Pomiar właściwości lepkosprężystych polimerów i kompozytów polimerowych.

Grupa nr 7, zespół nr 2

Ćwiczenie ma na celu:

Zbadanie właściwości modułu sprężystości oraz właściwości polimerów lepkosprężystych i kompozytów polimerowych.

Wstęp

W tworzywach sztucznych rozróżniamy trzy rodzaje odkształceń:
- sprężyste (ε_spr),
- plastyczne (ε_pl),
- lepkosprężyste (ε_vis).
Sumaryczne odkształcenie zachodzące w tworzywie sztucznym wyrażone jest wzorem:

εc = εspr + εpl + εvis

Odkształcenia plastyczne należą do odkształceń trwałych. Odkształcenia sprężyste zanikają od razu po usunięciu obciążenia, które je wywołało, natomiast odkształcenia lepkosprężyste charakteryzują się tym, że zanik następuje z opóźnieniem, po określonym czasie (czas relaksacji).

Przebieg ćwiczenia

Pomiary zostały wykonane za pomocą urządzenia MCT wyposażonego w stalową kulę, wciskaną w powierzchnię każdej próbki materiału, po uprzednim przygotowaniu materiałów odpowiednio wcześniej przygotowanej. Zmierzone zostały:
siła nacisku,
głębokość penetracji.
Podczas pierwszych 10 sekund obciążenie narastało liniowo, aż do momentu osiągnięcia poziomu 1N, który utrzymywany został przez następne 60s. Potem w czasie 10 sekund obciążenie zostało zmniejszone do 10mN i utrzymane na tym poziomie przez 60s. Pomiar każdej próbki składał się z dwóch takich cykli.

Materiały poddane pomiarom:

1. PTFE – politetrafluoroetylen (przedstawiciel termoplastów),

2. PI – poliimid (przedstawiciel termoplastów),

3. PU – poliuretan (przedstawiciel elastomerów),

4. KSP – żywica poliestrowa z 70% włókien szklanych (przedstawiciel termo/chemoutwardzalnych polimerów).

Następnie siła zostaje zmniejszona do minimalnej wartości 10mN i utrzymana na tym poziomie przez 60s. Wówczas zachodzi powrót materiału do jego poprzedniego kształtu, wynikający z deformacji lepkospręzystych. Żaden z materiałów nie wraca jednak całkowicie do poprzedniego kształtu, ponieważ podczas wciskania kulki zaszły w nim trwałe odkształcenia. Na ostatnich wykresach znajdują się obliczenia dotyczące tego, w jakim stopniu każdy z materiałów odkształcił się trwale, w jakim lepko sprężyście (Visco), a w jakim sprężyście, np. poliuretan odkształcił się w minimalnym stopniu, niemal całkowicie wrócił do swojego poprzedniego kształtu – odkształcenia plastyczne wyniosły tylko ok. 4%, a politetrafluoroetylen odkształcił się względnie najbardziej – odkształcenia plastyczne to aż ponad 32% wszystkich odkształceń.

Na podstawie tych badań można dla każdego z materiałów określić tzw. moduł Younga, wielkość mówiącą o sprężystości materiału. Wyniki przedstawia tabela:

	Materiał	PTFE	poliimid	poliuretan	żywica poliestrowa
Moduł Younga [Gpa]	Cykl I	0,6113	2,8471	0,072346	13,852
	Cykl II	0,61989	2,8443	0,072351	14,167
	Średnia wartość	0,615595	2,8457	0,0723485	14,0095

Największą sprężystością odznacza się materiał o najmniejszej wartości modułu Younga, czyli poliuretan – zaszły w nim względnie najmniejsze odkształcenia trwałe. Najmniejszą sprężystość ma KSP, żywica poliestrowa z 70% zawartością włókien szklanych.

Wnioski

Na podstawie tego typu badań określających moduł Younga, jesteśmy w stanie wybrać taki materiał spośród ogromu tworzyw sztucznych, którego użycie będzie najbardziej satysfakcjonujące. Na przykład z poliuretanów produkuje się włókna elastyczne (lycra, elastan), które znajdziemy w damskich rajstopach. Ilościowo najważniejszym zastosowaniem poliuretanów są pianki, m. in. gąbka do mycia naczyń. W składzie klejów, czy kitów znajdziemy utwardzalne żywice poliestrowe. Z kolei politetrafluoroetylen znajdziemy w każdej kuchni, ponieważ wiele patelni jest pokrytych warstwą „teflonu”, który zapobiega przywieraniu potraw do dna naczynia.