Nr grupy:	E-mail:	Data oddania sprawozdania: 12.06.2013	Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Automatyka i Robotyka
Nr zespołu:
Temat: pomiar właściwości lepkosprężystych polimerów
Data wykonania: 22.05.2013	Prowadzący: dr inż. Marcin Kot	Ocena:
		Podpis prowadzącego:

Cel ćwiczenia: Analiza właściwości lepkosprężystych polimeru PTFE w temperaturach 20 i 100°C i kompozytów na osnowie PTFE z domieszkami grafitu (15%) i proszku brązu (40%).

-I- Część teoretyczna:

1) Odkształcenia lepkosprężyste mają charakter odkształceń sprężystych, jednak odkształcenie powrotne zachodzi tutaj w pewnym nieco dłuższym okresie czasu, zwanym czasem relaksacji. Czas relaksacji danego materiału zależy od temperatury w jakiej przebiegało jego odkształcenie.

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2) Polimery (jak również inne ciała) odkształcają się pod wpływem zewnętrznych sił w skończonym czasie.

Nauka, która badaja te zjawiska to:

Reologia – dział mechaniki ośrodków ciągłych zajmujący się plastycznymi deformacjami (odkształceniami) oraz płynięciem materiałów. Termin reologia został zaproponowany przez Eugene'a Binghama w 1920 r. pod wpływem sugestii Markusa Reinera, zainspirowanej przez słynne stwierdzenie Heraklita "panta rhei", czyli "wszystko płynie".

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

3) Możemy wybrać jeden z wielu modeli mechanicznych obrazującyc h własności reologiczne tworzyw sztucznych – ciał lepkosprężystych.

Materiał liniowo-sprężysty (ciało Hooka)

Materiał lepki (ciecz Newtona)

Schematy te pokazują nam jak odkształcają sie polimery przy obciążeniu siłą.

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

4) Rodzaje odkształceń:

Odkształcenie sprężyste –ciała odkształcają się pod wpływem działającej siły ale po usunięciu jej ciało wraca do pierwotnego kształtu. Odkształcenie jest proporcjonalne do działającej siły i współczynnik proporcjonalności nazywany jest stała Younga.

Odkształcenie plastyczne w tym przypadku ciało trwale zmienia swój kształt i nawet po usunięciu siły nie powraca do pierwotnego kształtu.

Odkształcenia lepkosprężyste mają charakter odkształceń sprężystych, jednak odkształcenie powrotne zachodzi tutaj w pewnym nieco dłuższym okresie czasu, zwanym czasem relaksacji. Czas relaksacji danego materiału zależy od temperatury w jakiej przebiegało jego odkształcenie.

Sumaryczne odkształcenie zachodzące w tworzywie sztucznym jest sumą odkształceń: sprężystego, lepkosprężystego i plastycznego, ponieważ wszystkie w nim zachodzą i wszystkie trzeba przeanalizować.

Ponadto, interpretacja odkształcenia w funkcji czasu obrazuje, iż w miarę postępującego odkształcenia sprężystego, przeradza się ono w odkształcenie elastyczne (sprężyste opóźnione), aby przekształcić się w odkształcenie plastyczne trwałe. Po zdjęciu obciążenia, nanostruktura materiału zdąża do odtworzenia się. Następuje zanik odkształcenia sprężystego natychmiastowego i elastosprężystego, w określonym czasie reakcji. Próbka nie odtwarza swej pierwotnej długości, z powodu odkształcenia plastycznego trwałego.

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

5) Głównym składnikiem badanych próbek jest politetrafluoroetylen (w skrócie PTFE). Polimer ten znany jest pod nazwą teflon, lecz ta nazwa została zarezerwowana przez amerykańską firmę DuPont, która opatentowała jego syntezę, produkcję i daje koncesje innym fabrykom. E. I. du Pont de Nemours and Company szerzej znany jako DuPont – jest to jeden z największych koncernów chemicznych na świecie. Firma została założona w czerwcu 1802 roku i zajmowała się na początku istnienia prowadzeniem młyna produkującego proch czarny. Jej założycielem był Éleuthère Irénée du Pont de Nemours. Firma początkowo rozwijała się w Brandywine Creek niedaleko Wilmington w amerykańskim stanie Delaware. Złota era tego koncernu nastała w XX wieku. Jego naukowcy jako pierwsi wytworzyli takie materiały jak nylon, teflon oraz kevlar. W Polsce znany jako tarflen i jest produkowany w Zakładach Azotowych w Tarnowie. Inną nazwą handlową jest fluon

Ciekawostka:

Swój sukces może zawdzięczać komisarzowi ds. narkotyków w USA, Harry'emu J. Anslingerowi, korzystającemu ze wsparcia magnata prasy brukowej Williama Randolpha Hearsta, który rozpętał masową histerię na temat marihuany, całkowicie delegalizując konopie - roślinę włóknistą o wszechstronnym zastosowaniu. Anslinger działał na zlecenie spółki DuPont, która widziała realne zagrożenie dla swojego rozwoju w konopiach.

DuPont jest jednym z liderów rewolucji w materiałach polimerowych. Obecnie jest jednym z globalnych koncernów z kapitałem w granicach 25 mld dolarów (prognoza na 2004 rok).

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

6) Jednym z wynalazców DuPont była Polka: Stephanie Kwolek, której rodzice wyemigrowali do Stanów Zjedonoczonych. Stała na czele zespołu, który w 1964 r. wynalazł kevlar. Jest posiadaczką 28 patentów.

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

7) Pojęcia przydatne przy tym temacie:

*Stała sprężystości - stała określająca wielkość odkształcenia w odpowiedzi na siły działające na ciała sprężyste.

*Pełzanie - powolne odkształcenie kształtu materiału na skutek działania stałych, długotrwałych obciążeń, mniejszych od granicy sprężystości materiału. Pełzanie zachodzi o wiele szybciej w wysokich temperaturach.

*Relaksacja - spadek naprężeń w czasie, przy stałych odkształceniach wskutek płynięcia materiału.

*Temperatura mięknienia - temperatura, przy której materiał przechodzi ze stanu stałego w ciekły. Materiały, dla których możemy zastosować temperaturę mięknienia to np:

~~polimerowe tworzywa

~~metale i ich stopy

~~szkło

~~materiały ceramiczne

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-II- Część doświadczalna:

1) Pomiary przeprowadzono przy stanowisku badawczym Micro-Combi-Tester szwajcarskiej firmy CSEM. Jest to bardzo precyzyjne urządzenie przeznaczone do wyznaczenia mikromechanicznych właściwości materiałów oraz cienkich warstw. Jest wyposażony w system zbierania i archiwizacji wyników pomiarowych. Badaną próbkę umieszcza się na stole roboczym. Następnie przeprowadza się pomiar polegający na wciskaniu wgłębnika, o kształcie kuli w próbkę z zadanym obciążeniem i szybkością obciążania w dowolnym cyklu czasowym.

Przebieg pomiarów:

- badaliśmy 4 próbki:

• PTFE + 40% proszku brązu w temperaturze 20 stopni Celsjusza

• PTFE + 15% grafitu w temperaturze 20 stopni Celsjusza

• PTFE w temperaturze 20 stopni Celsjusza

• PTFE w temperaturze 100 stopni Celsjusza

- praca MCT polegała na uzyskaniu siły 1N w czasie 10 sekund,

- utrzymaniu tej siły przez 1 minutę,

- po upływie 1 minuty, znów w czasie 10 sekund siły była obniżana do wartości 10mN

- jednominutowe utrzymanie działającej siły,

- dodatkowo do próbki z PTFE potrzebowaliśmy grzałki aby zwiększyć temperaturę do 100 stopni

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2) Wszystkie wyniki zostaną przekazane w postaci wykresów.

Wykresy głębokości penetracji i siły zostały nałożone na siebie aby zobrazować to, że mimo iż obciążenie zostało utrzymane na poziomie 1N przez 60 s to głębokość penetracji czyli wgłębianie się kulki ciągle postępuje. Dzieje się tak ponieważ podczas stałego obciążenia próbki dominują odkształcenia lepkosprężyste.

Powyższe cztery wykresy przedstawiają względne zmiany głębokości penetracji w czasie.

Na powyższych czterech wykresach zaznaczono głębokości penetracji w zależności od deformacji jakie zaszły w danym czasie.

Wykresy zbiorcze:

-III- Wnioski:

1) Największe odkształcenie otrzymaliśmy dla PTFE w ogrzanego w 100 stopniach Celsjusza, co sprawia, że nasuwa się wniosek o dużym wpływie temperatury na odkształcanie polimerów.

2) Najmniejsze odkształcenie zachodzi dla kompozytu PTFE z zawartością 15% grafitu oraz troszkę większe dla PTFE z 40% brązu - polimery wraz z domieszkami stają się mocne i bardziej odporne na odkształcenia.

3) Wszystkie próbki odkształcały się w podobny sposób: po bardzo szybkim odkształceniu sprężystym, nastąpiło z biegiem czasu, przy stałym naprężeniu, dalsze odkształcenie, będące sumą odkształceń lepkosprężystych i plastycznych. Po osiągnięciu maksymalnego nacisku, obserwowaliśmy, mimo iż siła pozostawała taka sama, dalsze odkształcenie próbek co było jednym z celów naszych badań.

4) Po zmniejszeniu siły obciążającej do 10mN nastąpił szybki zanik odkształcenia sprężystego, a potem po pewnym czasie również lepkosprężystego

5) W naszych ostatnich wykresach możemy zobaczyć przesunięcie w czasie dla próbki PTFE w 100 stopniach Celsjusza -- jest to spowodowane różniącym się delikatnie czasem zapisu, jednak nie przeszkadza on w odczytaniu wyników.

6) Polimery nie są aż tak mocne i odporne na uszkodzenia. Dopiero po dodaniu różnego rodzaju dodatków stają sie one odporniejsze. Dlatego też polimery można uznać za przyszłościowe, ponieważ można wynajdywać coraz to nowsze połączenia polimerów z dodatkami otrzymując nieraz niezwykłe rezultaty -- innowacyjne materiały.