3 Kazalo 1 Uvod Navezava na učni načrt Pregled obstoječega gradiva Umetne snovi Tehnološka delitev umetnih snovi Termoplasti Duroplasti Elastomeri Lastnosti umetnih snovi Mehanske lastnosti umetnih snovi Prožnost umetnih mas Natezni preskus Tlačni preskus Upogibni preskus Prožnost pri pouku Tehnike in tehnologije Preskus prožnosti umetnih mas Določitev kriterijev preskusa Zasnova modela Preskusni vzorci Meritve Prožnost umetnih mas pri pouku Sklep Literatura Priloge Učni list Učni list z rešitvami... 12

4 1 Uvod Učenci osnovnih šol v 7. razredu spoznavajo lastnosti umetnih snovi, med njimi tudi prožnost. Razumevanje lastnosti gradiv je zelo pomembno že samo zaradi same uporabe gradiv v različnih tehnoloških postopkih in še bolj pri sintezi rešitev za raznovrstne tehnične probleme. Za dosego čim večjega efektivnega znanja učencev se nekateri učitelji poslužujejo demonstracije. V praksi se pojavlja veliko različic načinov demonstriranja mehanskih lastnosti umetnih snovi. Velikokrat pa demonstracije niso niti strokovno niti nazorno zasnovane. V tej seminarski nalogi je opisan način preskušanja prožnosti umetnih snovi, ki je lahko uporaben pri pouku Tehnike in Tehnologije, saj je namenjen tako učiteljem kot učencem. 2 Navezava na učni načrt Seminarska naloga je namenjena tako učiteljem kot učencem osnovnih šol in je vezana na letni učni program 7. razreda osnovnih šol, kjer imajo predpisanih 35 ure tehnike in tehnologije na leto. V sklopu teh ur obravnavajo tudi umetne snovi ter njihovo obdelavo. Pomembno je, kako učitelj podaja snov in vključuje aktivnost učencev, saj morajo le ti s poskusom ugotoviti lastnosti gradiv in izbrati ustrezno gradivo za določen izdelek. Pri pisanju seminarske naloge bom izhajala iz učnega načrta za predmet Tehnika in tehnologija [1]. S pomočjo preskusa bom kot učiteljica lažje dosegla naslednja izobraževalna cilja: učenec primerja prožnost najpogostejših umetnih snovi, učenec izbere primerno gradivo za določen izdelek. 3 Pregled obstoječega gradiva Z uporabo umetnih snovi se je moral uvesti nek način, s katerim je bilo mogoče določiti njihovo kvaliteto in raznolikost med posameznimi vrstami. Uveljavil se je način opisovanja umetnih snovi z lastnostmi. Ko omenjam lastnosti umetnih snovi, mislim na njihove fizikalne, kemične in mehanske lastnosti. Izmed mehanskih lastnosti umetnih snovi poznamo njihovo trdnost, taljenje, toplotno prevodnost, trdoto in prožnost [24]. Prožnost v znanosti pomeni lastnost trdnih teles, da zaradi delovanja zunanjih sil spremenijo obliko in se po prenehanju delovanja sil povrnejo v prvotno obliko. Najpogostejši načini za določanje prožnosti umetnih snovi so opisani v [11]. O umetnih masah in njihovih lastnostih je najbolj obrazloženo v [24]. 4 Umetne snovi Umetne snovi so organski polimeri, to so makromolekule, ki nastajajo iz manjših molekul enostavnih snovi, monomerov. Polimerizacija pa je proces, v katerem se monomeri združujejo v polimere [12]: Monomer ETEN polimerizacija polimer POLIETILEN (PE) Poznamo naravne in umetne polimere. Med naravne polimere spadajo celuloza, protein in škrob, med umetne polimere pa prištevamo umetne snovi. Umetne polimere imenujemo tudi sintetični polimeri, ki so kemično spremenjeni naravni polimeri, kot sta nafta in celuloza [25]. V nadaljevanju podajam tehnološko delitev umetnih snovi: 4.1 Tehnološka delitev umetnih snovi Umetne snovi glede na zgradbo delimo v: termoplaste, duroplaste in

5 elastomere. Njihova struktura je razvidna na sliki 4.1 [23]. Slika 4.1: Oblike verig polimerov [23] Termoplasti Termoplasti ali termoplastične snovi so linearni ali razvejani polimeri, Slika 4.1[6], ki se največkrat predelujejo pri povišani temperaturi; takrat se zmehčajo in stalijo. Po ohlajanju se termoplasti strdijo in obdržijo obliko. Ta proces lahko teoretično ponavljamo neskončno dolgo, kar pomeni, da jih lahko recikliramo. Ravno zaradi možne reciklaže so termoplasti najbolj razširjeni polimerni materiali. Primeri termoplastov [23]: ABS (akrilonitril butadien stiren), PS (polistiren), PVC (polivinilklorid), PMMA (polimetilmetakrilat), PC (polikarbonat), PBT (polibutilen tereftalat), PET (polietilen tereftalat), POM (poliacetal), PP (polipropilen), PA (poliamid, nylon). Topni so v nekaterih razredčilih in jih lahko varimo [11]. Slaba lastnost termoplastov pa je v tem, da se s povečano temperaturo mehčajo, postanejo elastični in nato tekoči, pri še višjih temperaturah pa razpadejo Duroplasti Duroplasti vsebujejo močno zamrežene makromolekule, ki tvorijo eno veliko prostorsko zamreženo makromolekulo, slika 4.1 [6]. Vezi, nastale med makromolekulami s segrevanjem ne popustijo, ampak pri določeni temperaturi razpadejo. To daje boljšo temperaturno obstojnost in večjo trdnost, vendar pa duroplastov ne moremo reciklirati, zato vedno več duroplastov nadomeščajo s termoplasti. Duroplaste delimo na: PF (fenolne smole, bakelit), UF (urea smole), MF (melanin smole), UP (nenasičene poliestrske smole), EP (epoksi smole), PUR (poliureatane) [raziskovalna naloga ] Duroplasti niso topni v topilih, v njih kvečjemu nabreknejo. Regeneracija in varjenje nista možna [11]. Ker se s segrevanjem ne mehčajo, z njim ponavadi oblepijo kuhinjske pulte, sestavljajo pa tudi ohišja električnih naprav, saj se le te med delovanjem segrejejo [14]. 5

6 4.1.3 Elastomeri Elastoplasti oziroma elastomeri so materiali, ki se po definiciji vrnejo v prvotno obliko. Sestavljeni so iz šibko zamreženih verig, katerih stopnja zamreženosti je nižja kot pri duroplastih, slika 4.1 [23]. Pri normalni temperaturi prostora so elastični, z dodatnim pregrevanjem pa ne postanejo mehki, temveč pričnejo razpadati [11]. 4.2 Lastnosti umetnih snovi Umetne snovi lahko plastično preoblikujemo, barvamo, predelujemo v vlakna in folije, primerne pa so tudi za velikoserijsko izdelavo. Zaradi kemijske sestave so odporne proti lugom in kislinam. Neobčutljivost proti organskim topilom pa je pri posameznih umetnih snoveh zelo različna in je odvisna od molekularne zgradbe. Umetne snovi so tudi zelo dobri izolatorji [12]. Umetne snovi imajo torej določene fizikalne, kemične in mehanske lastnosti. V nadaljevanju seminarske naloge bom opisovala mehansko lastnost in sicer prožnost Mehanske lastnosti umetnih snovi Izmed mehanskih lastnosti umetnih snovi poznamo njihovo prožnost, trdnost, taljenje, toplotno prevodnost in trdoto. Odvisne so od molekularne zgradbe materiala, od oblike izdelka, načinov preoblikovanja in od dodatkov, ki jih z različnimi nameni primešamo umetni snovi. Molekularna zgradba vpliva tudi na kemično in toplotno obstojnost snovi [12]. V moji seminarski nalogi se bom osredotočila na prožnost umetnih mas. 4.3 Prožnost umetnih mas Prožnost je lastnost trdnih teles, da zaradi delovanja zunanjih sil spremenijo obliko in se po prenehanju delovanja sil povrnejo v prvotno stanje. To lastnost imajo trdna telesa, dokler ni prekoračena meja prožnosti. Dokler je sila na enoto preseka manjša od meje linearnosti, ki se sklada z mejo prožnosti ali je manjša, je podaljšek pri natezanju ali skrček pri stiskanju sorazmeren s silo (Hookov zakon) [18]. Poznamo tri postopke za določanje prožnosti: natezni, tlačni in pa upogibni preizkus. 4.4 Natezni preskus Pri nateznem preskusu se lastnosti materiala določajo z enotno natezno obremenitvijo preizkušanca na vlečnem stroju z nastavljivo hitrostjo in napravo za risanje krivulje, kar je razvidno na sliki 5.1 in sliki 5.2 [11]. Slika 5.1: Natezni preskus [11]. 6

7 Slika 5.2: Napetostno razteznostni diagram [11]. 4.5 Tlačni preskus Preskušanje poteka na specialnem tlačnem stroju ali na univerzalnem stroju za merjenje mehanskih lastnosti, ki je opremljen z napravo za posnemanje diagrama. Preizkušanec leži med poliranimi in utrjenimi tlačnimi ploščami. Tlačna sila mora delovati enakomerno na površino preizkušanca. Hitrost preizkušanja je hitrost potovanja obeh plošč ene proti drugi [11]. 4.6 Upogibni preskus Pri upogibnem preskusu določamo trdnostne lastnosti in oblikovne spremembe plastičnih mas v treh upogibnih točkah. Preizkus poteka na posebni upogibni merilni napravi ali na nateznem stroju, ki je opremljen z merilci sile F in upogiba f, kar je razvidno na sliki 5.3 [18]. Preizkušanci ne smejo vsebovati lunkerjev, por ali zarez. Rezultat dobimo iz slike 5.4 [11]. Slika 5.3: Upogibni preskus [18]. 7

8 Slika 5.4: Diagram [11]. 4.7 Modul elastičnosti Modul elastičnosti je definiran kot razmerje med napetostjo σ in raztezkom ε v linearnem elastičnem območju pri počasnem preoblikovanju. Leta se lahko izvaja z različnimi obremenitvami, kot so natezna, tlačna in upogibna. Za linearno elastično območje velja Hookov zakon E= σ / ε. Merimo ga v enotah N/mm 2 =MPa [11]. Ta nam pove, kako prožna je snov. 4.8 Prožnost pri pouku Tehnike in tehnologije Pri pregledu učbenikov in delovnih zvezkov, sem o prožnosti umetnih snovi zasledila le v dveh učbenikih in sicer v [14] in [15], ter v delovnem zvezku [16]. Definicije o prožnosti nisem našla. Kako prožnost preskušamo, je opisano v učbeniku [15]. 5 Preskus prožnosti umetnih mas Glede na cilje iz učnega načrta Tehnike in tehnologije ter primernost izvedbe pri pouku v naprej določimo kriterije, ki naj bi jih predlagani preskus dosegal. Preskus je v nadaljevanju podrobno opisan. 5.1 Določitev kriterijev preskusa Kriteriji, katerim mora ustrezati preskus, so naslednji: natančnost in nazornost, z njim moram jasno pokazati razliko v preskušanju različnega materiala, ponovljivost, to pomeni da mora preskus pod enakimi pogoji tudi kasneje dati enake rezultate, primerljivost, saj morajo biti dobljeni rezultati v okvirju splošno znanih, enostavnost, izvesti ga mora vsak učitelj Tehnike in Tehnologije, po možnosti pa tudi povprečen učenec, 8

9 dostopnost, saj mora biti potrebno gradivo za izvedbo preskusa splošno dostopno in čim cenejše. Postopki za pripravo preskusa pa morajo biti v mejah možnosti tipične delavnice za Tehniko in Tehnologijo. 5.2 Zasnova modela Pri praktičnem pouku sem si zadala nalogo, da bom izdelala model za prikaz preskusa prožnosti umetnih snovi. Izhajala sem iz upogibnega preskusa. Najprej sem si model skicirala in določila mere za izdelavo modela. Nato sem začela s praktično izdelavo. Oblika modela je razvidna na sliki 6.1. Slika 6.1: Model Model ni razstavljiv, saj je dovolj majhen, da ga pospravimo v majhno škatlo. Njegove dimenzije so 350mm 320 mm 320mm, katere sem izbrala glede na velikost preskušancev. Podstavek je iz vezane ploščebukev, vpenjalna naprava je iz bukve, skala za očitanje odklona pa iz vezane ploščebreza. 5.3 Preskusni vzorci Preskušala bom različne umetne snovi. To so akrilno steklo (PMMA), stiropor (Polistiren) in vekaplan plošča (PVC). Dimenzija preizkušancev: PMMA: , 0 mm PS: , 0 mm PVC: , 0 mm Te preskušance sem si izbrala zato, ker so najbolj poznani učencem, enostavni za obdelavo in najbolj dobljivi. Dobljene rezultate bom primerjala z rezultati iz preglednice 5.1, katere sem našla v priročniku [11]. Preglednica 5.1: Mejna upogibna napetost [3]. Umetna snov σ / [28] PMMA 140 Polistiren 100 PVC Meritve Opis preskusa: Najprej izmerimo površino prereza preskušanca z enačbo S= d s. V zarezo na modelu damo preizkušanec. S pomočjo silomera, preizkušanec vlečemo v pravokotni smeri. Nas zanima sila F pri meji prožnosti, v tej točki pa izračunamo napetost z enačbo σ = F / S. To ponovimo za vse preizkušance. Rezultate zapišemo v tabelo, preglednica

10 Preglednica 5.2: Rezultati preskusa prožnosti umetnih snovi. Umetna snov F / N S / mm 2 σ / N/ mm 2 PMMA 6,0 75,0 0,08 Polistiren 1,3 225,0 0,006 PVC 3,5 75,0 0,05 Ker velikost preskušancev ni enaka tistim iz [3], so rezultati zelo različni. Prav tako, meritve niso primerljive, saj s silomerom ne moremo odčitati natančne sile. S silomerom merimo večje sile. 6 Prožnost umetnih mas pri pouku Preskus prožnosti umetnih snovi bi lahko učenci pri pouku tehnike in tehnologije opravili kar sami na začetku ure, a na drugačen bolj enostaven način, svoje ugotovitve pa bi sproti zapisovali v zvezek. Za preskus prožnosti umetnih snovi pri pouku bomo potrebovali mizo, primež ter različna gradiva iz umetnih snovi, poglavje. O prožnosti bodo sklepali po tem, koliko se bo umetna snov upognila in nato prišla v začetni položaj. Snov bo ostala prožna, dokler je ne upognemo toliko, da se na mestu upogiba malenkostno obeli. Takrat so presegli mejo prožnosti in snov ostane upognjena. To je tudi znak, da bo ob nadaljnjem upogibanju počila ali se odlomila. Nato pa bi učitelj lahko ta preskus izvedel med poukom Tehnike in tehnologije. Vendar pa preskus zahteva veliko časa. Sama priprava vzorcev (žaganje) nam lahko vzame nekaj ur. Za izvedbo preskusa pa bo učitelj potreboval okvirno 20 min. Predhodno je potrebno zelo natančno nažagati vzorce. Predhodno je potrebno tudi pregledati, da nima umetna snov kakšnih nepravilnosti. Menim, da bi bilo zelo dobro dati učencem predhodno liste z razpredelnicami, kamor bi vpisovali rezultate meritev. 7 Sklep V seminarski nalogi sem na kratko predstavila umetne snovi in njihovo grobo razdelitev. Ker je bila moja naloga, da predstavim prožnost umetnih snovi in kako jo preskušamo, sem za boljše razumevanje opisala postopke. Namen seminarske naloge je tudi ta, da si učenci čim več zapomnijo in razumejo. Zato sem v nadaljevanju predstavila preskus, ki ga lahko predstavimo za demonstracijo prožnosti. Pri praktičnem pouku pa sem izdelala model, na katerem lahko preskušamo prožnost različnih materialov. Ta pomaga, da si učenci snov bolje zapomnijo in lažje predstavljajo. Če bi si ta preskus izbrala še enkrat, bi ga izboljšala tako, da bi vzela več različnih preskušancev in sicer bi poleg termoplastov uporabila še duroplaste, napravo bi naredila še enkrat večjo, saj bi bila tako bolj nazorna, silo ne bi merila s silomerom, ampak bi jo z utežjo, saj je z njo lažje odčitati rezultat. Spoznali smo torej, da je pomembno, da učenci poznajo lastnosti umetnih mas, med njimi tudi prožnost. Na osnovi usvojenega znanja, bodo lahko učenci primerno izbrali vrsto umetnih mas za izdelavo izdelka. 8 Literatura [1] A. Papotnik in ostali, Učni načrt Tehnika in tehnologija (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo, znanost in šport, Zavod RS za šolstvo, 2002). [2] Umetne snovi [ [3] J. Navodnik in M. Klopčič, Plastik Orodjar, priročnik (Velenje, Založba Navodnik d.o.o., 1998). [4] L. Oldenburg, Enciklopedija Tehnike (Ljubljana, Cankarjeva založba, 1983). [5] Polimeri [ [6] Raziskovalna naloga delitev polimerov: [ [7] Guštin in ostali, Fizika, leksikon (Ljubljana, Cankarjeva založba, 2008). [8] J. Bezjak, Materiali v tehniki (Ljubljana, TZS, 1997). [9] J. Bezjak, Tehnologija materiala (Ljubljana, TZS, 1997). [10] J. Bezjak, Preiskava materiala (Ljubljana, TZS, 1993). [11] J. Navodnik in M. Klopčič, Plastik Orodjar, priročnik (Velenje, Založba Navodnik d.o.o., 1998). [12] L. Oldenburg, Enciklopedija Tehnike (Ljubljana, Cankarjeva založba, 1983). 10

11 [13] D. Slukan, J. Virtič, Obdelava gradiv umetne snovi (Limbuš, Izotech, 2005). [14] S. Kocijančič in ostali, Tehnika in tehnologija, učbenik za 7. razred devetletne osnovne šole (Ljubljana, TZS, 1999). [15] B. Aberšek, Tehnika 7 Učbenik (Ljubljana, DZS, 2000). [16] B. Aberšek, Tehnika 7 Delovni zvezek (Ljubljana, DZS, 2000). [17] F. Florjančič idr., Tehniški dnevi od 6. do 9. razreda v devetletni osnovni šoli, priročnik za učitelje (Ljubljana, založba Zavoda RS za šolstvo, 2005). [18] A. Guštin in ostali, Fizika, leksikon (Ljubljana, Cankarjeva založba, 2008). [19] S. Koklič, Umetne mase (Celje, Aero copy Celje, 1999). [20] Umetne snovi polietilen [ [21] Umetne snovi embalažna plastika [ [22] Učni načrt za obdelavo gradivumetne mase [ [23] Raziskovalna naloga delitev polimerov: [ [24] Umetne snovi [ [25] Polimeri [ [26] Akrilno steklo [ [27] Stiropor [ [28] Jogurtov lonček [ [29] Plastenka [ 9 Priloge 9.1 Učni list 1. Poveži! AKRILNO STEKLO PLASTENKA LONČEK STIROPOR polistiren Polietilen polimetilmetakrilat PS PMMA PE 2. Kaj so vsi izdelki zgoraj našteti? (Obkroži) a) termoplasti b) duroplasti c) elastomeri 3. Naštej kriterije, katerim mora ustrezati preskus? 11

12 4. Katere tri preskuse lahko uporabljamo za ugotavljanje prožnosti? 9.2 Učni list z rešitvami 1. Poveži! AKRILNO STEKLO PLASTENKA LONČEK STIROPOR polistiren polietilen polimetilmetakrilat PS PMMA PE 2. Kaj so vsi izdelki zgoraj našteti? (Obkroži) d) termoplasti e) duroplasti f) elastomeri 3. Naštej kriterije, katerim mora ustrezati preskus? natančnost ponovljivost primerljivost enostavnost dostopnost 4. Katere tri preskuse lahko uporabljamo za ugotavljanje prožnosti? 12

13 tlačni preskus natezni preskus upogibni preskus 13