SPRAWOZDANIE

Produkty chemiczne

Polimery cz. 2.

1. Wprowadzenie.

Wykonywane ćwiczenie miało na celu zrozumienie właściwości konstrukcyjnych różnych polimerów w porównaniu do metalu. Skupiono się w nim na określeniu właściwości materiałów, możliwych do zaobserwowania podczas próby rozciągania oraz przy znacznym obciążeniu używając konsystometru Höpplera.

Próba rozciągania jest jedną z podstawowych metod badań właściwości mechanicznych materiałów konstrukcyjnych. Na podstawie wyników otrzymanych podczas wykonywania próby można wyznaczyć szereg parametrów opisujących charakterystykę badanego materiału: wytrzymałość na rozciąganie, wyraźną granicę plastyczności, umowną granicę plastyczności, wartość naprężenia rozrywającego, wydłużenie względne, przewężenie względne, a także stałe materiałowe w postaci modułu Younga oraz współczynnika Poissona. Znajomość tych parametrów jest niezbędna konstruktorom na etapie projektowania obiektów mechanicznych, optymalizacji ich kształtu, wymiarów i masy.

1. Podstawowe definicje.

Sztywność – materiał sztywny jest to materiał nie podatny na wyginanie.

Wytrzymałość – materiał jest wytrzymały jeśli nie poddaje się łatwo uszkodzeniom.

Naprężenie – jest to siła przypadająca na jednostkę przekroju badanej próby

Odkształcenie – widoczna zmiana kształtu materiału, może być trwałe lub nietrwałe

Plastyczność - zdolność materiału do odkształcenia plastycznego bez jego zniszczenia. Po zniszczeniu można zaobserwować znaczne odkształcenia. Uszkodzenie materiału wymaga dużej energii. Materiały te wykorzystywane są do konstrukcji elementów absorbujących energię mechaniczną lub drgania. Istotnymi parametrami eksploatacyjnymi są również ich odporność na przeciążenia i zdolność do relaksacji naprężeń.

Kruchość - niezdolność materiału do odkształcenia plastycznego – nie występuje znaczne wydłużenie ani przewężenie materiału przy próbie rozciągania, po zniszczeniu występuje przełam gładki czyli przełom bez makroskopowych odkształceń plastycznych. Uszkodzenie materiału wymaga małej energii.

Pełzanie -  powolna zmiana kształtu materiału w czasie wskutek działania stałych, długotrwałych obciążeń, mniejszych od granicy sprężystości materiału.

Opóźniony powrót plastyczny – polega na przesunięciu w czasie powrotu do poprzedniego kształtu – jest to zachowanie charakterystyczne dla materiałów lepkosprężystych.

Relaksacja naprężeń – proces zmniejszenia naprężenia w czasie przy zachowaniu odkształcenia.

Prawo Hooke’a – inaczej prawo liniowej sprężystości – opisuje zachowanie materiałów kruchych w próbie rozciągania, ale także wszystkich materiałów przed przekroczeniem granicy plastyczności.

σ = E • ε

Gdzie:

σ – naprężenie (wyrażane również jako siła odniesiona do powierzchni przekroju próbki)

E – moduł Younga (wyrażany również jako tangens konta pomiędzy wyznaczoną prostą a osią x)

ε – odkształcenie (wyrażane również jako różnicę wydłużenia odniesioną do długości początkowej)

1. Opis doświadczeń.

   1. Próba rozciągania.

Pod działaniem obciążenia materiał ulega odkształceniu. Jeżeli po ustaniu obciążenia materiał wraca do pierwotnego kształtu i wymiarów jest to odkształcenie sprężyste. Po przekroczeniu pewnego granicznego obciążenia występują w materiale odkształcenia trwałe, nie znikające po ustąpieniu działania obciążenia – tę zdolność do utrzymania odkształceń nazywa się plastycznością. Materiały plastyczne są ciągliwe, w przeciwieństwie do materiałów nie mających własności plastycznych, które nazywa się kruchymi.

Próba rozciągania polega na zastosowaniu pewnego naprężenia w materiale badanym w celu zaobserwowania jego reakcji. Poszczególne materiały będą się różnie zachowywać w tej próbie. Rozciąganie próbek przeprowadza się w maszynach wytrzymałościowych zaopatrzonych w odpowiednie szczęki pozwalające na pewne zamocowanie badanej próbki, dynamometr pozwalający na pomiar siły działającej na próbkę oraz czujnik przemieszczenia rejestrujący wydłużenie względem długości początkowej próbki. Próbkę mocuje się w szczękach, po czym działa się z równomierną szybkością rozciągania.

Materiał sprężysty – cechuje się odwracalnością i niezależnością od czasu. Materiał po ustąpieniu naprężenia natychmiast wraca do poprzedniego kształtu. Nie występują odkształcenia trwałe.

Materiał lepki – jest odwrotnością materiału sprężystego i cechuje się nieodwracalnością oraz zależnością od czasu. Występują tylko odkształcenia trwałe, które rośnie wraz z czasem stosowania naprężenia.

Materiał lepkosprężysty – jest to materiał o właściwościach pośrednich. Cechuje się odwracalnością i zależnością od czasu, co powoduje opóźnienia w powrocie do pierwotnego kształtu (opóźniony powrót sprężysty). W takim materiale można zaobserwować również zjawisko pełzania oraz relaksacji naprężeń. Jest to zachowanie charakterystyczne dla większości polimerów.

Materiał plastyczny – jest to materiał, który cechuje się nieodwracalnością i niezależnością od czasu.

Próby przeprowadzano dla materiałów o wymiarach przekroju: 10x4mm. Z przeprowadzonych prób dla różnych polimerów otrzymano następujące wyniki:

Test wytrzymałościowy	Szybkość rozciągania [mm/min]	F [N]	Wydłużenie [mm]	Zakres [N]
Polistyren	10	2000	3,8	4000
	10	2000	4,8
	100	2000	5,5
	100	2100	6,1
Polipropylen	10	600	64,5	4000
	100	700	34,3
	700	760	28,6
Polietylen (relaksacja)	100	4,0	Materiał nie uległ zerwaniu, ponieważ próba ta miała wykazać relaksację naprężeń.	1000
Metal (brak relaksacji)	50	2580	14,8	4000
	100	2400	17,8

Badanie polistyrenu wykazało, że materiał ten wykazuje niewielkie różnice w odkształceniu przy wzroście szybkości rozciągania (max. 2,3mm długości). Badanie polipropylenu jednak dało już znacznie bardziej rozbieżne wyniki dla zmiennych szybkości. Największe wydłużenie uzyskano rozciągając materiał wolno, natomiast najmniejsze – dla najszybszego rozciągania. W przypadku polietylenu przeprowadzona próba miała na celu wykazanie zjawiska relaksacji naprężeń, dlatego nie uzyskano zerwania materiału oraz nie przeprowadzano prób porównawczych dla różnych szybkości rozciągania. Jeżeli zajmiemy się wynikami uzyskanymi przez rozciąganie metalu, to widać, że zachowuje się on podobnie jak polistyren – wydłużenie nieznacznie rośnie wraz ze wzrostem szybkości rozciągania. W przypadku zarówno metalu jak i polistyrenu (który był najbardziej sztywnym z badanych tworzyw sztucznych) zaobserwowano przełam gładki, który wymusza stwierdzenie, że w materiałach tych (w warunkach pomiaru) nie zachodzą zjawiska charakterystyczne dla materiałów ciągliwych, natomiast zachodzą zjawiska charakterystyczne dla kruchych. W przypadku polipropylenu, który był już znacznie bardziej elastyczny zauważono znaczne wydłużenie próbki, tworzenie „szyjki” oraz przełam ciągliwy, co pozwala zakwalifikować go do materiałów plastycznych.

1. Próba na konsystometrze Höpplera.

Konsystometr jest to przyrząd do oceniania konsystencji materiałów. W próbie wykorzystano kształtki o wysokości 10mm i przekroju kołowym, którego średnica wynosiła również 10mm. Kształtki zastosowane były wykonane z dwóch materiałów: metalu oraz polietylenu. Wykorzystanym obciążeniem były 3 kg, czyli 180 N, natomiast naprężenie obliczone dla takiego przekroju wynosiło: 2,29 N/mm². Dzięki temu przyrządowi wykazano, że pod takim samym obciążeniem materiałów metal pozostaje niezmienny, natomiast polietylen wykazuje zdolność do pełzania, co jest charakterystyczne dla materiałów ciągliwych.

1. Wnioski.

Badany metal w obu próbach wykazuje typowe właściwości materiałów kruchych. Nie ulega mocnemu wydłużeniu, nie pełza, a jego przełam przy zniszczeniu w próbie rozciągania jest gładki.

Polistyren jako najsztywniejszy polimer z badanych w temperaturze pomiaru (ok. 20ᵒC) zachowuje się jak materiał kruchy – podobnie jak wspomniany wcześniej metal.

Polipropylen jako materiał giętki w próbie rozciągania wykazał typowe właściwości materiału lepkosprężystego – przed zniszczeniem odznaczał się znacznym wydłużeniem oraz tworzeniem się typowego dla materiałów ciągliwych przewężenia. Po zniszczeniu natomiast bardzo widoczny był przełam ciągliwy tego materiału.

Polietylen został wykorzystany w dwóch próbach: rozciągania i konsystencji, gdzie wykazywał typowe dla materiałów lepkosprężystych właściwości: relaksację naprężeń oraz pełzanie. Można założyć, że gdyby zwiększyć temperaturę przy wykonywaniu pomiaru polistyren zacząłby zachowywać się podobnie.