1. Wpływ budowy chemicznej i strukturalnej na właściwości mechaniczne polimerów:

Właściwości mechaniczne to zespół cech fizycznych opisujących wytrzymałość materiału na obciążenia takie jak rozciąganie, ściskanie, zginanie, ścinanie, uderzenie itp. Decydują one w dużej mierze o zastosowaniach technicznych danego tworzywa.

Właściwości mechaniczne tworzyw polimerowych zależą od:

• czynników strukturalnych polimeru (budowa, cząsteczkowa i nadcząsteczkowa),

• dodatków: napełniaczy, modyfikatorów własności (np. plastyfikatorów)

• czynników zewnętrznych (temperatura, szybkość odkształceń, środowisko)

Wpływ czynników strukturalnych (morfologii polimerów) na właściwości mechaniczne

Najważniejsze czynniki strukturalne, które decydują o właściwościach mechanicznych to:

1. masa cząsteczkowa, stopień polimeryzacji,

2. budowa chemiczna makrocząsteczki i oddziaływania międzycząsteczkowe,

3. budowa fizyczna (stopień rozgałęzienia makrocząsteczek lub ich usieciowania),

4. morfologia i udział fazy krystalicznej,

5. orientacja makrocząsteczek,

6. wady i niedoskonałości struktury wewnętrznej.

Ad 1. Masa cząsteczkowa

Wraz ze zwiększaniem się masy cząsteczkowej M polimeru rośnie jego wytrzymałość na rozciąganie, twardość, odporność na uderzenie. Po przekroczeniu wartości granicznej M_gr dalszy wzrost masy cząsteczkowej nie powoduje wzrostu właściwości mechanicznych (rys. 1). W polimerach liniowych (np. polietylen) wzrost masy cząsteczkowej związany jest z długością łańcucha (stopniem polimeryzacji – liczby monomerów w jednostce polimeru).

Ad 2. Oddziaływania międzycząsteczkowe

Siły międzycząsteczkowe wiążą makrocząsteczki w agregaty, kompleksy i kryształy. Im większe upakowanie makrocząsteczek w przestrzeni tym oddziaływania międzycząsteczkowe są silniejsze a to powoduje wzrost siły potrzebnej do ich rozdzielenia, czyli wzrost wytrzymałości materiału. Z kolei słabsze siły międzycząsteczkowe sprzyjają dobrej odkształcalności (plastyczności) materiału. Wartość oddziaływań międzycząsteczkowych maleje wraz ze wzrostem temperatury, gdyż następuje wzrost ruchliwości makrocząsteczek, a zatem trzeba przyłożyć mniejsze obciążenie żeby je trwale względem siebie przemieścić. Dla przypomnienia, progowym naprężeniem początku trwałego odkształcenia materiału - jest granica plastyczności R_e, zatem wzrost temperatury obniża granice plastyczności polimeru.

Ad 3. Budowa przestrzenna – stopień rozgałęzienia lub usieciowania

Dla tworzyw polimerowych wytrzymałość mechaniczna jest ściśle związana długością łańcuchów, stopniem rozgałęzienia makrocząsteczek oraz stopniem ich usieciowania (duroplasty). Polimery liniowe nierozgałęzione, jak np. poliamid (PA) (nylon) są mało wytrzymale i giętkie. Długie, silnie rozgałęzione łańcuchy podnoszą wytrzymałość na rozciąganie R_m, moduł E (sztywność), twardość polimeru, ale obniżają wielkość odkształcenia. Przykładem silnie rozgałęzionego polimeru może być polistyren (PS). Połączenie łańcuchów miedzy sobą silnymi wiązaniami kowalencyjnymi (sieciowanie) (duroplasty) podnosi wytrzymałość mechaniczną polimerów. Im wyższy stopień usieciowania tym lepsza wytrzymałość i mniejsza plastyczność. Zwiększenie liczby wiązań sieciujących uzyskuje się przez obróbkę cieplną tzw. dotwardzanie w podwyższonej temperaturze. Przykładem silnie usieciowanego polimeru jest utwardzona żywica epoksydowa (EP) (np. klej epoksydowy).

Ad 4. Morfologia i udział fazy krystalicznej

W polimerach liniowych bez rozgałęzień np. polietylen (PE), polipropylen (PP), poliamid (PA) można otrzymać częściowe uporządkowanie przestrzenne łańcuchów (krystaliczność). Ma to korzystny wpływ na wytrzymałość polimeru, gdyż umożliwia lepsze upakowanie łańcuchów w przestrzeni i silne zbliżenie makrocząsteczek, co wywołuje powstanie silniejszych wiązań pomiędzy łańcuchami (rys. 3). Skutkiem jest lepsza wytrzymałość, sztywność, i wyższa temperatura mięknięcia

Im wyższy stopień krystaliczności, tym wyższy moduł E i moduł G, twardość, wytrzymałość zmęczeniowa, odporność na ścieranie, natomiast zmniejsza się wytrzymałość zmęczeniowa, udarność, zdolność do odkształcenia. Polimery zawierające 90% fazy krystalicznej, pod wpływem obciążenia zachowują się podobnie jak metale, co przejawia się w podobnym kształtem zależności naprężenie - odkształcenie: σ = f(ε).

Oprócz czynników związanych z budową polimeru ogromny wpływ na własności mają czynniki zewnętrzne takie jak temperatura i środowisko. Szczególnie istotny jest wpływ temperatury.

Wpływ temperatury na własności mechaniczne

W odróżnieniu od ceramiki i metali właściwości tworzyw polimerowych w dużym stopniu uzależnione są nawet od niewielkich zmian temperatury. Zakres użytkowania większości tworzyw nie przekracza 150^ºC,a tylko nieliczne z nich mogą być użytkowane do 300 ^ºC.

Wraz ze wzrostem temperatury polimery stopniowo miękną, co objawia się spadkiem modułu sprężystości E (Young’a). Własności polimerów są tak silnie uzależnione od temperatury, że w temperaturach od - 20^ºC do +200^ºC, moduł sprężystości może się zmienić nawet 10³ razy. W przypadku metali i ceramik pozostaje praktycznie niezmienny. Zatem przy projektowaniu z użyciem polimerów konstrukcyjnych konieczne jest uwzględnianie potencjalnych zmian wytrzymałości i sztywności w trakcie eksploatacji nawet w temperaturze otoczenia.

Zjawisko zmiennego zachowania polimerów pod obciążeniem przy wzroście temperatury związane jest ze zmianą ruchliwości makrocząsteczek. Na rysunku 4 pokazano schematycznie zależność modułu Young’a od temperatury polimeru dla polimerów bezpostaciowych: 1 - termoplastycznych, 2 – elastomerów, 3 – duroplastów. Poniżej temperatury T_g, nazywanej temperaturą zeszklenia, polimer jest w stanie sztywnym (nazywanym też szklistym) (obszar A). Makrocząsteczki mogą się sprężyście przemieszczać względem siebie na małe odległości, tak jak atomy w metalach w stanie sprężystym. W miarę wzrostu temperatury rośnie zdolność makrocząsteczek do lokalnych przegrupowań, ale nadal zachowana jest nieruchomość całych makrocząsteczek, polimer jest w stanie szklistym wymuszonej elastyczności (obszar B), a następnie lepkosprężystym (skóropodobnym) (zakres C). Dalszy wzrost temperatury prowadzi do znacznego zwiększenia ruchliwości makrocząsteczek umożliwiającej rozprostowanie skłębionych łańcuchów i powrót do poprzedniego stanu, ale nie trwałe przemieszczenie makrocząsteczek. Zachowanie takie podobne jest do odkształcalności gumy, a stan polimeru określany jest jako wysokoelastyczny, wymuszonej elastycznosci lub gumopodobny (zakres D). Materiał wysokoelastyczny w rozumieniu technicznym oznacza materiał charakteryzujący się znaczną sprężystością powrotną (ang. elastic - sprężysty), w którym po cofnięciu obciążenia materiał wraca do poprzedniego kształtu. Przekroczenie temperatury płynięcia T_m (m - melting) powoduje prawie całkowite zmniejszenie sił międzycząsteczkowych i nawet najmniejsze obciążenie powoduje wzajemne trwałe przemieszczanie się łańcuchów polimeru. Takie zachowanie określa się mianem stanu lepko płynnego (zakres E).

1. Definicja naprężenia i odkształcenia:

Naprężenie, miara sił wewnętrznych powstających w ciele pod wpływem zewnętrznej, odkształcającej siły. W danym punkcie naprężanie określone jest wektorem P=dF/dS, gdzie dF/dS oznacza siłę działającą na nieskończenie mały element powierzchni przekroju ciała.
Naprężenie dzieli się na: działające w kierunku prostopadłym do powierzchni przekroju S, nazywane naprężeniem normalnym σ, oraz na działające w kierunku stycznym do powierzchni (naprężenie styczne τ), przy czym zachodzi równość P²=σ²+τ².

Odkształcenie, zmiana wzajemnych odległości pomiędzy punktami ciała, powstająca w wyniku naprężeń spowodowanych przez rozciąganie, ściskanie, zginanie lub skręcanie ciał. Wyróżnia się: odkształcenie sprężyste, gdy odkształcenie zanika po ustaniu naprężenia, i odkształcenie plastyczne.

1. Charakterystyka krzywych naprężenie-odkształcenie:

Typowy wykres naprężenie-odkształcenie pokazuje rysunek po lewej. Początkowo wzrost naprężenia powoduje liniowy wzrost odkształcenia. W zakresie tym obowiązuje prawo Hooke'a. Po osiągnięciu naprężenia R_sp, zwanego granicą sprężystości materiał przechodzi w stan plastyczności, a odkształcenie staje się nieodwracalne. Przekroczenie granicy sprężystości, zauważalne w okresie chwilowego braku przyrostu naprężenia, powoduje przejście materiału w stan plastyczny. Dalsze zwiększanie naprężenia powoduje nieliniowy wzrost odkształcenia, aż do momentu wystąpienia zauważalnego, lokalnego przewężenia zwanego szyjką. Naprężenie, w którym pojawia się szyjka, zwane jest wytrzymałością na rozciąganie R_m. Dalsze rozciąganie próbki powoduje jej zerwanie przy naprężeniu rozrywającym R_u. (Uwaga! Wykres przedstawia dwie linie. Przerywana pokazuje naprężenie rzeczywiste obliczane przy uwzględnieniu przewężenia próbki. Linia ciągła pokazuje wykres naprężenia obliczanego przy uwzględnieniu pola wyjściowego próbki. Czyni się tak, by zaobserwować wartość R_m, będącą lokalnym maksimum krzywej). Ten ogólny przypadek znacznie różni się dla różnych materiałów. Np. materiały sprężyste, jak stale wysokowęglowe, żeliwa, stale sprężynowe, nigdy nie przechodzą w stan plastyczny, lecz wcześniej ulegają zerwaniu. Dla wielu materiałów granica plastyczności jest trudna do określenia, gdyż nie istnieje wyraźnie przejście z zakresu sprężystego do plastycznego.

Na podstawie wyników pomiarów statyczną próbą rozciągania można określić podstawowe wielkości wytrzymałościowe materiału, jakimi są: R_e, R_m, moduł Younga i współczynnik Poissona.

1. Charakterystyka materiałów ciągliwych i kruchych w próbie rozciągania,:

Ciągliwość: zdolność materiału do akomodacji odkształceń plastycznych bez zniszczenia

Materiały ciągliwe: zniszczenie poprzedzone znacznymi odkształceniami plastycznymi, duża energia potrzebna do zniszczenia 

Materiały kruche: zniszczenie bez makroskopowych odkształceń plastycznych, mała energia potrzebna do zniszczenia

Miary ciągliwości:

·     wydłużenie procentowe: 100e_f,

( materiał kruchy: e_f ≤ 5 % ; materiał ciągliwy: e_f > 5 % )

·     przewężenie procentowe: ,

gdzie: A_f - końcowa powierzchnia przekroju.

Kruchość (k) – przyjęto, że jest to stosunek wytrzymałości na rozciąganie ( R_r ) do wytrzymałości na ściskanie ( R_c ); wielkość tę oblicza się wg wzoru: k=R_r/R_c

Jeżeli wartość k < 1/8 to mamy do czynienia z materiałem kruchym (żeliwo, szkło, skały, beton zwykły, ceramika). Materiały kruche po przekroczeniu pewnej wartości naprężenia ulegają zniszczeniu, nie wykazując żadnych odkształceń plastycznych. Charakteryzują się dużymi różnicami wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie, np. wytrzymałość na rozciąganie materiałów kamiennych wynosi 1/40 – 1/60 wytrzymałości na ściskanie.

Z analizy próby rozciągania i ściskania różnych materiałów wynika, że podczas ściskania prawie każdy materiał wykazuje znaczne odkształcenia plastyczne. Podczas rozciąganiu ta prawidłowość nie zachodzi. W zależności od tego, jak zachowują się materiały w próbie rozciągania, rozróżniamy materiały ciągliwe (wykazujące duże odkształcenia plastyczne) i kruche, które nie mają prawie żadnych własności plastycznych podczas rozciągania

1. Wpływ szybkości rozciągania na wytrzymałość materiałów polimerowych:

Wpływ prędkości odkształcenia na wytrzymałość na rozciąganie: Wytrzymałość wzrasta wraz ze wzrostem prędkości odkształcenia stosowanej w trakcie badania.

Temperatura również ma wpływ na właściwości reologiczne. Wraz z jej wzrostem zwiększają się odkształcenia w próbkach materiału, oraz zmniejsza wytrzymałość.

Granica plastyczności wzrasta bardzo wyraźnie ze wzrostem prędkości odkształcenia, przy czym odkształcenie graniczne przy zerwaniu maleje. W zwykłych próbach rozciągania prędkość odkształcenia wynosi 10−4 10−1 1/s. Większe prędkości uzyskuje się przy zastosowaniu młotów (do 104 1/s). Normy badań materiałów określają ściśle prędkości odkształcenia (lub obciążania).

1. Krzywa rozciągania stali:

Krzywa Rozciągania dla stali znajduje się w pktcie 3.

Krzywa rozciągania stali ma w początkowym zakresie charakter liniowy. Obowiązuje prawo Hooke ’a – naprężenia w materiale zależą bezpośrednio od odkształcenia. To bardzo upraszcza sprawę – wystarczy znać moduł Younga i można w prosty sposób wykonywać obliczenia wytrzymałościowe w zakresie liniowym. Dopóki granica plastyczności materiału nie jest przekroczona,wiadomo, że wyniki są prawdziwe. Tworzywa sztuczne, takie jak popularne w motoryzacji poliamidy, zachowują się w sposób liniowy na bardzo krótkim odcinku krzywej rozciągania (zwłaszcza w podwyższonych temperaturach). Aby uzyskać dokładne wyniki, obliczenia wytrzymałościowe, za pomocą metody elementów skończonych, wymagają stosowania rzeczywistej krzywej rozciągania lub skomplikowanych modeli materiałowych. Inżynier, który ma za zadanie obliczenie wytrzymałości elementów z tworzyw sztucznych, musi dodatkowo uwzględnić kilka cech tworzyw sztucznych, z którymi ma rzadko do czynienia, obcując z bardziej tradycyjnymi materiałami konstrukcyjnymi takimi jak np. metale. Jedną z tych właściwości jest lepkosprężystość. W przeciwieństwie do metali, które należą do materiałów sprężysto-plastycznych, niektóre tworzywa sztuczne wykazują cechy lepkosprężystości. Jeżeli element konstrukcji wykonany np. z polietylenu zostanie poddany obciążeniom, które będą szybko narastały, to pęknie wykazując niewielkie odkształcenia plastyczne.Jeżeli natomiast ten sam element obciąży się bardzo powoli to okaże się, że nie podlega on zniszczeniu pomimo znacznych – kilkudziesięcio procentowych – odkształceń. Właściwość ta jest bardzo istotna i nie można o niej zapomnieć podczas projektowania elementów z tworzyw sztucznych. Nie można jej również pominąć podczas wykonywania prób wytrzymałościowych tworzyw, które należy zawsze przeprowadzać z uwzględnieniem zaleceń odpowiednich norm. Kolejnymi właściwościami, o których można zapomnieć w przypadku metali, ale których nie można zbagatelizować projektując i weryfi kując obliczeniowo elementy z tworzyw sztucznych są właściwości statyczne – długotrwałe.

W trakcie przeprowadzonych badań wyznacza się:

· Moduł Younga, moduł sprężystości podłużnej, charakteryzuje odkształcalność

materiału [MPa].

· Naprężenie przy zerwaniu, stosunek siły przyłożonej do przekroju próbki w

momencie jej zerwania [MPa].

· Wydłużenie przy zerwaniu, określające o ile procent w stosunku do bazy

pomiarowej wydłuży się próbka do momentu jej zerwania [%].

· Naprężenie maksymalne, stosunek maksymalnej siły przyłożonej do jej

przekroju próbki. [MPa]

· Wydłużenie przy maksymalnym obciążeniu, czyli procentowe wydłużenie

próbki w momencie przyłożenia największej siły [MPa]