Data wykonania ćwiczenia: 5.12.2008 r.
Ochwat Malwina Wojnar Karol
Schuetzmann Magda Wika-Czarnowski Marcin
Kwiatkowska Semiramida Sławiński Piotr
Garncarek Marta Ptasiński Rafał
Landowska Irena Janowicz Machał
Dyck Rafał
Właściwości tworzyw polimerowych przy rozciąganiu.
1. Wstęp teoretyczny.
Próba wytrzymałości na rozciąganie jest ważną metodą badań właściwości tworzyw
sztucznych, która dostarcza wielu istotnych informacji na temat danego materiału. Badanie
tworzyw przy rozciąganiu polega na jednoosiowym odkształceniu próbki o określonych
wymiarach ze stałą prędkością i pomiarze lub rejestracji naprężeń w zależności od
odkształcenia.
(1)
gdzie:
Wykres rozciągania polimerów (Rys. 1.)
pozwala nam scharakteryzować zachowanie się
tworzywa poddanego rozciąganiu  umożliwia
prześledzenie współzależności pomiędzy
odkształceniem i naprężeniem w czasie całego
badania.
Charakterystyczne punkty i przedziały:
Dla zakresu 0-1 odkształcenia są
proporcjonalne do naprężeń (obowiązuje prawo
Hooke a) a wiÄ™c na poziomie ´ wystÄ™puje
1
granica proporcjonalności;
Rys. 1. Schematyczny wykres
rozciÄ…gania.
Zakres 1-2  wzrost obciążenia wprowadza
materiaÅ‚ w obszar odksztaÅ‚ceÅ„ plastycznych; rzÄ™dna punktu ´ odpowiada umownej granicy
2
plastyczności;
Po przekroczeniu granicy plastyczności następuje wydłużenie materiału przy
niewielkim wzroście siły obciągającej;
Punkt 3  pojawia siÄ™ doraz
na granica wytrzymałości na rozciąganie, czyli
maksymalne naprężenie osiągnięte w czasie próby;
Zakres 3-4  siła spada, aż do momentu zerwania próbki;
 Punkt 4  zerwanie próbki.
2. Cel przeprowadzanego ćwiczenia.
Celem ćwiczenia było przeprowadzenie badań własności mechanicznych tworzyw
sztucznych, które poddawaliśmy badaniom wytrzymałościowym na rozciąganie, z
wykorzystaniem maszyny wytrzymałościowej typu Zwick/Roell Z020.
3. Przebieg laboratorium.
Przed przystąpieniem do właściwego badania należało odpowiednio przygotować
próbki. W przypadku poliuretanu i gumy zastosowaliśmy wykrojnik by nadać próbką kształt
wiosełek, natomiast w przypadku LD-PE 04, czyli reklamówki wycięliśmy 4 próbki w
kształcie pasków. Do poliuretanu i gumy zastosowano ten rodzaj próbek, by lepiej
utrzymywały się w szczękach maszyny wytrzymałościowej i zerwanie nastąpiło na odcinku
pomiarowym. Po nadaniu kształtu zwymiarowaliśmy je, by wyliczyć pole powierzchni
przekroju poprzecznego. Suwmiarka posłużyła do zmierzenia szerokości, a przy pomocy
specjalistycznego przyrządu oraz śruby mikrometrycznej w przypadku LD-PE 04,
zmierzyliśmy grubość próbki w trzech różnych miejscach, by móc wyliczyć średnią.
Kolejnym etapem było umieszczenie poszczególnych próbek w szczękach maszyny.
Pierwszym użytym materiałem w próbie rozciągania był poliuretan, następnie badaliśmy
gumę i na końcu LD-PE 04.
A. Poliuretany (PUR lub PU)  to polimery powstajÄ…ce w wyniku addycyjnej
polimeryzacji, wielofunkcyjnych izocyjanianów do amin i alkoholi. Cechą wyróżniającą
poliuretany od innych polimerów jest występowanie w ich głównych łańcuchach ugrupowań
uretanowych [-O-CO-NH-].
Wzór ogólny poliuretanu:
O H
O N R N R
1 2
H O
n
Poliuretany są polimerami łatwiej topliwymi od poliamidów, dzięki czemu łatwiej się je
przetwarza, ale mają też mniejszą odporność mechaniczną. Z poliuretanów produkuje się
włókna elastyczne typu lycra i elastyn, elastomery do najróżniejszych zastosowań od
podeszew butów po elementy zawieszenia samochodów oraz różnego rodzaju pianki oparte
na żywicach poliuretanowych. Ilościowo najważniejszym zastosowaniem poliuretanów są
niewÄ…tpliwie pianki.
Tabela nr 1. Wymiary próbek poliuretanowych.
Próbka nr 1 Próbka nr 2 Próbka nr 3
Grubość [mm] 1,33 1,36 1,4
Szerokość [mm] 6,5 6,9 6,6
Tabela nr 2. Wartości naprężenia w chwili zerwania.
Próbka nr 1 Próbka nr 2 Próbka nr 3 Średnia z trzech próbek
´ [MPa] 4,79 4,34 4,61 4,58
zr
Obliczenie odchylenia standardowego od średniej:
2
(x - x)
"
(2)
S =
n - 1
 średnia arytmetyczna oznaczanej wartości;
x
x  wartość oznaczania dla każdej poszczególnej próbki;
n  liczba pomiarów;
S= 0,23 [MPa]
Średnia wartość naprężenia dla próbki poliuretanowej:
= 4,58 Ä… 0,23 [MPa]
´
zr
Tabela nr 3. Wartości naprężeń i odkształcenia w punktach charakterystycznych.
Próbka nr 1 Próbka nr 2 Próbka nr 3
Naprężenia maksymalne
5,13 5,40 5,50
[MPa]
Naprężenia w chwili
4,79 4,34 4,61
zerwania [MPa]
Odkształcenia w chwili
114,72 221,28 195,10
zerwania [%]
Tabela nr 4. Wartości naprężeń przy których próbka osiąga 100%, 200% wartości
wydłużenia.
Próbka nr 2 Próbka nr 3
Próbka nr 1
´ [MPa] ´ [MPa]
´ [MPa]
µ=100%
5,10 5,28 5,39
µ=200%
  4,88
Wykresy rozciągania poliuretanu obrazujący zależność naprężenia od odkształcenia:
Próbka nr 1 ´=f(µ)
6,00
5,00
4,00
3,00
Serie1
2,00
1,00
0,00
0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00
µ - odksztaÅ‚cenie [%]
Wykres nr 1. Wykres rozciąganie próbki nr 1 poliuretanu.
Próbka nr 2 ´=f(µ)
6,00
5,00
4,00
3,00 Serie1
2,00
1,00
0,00
0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00
µ - odksztaÅ‚cenia [%]
Wykres nr 2. Wykres rozciąganie próbki nr 2 poliuretanu.
´ - naprężenia [Mpa]
´ - naprężenia [MPa]
Próbka nr 3 ´=f(µ)
6,00
5,00
4,00
3,00
2,00
1,00
0,00
-50,00 0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00
µ - odksztaÅ‚cenie [%]
Wykres nr 3. Wykres rozciąganie próbki nr 3 poliuretanu.
B. Guma - to bardzo rozciągliwy materiał, elastomer chemicznie zbudowany z poliolefin,
które są w stosunkowo niewielkim stopniu usieciowane w procesie wulkanizacji. Guma w
ścisłym znaczeniu nie jest odporna na wysoką temperaturę i pali się wydzielając czarny,
gryzący dym. Jest nieprzepuszczalna dla wody. Guma może być elastyczna w zakresie
temperatur od -60 do 220 °C. Jednak w praktyce poszczególne gatunki gumy speÅ‚niajÄ… ten
wymóg tylko w niewielkim zakresie temperatur. Oznacza to, że w zależności od
przewidywanej temperatury pracy urządzenia należy zmieniać rodzaj zastosowanej gumy.
Przykładem mogą być tutaj letnie i zimowe opony samochodowe. Guma może się rozciągnąć
aż 12 razy, nim zostanie zerwana. Wytrzymałość na rozciąganie dla gumy to od 2,5 do 50
MPa. Gęstość gumy waha się w granicach od 1,1 do 2 i więcej g/cm3.
Tabela nr 5. Wymiary próbek poliuretanowych.
Próbka nr 1 Próbka nr 2 Próbka nr 3
Grubość [mm] 2,26 2,23 2,13
Szerokość [mm] 7,3 7 6,8
Tabela nr 6. Wartości naprężenia w chwili zerwania.
Próbka nr 1 Próbka nr 2 Próbka nr 3 Średnia z trzech próbek
´ [MPa] 20,44 19,90 19,48 19,94
zr
Obliczenie odchylenia standardowego od średniej ze wzory (2):
S=0,39
Średnia wartość naprężenia dla próbki gumowej:
= 19,94 Ä… 0,39 [MPa]
´
zr
´ - naprężenia [MPa]
Tabela nr 7. Wartości naprężeń i odkształcenia w punktach charakterystycznych.
Próbka nr 1 Próbka nr 2 Próbka nr 3
Naprężenia maksymalne
20,50 20,00 19,48
[MPa]
Naprężenia w chwili
20,44 19,90 19,48
zerwania [MPa]
Odkształcenia w chwili
500,36 540,70 517,32
zerwania [%]
Tabela nr 8. Wartości naprężeń przy których próbka osiąga 100%, 200%, 300%, 500%
wartości wydłużenia.
Próbka nr 2 Próbka nr 3
Próbka nr 1
´ [MPa] ´ [MPa]
´ [MPa]
µ=100%
1,39 1,52 1,53
µ=200%
2,64 2,64 2,71
µ=300%
5,20 4,47 4,64
µ=500%
20,47 16,54 17,88
Wykresy rozciągania gumy obrazujące zależność naprężenia od odkształcenia:
Próbka nr 1 ´=f(µ)
30,00
20,00
10,00
0,00
-100,00 0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00
µ[%] - odksztaÅ‚cenia
Wykres nr 4. Wykres rozciągania próbki nr 1 guma.
´[MPa] 
naprężenia
9,15894E-
9,15894E-
Próbka nr 2 ´=f(µ)
0,0200089
0,0200089
0,0200089
25,00
0,0200089
0,0400169
20,00 0,0600249
0,1200489
0,2000809
15,00
0,300121
0,440177
10,00
0,580233
0,740297
0,9203691
5,00
1,080433
1,240497
0,00
1,380553
1,500601
-100,00 0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00 1,600641
1,680673
1,740697
µ[%] - odksztaÅ‚cenia 1,780713
1,820729
1,840737
Wykres nr 5. Wykres rozciągania próbki nr 2 guma.
Próbka nr 3 ´=f(µ)
25,00
20,00
15,00
10,00
5,00
0,00
0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00
µ[%] - odksztaÅ‚cenia
Wykres nr 6. Wykres rozciągania próbki nr 3 guma.
´[MPa]  naprężenia
´[MPa]  naprężenia
C. LD-PE 04  tworzywo termoplastyczne niskiej gęstości, uzyskiwany z ropy naftowej.
Gęstość w zakresie 0,910 - 0,940 g / cm ł, nie reaktywny w temperaturze pokojowej,
uzyskiwany w postaci przez
roczystych lub nieprzez
roczystych odmian, elastyczny, ma
szerokie zastosowanie głównie jako pojemniki i plastikowe worki. LDPE jest w
powszechnym recyklingu i ma nr 4 jako symbol recyklingu.
Tabela nr 9. Wymiary próbek polietylenowych.
Próbka nr 1 Próbka nr 2 Próbka nr 3
Grubość [mm] 0,05 0,05 0,05
Szerokość [mm] 14 12,5 12,5
Tabela nr 10. Wartości naprężenia w chwili zerwania.
Próbka nr 1 Próbka nr 2 Próbka nr 3 Średnia z trzech próbek
´ [MPa] 8,7 18,18 8,57 11.82
zr
Obliczenie odchylenia standardowego od średniej ze wzory (2):
S=4,50
Średnia wartość naprężenia dla próbki gumowej:
= 11,82 Ä… 4,50 [MPa]
´
zr
Tabela nr 11. Wartości naprężeń i odkształcenia w punktach charakterystycznych.
Próbka nr 1 Próbka nr 2 Próbka nr 3
Naprężenia maksymalne 8,7 18,18 8,57
[MPa]
Naprężenia w chwili
  
zerwania [MPa]
Odkształcenia w chwili
  
zerwania [%]
Tabela nr 12. Wartości naprężeń przy których próbka osiąga 100%, 200%, 300%, 500%
wartości wydłużenia.
Próbka nr 2 Próbka nr 3
Próbka nr 1
´ [MPa] ´ [MPa]
´ [MPa]
µ=100%
7,67 8,28 7,84
µ=200%
7,85 8,10 
µ=300%
 8,52 
µ=500%
 8,87 
Wykresy rozciągania gumy obrazujące zależność naprężenia od odkształcenia:
Próbka nr 1 ´=f(µ)
10,00
8,00
6,00
4,00
2,00
0,00
-2,00
-50,00 0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00
µ[%] - odksztaÅ‚cenia
Wykres nr 7. Wykres rozciągania próbki nr 1 polietylen.
´[MPa]  naprężenia
Próbka nr 2 ´=f(µ)
20,00
15,00
10,00
c
5,00
0,00
-5,00
-100,00 0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00 700,00 800,00 900,00 1000,00
µ[%] - odksztaÅ‚cenia
Wykres nr 8. Wykres rozciągania próbki nr 2 polietylen.
Próbka nr 3 ´=f(µ)
10,00
8,00
6,00
4,00
2,00
0,00
-2,00
-20,00 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 160,00 180,0
µ[%] - odksztaÅ‚cenia
Wykres nr 9. Wykres rozciągania próbki nr 3 polietylen.
´[MPa]  naprężenia
´[MPa]  naprężenia
Wnioski:
Poliuretany w naszym badaniu wykazywały najmniejsze wydłużenie w stosunku do długości
początkowej. Do zerwania poliuretanów potrzebne było naprężenie rzędu 4,6 MPa. Tak niskie
właściwości wynikają z budowy poliuretanów oraz, że są dość łatwo topliwe i łatwo
formowane. Jedna próbka osiągnęła wydłużenie rzędu 120% przy czym dwie pozostałe
wydłużenie w granicach 200% i 220%. Z czego to wynika? Powodów może być kilka,
chociażby niedokładność wykonania próbki. Próbka o wydłużeniu 120% wyraz
nie odbiega od
reszty. Winić można mikropęknięcia czy inne niedoskonałości próbki albo nieprecyzyjne
wykonanie badania np. niedokładne zamontowanie próbki.
Guma natomiast była najbardziej rozciągniętym polimerem podczas badania. Osiągnęła
wydłużenie ponad 500% przy najwyższym naprężeniu ok 20 MPa. Wszystkie próbki są
porównywalne, nie ma bardzo znacznych odbiegów od pozostałych. Podczas zerwania 2
próbki wyskoczyły z uchwytów. Ogólnie przy rozciąganiu gumy był przy tym problem
ponieważ próbki bardzo łatwo się wyślizgiwały pomimo wykorzystanego papieru ściernego.
Niemniej próbki według norm można użyć za prawidłowe.
LPDE  modyfikowany polietylen sprawił najwięcej  zabawy podczas wykonywania
badania. Próbki były wzięte z reklamówki firmy Carrefour. Ze względy na zgięcia i inne
ledwo widoczne gołym okiem niedoskonałości ostatnia próbka osiągnęła najmniejsze
wydłużenie ok 140%. Zerwanie nie wymagało bardzo dużej siły i maszyna nawet nie
wiedziała o zniszczeniu próbki dlatego próba przebiegała dalej. Pierwsza próbka odkształciła
się o ok 250% natomiast druga próbka była najciekawsza i o 900% zmieniła swoją
początkową długość przy dość wysokim naprężeniu.
Każdy polimer wykorzystany w badaniu ma inne właściwości przez co ma inne zastosowanie.
Wyobraz
my sobie siatki na zakupy zrobione z gumy. Po włożeniu kilku produktów siatkę
byśmy ciągnęli po ziemi, natomiast gdyby była z poliuretanu zbyt szybko uległaby
zniszczeniu. Pomimo różnic pomiędzy tymi 3 rodzajami polimerów każdy ma swoje miejsce
w przemyśle i jest do tego odpowiedni.