Sprawozdanie z laboratorium „Pomiar właściwości lepkosprężystych polimerów”
Zespół: I IMIR XX środa, 16.04.2008, godz. 13.15
XXXXXX
Wstęp i opis próby:
Podczas ćwiczenia poddano zgniotowi 4 próbki PTFE (teflon): czystego oraz z domieszkami dwóch pierwiastków: brązu oraz grafitu. Był on wykonywany stałą siłą 1N w dwóch temperaturach 20st C i 72st C. Próbkę z zawartością 40% brązu zgniatano w obydwu temperaturach, resztę w temperaturze pokojowej.
Próbka PTFE w temperaturze 20st C
Próbka PTFE +40% brązu w temperaturze 20st C
Próbka PTFE +40% grafitu w temp. 20st C
Próbka PTFE+ 40% brązu w temp. 72stC
Doświadczenie składało się z 2 faz: pierwsza polegała na uzyskaniu docisku kulki do próbki przy wzrastającej siły 1N. Drugą fazą był zgniot przy stałej sile 1N, który trwał 120s. W każdej z faz, maszyna pomiarowa rejestrowała dokładny czas, dokładną siłę, oraz wartość wgłębienia.
Analiza wyników i wnioski.
Lepkosprężyste polimery wykazują specyficzne dla siebie właściwości.
Ich specyfiką jest to że posiadają dwie temperatury „topnienia”, niższą (temperaturę zeszklenia ) oraz wyższą ( temperatura płynięcia ) Poniżej temperatury zeszklenia materiał jest kruchy i niesprężysty. Natomiast powyżej temperatury płynięcia materiał jest w stanie lepkopłynnym. Przy dalszym wzroście temperatury, właściwości sprężyste zanikają a materiał staje się po prostu cieczą. Najbardziej pożądanymi przez inżynierów właściwościami polimerów są właśnie te, które występują w stanie wysokoplastycznym, tj. w temperaturach między temp zeszklenia a temp płynięcia. Odkształcenia zachodzące wtedy w materiale są inne, niż w przypadku np. stali. Odkształcenia te, nie są tylko wynikiem odkształceń sprężystych i plastycznych. Dodatkowo, w tworzywach sztucznych występują odkształcenia lepkosprężyste. Na podstawie wyników badań laboratoryjnych widać, że odkształcenia lepkosprężyste nie zanikają od razu a wymagają pewnego okresu czasu. Co więcej, podczas naszych badań, przez okres 120 sek. gdy obciążenie miało wartość maksymalną i było stałe kulka nadal coraz bardziej zagłębiała się w próbce. Związane jest to z „płynięciem” próbki, czyli właśnie lepkosprężystością polimerów. Czas potrzebny na powrotne odkształcenie lepkosprężyste nosi nazwę czasu relaksacji.
Czas ten zależy oczywiście od materiału, wielkości odkształcenia oraz od temperatury.
Tworzywa sztuczne wykazują również ciekawą cechę zmienności modułu Younga. Moduł ten, będący miarą sprężystości materiału nie jest stały. Zmienia się w zależności od temperatur oraz czasu.
Wykres [1] pokazuje, że wartość odkształcenia powrotnego nie jest równa wartości odkształcenia początkowego. Następuje odkształcenie sprężyste, dalej, po ustabilizowaniu się wartości siły następuje wspomniane wyżej „płynięcie materiału”. Dlatego właśnie, po odjęciu siły w materiale zachodzą tylko powrotne odkształcenia sprężyste. Odkształcenia lepkosprężyste będą wymagały odpowiedniego czasu relaksacji, natomiast powrotne odkształcenie plastyczne (a tym samym powrócenie do poprzedniej struktury materiału) możliwe jest tylko po odpowiednim podgrzaniu elementu.
Wykres [3] będący znormalizowaną wersją wykresu [2] ukazuje zmianę modułu relaksacyjnego w zależności od czasu. Widać różny moduł relaksacyjny dla materiałów o różnym składzie oraz dla próbek o różnej temperaturze. Dzięki takim wykresom, możemy dobrać odpowiednie tworzywo sztuczne dla elementu, który pracować będzie w określonych temperaturach a konieczne jest, by zachowywał właściwości sprężyste.
Z przeprowadzonych badań wynika, że odpowiednimi właściwościami polimerów można sterować poprzez odpowiednie domieszki. Kontrolują one twardość, temperatury graniczne (zeszklenia i płynięcia). Odpowiednie domieszki wpłyną też na własności elektryczne i magnetyczne.