Základní mechanické vlastnosti polymerů a jejich hodnocení

1. Základní mechanické vlastnosti polymerů a jejich hodnocení

2. Příprava zkušebních těles • 1) přímo ze zkoušených materiálů – příprava vulkanizací, lisováním, vstřikováním, odléváním v příslušných formách s tvarem zkušebního tělesa • 2) z hotových výrobků nebo polotovarů vysekáváním nebo frézováním • ČSN 64 0210 z 12/1987 • ČSN ISO 293 z 9/1992 • ČSN EN ISO 2818 z 7/1998 • ČSN EN ISO 294-1 z 9/1998

3. Kondicionování • Zkušební tělesa, která budou podrobena fyzikálním či mechanickým zkouškám nesmí být předem vystavena mechanickému, fyzikálnímu či chemickému namáhání, které by mohlo výsledky zkoušek ovlivnit. • Před provedením vlastní zkoušky je nutné materiál nechat odležet až dosáhne rovnovážného stavu z hlediska teploty a vzdušné vlhkosti. • Tzv. historie vzorku se má kondicionováním vyrovnat.

4. Kondicionování • Kondicionování spočívá v tom, že se vzorky nechají určitou dobu odležet v klimatizovaných prostorách za podmínek smluvní teploty a relativní vlhkosti. • ČSN EN ISO 291 z 9/1998 • Doba kondicionování je závislá na teplotě přípravy vzorku, jeho tloušťce, tepelné vodivosti, atd. • Kondicionování se provádí v klimatizačních skříních s regulací teploty, vlhkosti a cirkulací vzduchu. • Mechanické kondicionování se provádí u pryže (opakované deformace vedou ke změně tuhosti).

5. Mechanické vlastnosti polymerů • Mechanické vlastnosti polymerů jsou odrazem jejich: • Chemického složení • Velikosti a tvaru makromolekul • Nadmolekulární struktury (amorfní, krystalické) • Ale také závislosti na teplotě a na čase

6. Mechanické vlastnosti polymerů – rozdělení zkoušek • Podle způsobu stanovení vlastnosti a podle účelu se mechanické vlastnosti dělí na : • Krátkodobé – vliv relaxačních dějů se považuje za zanedbatelný, stanovení požadovaných parametrů proběhne do několika minut (zkouška tahem, zkoušky tvrdosti) • Dlouhodobé – podle charakteru působící síly se dělí na statické (relaxace napětí, krípové deformační zkoušky) a dynamické (rázová a vrubová houževnatost, cyklické zkoušky)

7. Zkouška tahem – ČSN EN ISO 527-1 z 8/1997 • Praktické provedení zkoušky tahem je obdobné jako u materiálů kovových, obdobné jsou i vzorce pro výpočet Rm, A, Z. • Na zkušební těleso se působí ve směru jeho podélné osy stále se zvětšující silou až do okamžiku, při kterém dojde po určité deformaci k jeho přetržení nebo kdy měřené parametry dosáhnou zvolených hodnot. • V průběhu zkoušky se trvale zaznamenává síla a prodloužení tělesa.

8. Zkouška tahem • Vzorky jsou většinou ve tvaru oboustranné lopatky – tzv. osmičky. • Volba rychlosti deformace by měla být taková, aby k přetržení došlo kolem 60 sekund. • V protokolu je nutné vždy uvádět rychlost deformace, teplotu a relativní vlhkost.

9. Zkouška tahem

10. Zkouška tahem

11. Zkouška tahem

12. Zkouška tahem

13. Zkouška tlakem – ČSN EN ISO 604 z 6/1998 • Při deformaci v tlaku nastává zkracování zkušebního tělesa. • U tuhých, tvrdých a křehkých plastů napětí v tlaku stoupá do meze pevnosti, která je destrukční mezí. Překročí-li napětí mez pevnosti, dojde k roztříštění nebo pomalejšímu rozdrcení materiálu. Často dochází k výskytu trhlin na povrchu zkušebního tělesa, aniž by došlo k velké deformaci a byla porušena celková soudržnost.

14. Zkouška tlakem • Při stlačování houževnatých a měkčích plastů se těleso deformuje, aniž by docházelo k jeho viditelné destrukci. • Tlakové vlastnosti jsou konstrukčně zajímavé do meze kluzu. • Zkušební tělesa mají tvar hranolu, válce nebo trubky – délka 10 až 50 mm, šířka 10 mm, tloušťka 4 mm. • V průběhu zkoušky se stanovuje síla (napětí) a odpovídající stlačení (poměrné stlačení) zkušebního tělesa.

15. Zkouška tlakem

16. Zkouška ohybem – ČSN EN ISO 178z 8/1998 • Výsledkem zkoušky jsou ohybové křivky síla (napětí) – průhyb, ze kterých se vyhodnocují potřebné charakteristické hodnoty. • Zkouška dává konstrukční podklady pro plasty, které jsou při aplikaci namáhány na ohyb, je zvlášť vhodná pro křehké plasty, pro které je provedení zkoušky tahem obtížné. • V průběhu zkoušky se zaznamenává síla (napětí) působící na těleso a velikost odpovídajícího průhybu zkušebního tělesa.

17. Zkouška ohybem

18. Zkouška ohybem • Při ohybové zkoušce se jedná o namáhání tlakem a tahem současně – v horních vrstvách je tahové, směrem k neutrální ose se zmenšuje a přes nulové napětí se mění v dolní polovině průřezu na tlakové. • Napětí v ohybu je podílem ohybového momentu M při zatížení F ku modulu průřezu zkušebního tělesa W.

19. Zkoušky tvrdosti • Podstatou zkoušek je vtlačování tvrdých hrotů definovaných tvarů za stanovených podmínek do povrchu zkušebního tělesa. • Principem měření je určení vztahu mezi silou, která vtlačuje tvrdý hrot, a plochou otisku, která vtlačováním hrotu vnikne. • Vzhledem k tomu, že plasty jsou materiály převážně houževnaté a jejich povrchy se vtlačováním více či méně deformují, vyvinuly se tyto zkoušky v měření odporu celého objemu proti vtlačování hrotu. • Tvrdost je vlastně vyjádřením tuhosti plastů.

20. Zkoušky tvrdosti • Metody měření se dělí podle tvaru hrotu: kulička, jehlan, kužel, komolý kužel. • Vzhledem k viskoelastickému chování polymerů nelze měřit stopu po vpichu tvrdoměru, ale měří se rovnovážná hloubka vniknutí hrotu při určité konstantní síle vtlačování. • Tvrdost (tuhost) může být silně ovlivněna teplotou, stupněm navlhnutí u polárních plastů, stupněm krystalinity. Kondicionování.

21. Zkoušky tvrdosti – měření podle Brinella – ČSN 640128 z 3/1953 • Konstantní průměr kuličky (5 ± 0,1) mm • Konstantní zatížení • Proměnnou je hloubka vtisku, která se po určité době odečítá pomocí hloubkového indikátoru. Tvrdost je vyhodnocována podle vzorce HB =F/A = F/π.D.h [MPa] • HB(5/50/60) = 20MPa • průměr kuličky (mm) – použitá síla [N] – doba působení síly [s]

22. Zkoušky tvrdosti vtlačováním kuličky – ČSN EN ISO 2039-1 z 4/1998 • Průměr ocelové kuličky je konstantní (5 ± 0,05) mm • Proměnnou je zatížení vybírané z řady hodnot (49, 132, 358, 961) N tak, aby hloubka vtisku byla po 30 s působení zatížení v rozmezí 0,15 až 0,35mm • Hloubka vtisku se měří pod zatížením, plocha povrchu vtlačení se vypočítává z jeho hloubky • Hodnota tvrdosti je ze vzorce H = Fr/5.π.hr[MPa] (redukované zatížení, redukovaná hloubka vtlačení)

23. Zkoušky tvrdosti podle Vickerse • Vtlačuje se čtyřboký diamantový jehlan • Princip měření spočívá v tom, že po provedení vtisku určitou konstantní silou se měří úhlopříčky vzniklé stopy • Jehlan má vrchol 136o • Tvrdost se vypočítá podle vzorce HV = F/A = 1,8544.F/ u2[MPa]

24. Zkoušky tvrdosti podle Shoreho – ČSN EN ISO 868 z 2/1999 • Pro měkčené plasty Shore A, pro houževnaté Shore D • Typické je zatěžování pomocí kalibrovaných pružin, které je nutno před měřením kontrolovat a vynulovat. • Hroty mají tvar kužele (typ D) nebo komolého kužele (typ A) • Hodnota tvrdosti se odečítá ze stupnice tvrdoměru za 15 ± 1 sekund po jeho přiložení • Výsledkem zkoušky je průměr z 5 měření.

25. Rázová a vrubová houževnatost • Houževnatost patří spolu s pevností k nejdůležitějším materiálovým charakteristikám. • Je to schopnost materiálu odolávat iniciaci a šíření trhliny. • Houževnatost představuje energii, kterou je materiál schopen lokálně absorbovat, než se poruší. • Zkoušky poskytují určité informace o chování plastů při nárazu. Výsledky stanovení závisí na druhu plastu, jeho složení, teplotě, zkušební metodě, podmínkách provedení zkoušky, tvaru zkušebního tělesa. • Houževnatost lze ovlivnit volbou aditiv.

26. Rázová a vrubová houževnatost • Rázová houževnatost je energie spotřebovaná na porušení zkušebního tělesa vztažená na plochu kritického průřezu zkušebního tělesa za předepsaných podmínek, označuje se an (kJ/m2) • Vrubová houževnatost – plocha kritického průřezu v místě vrubu, označuje se ak(kJ/m2) • Vrubové číslo, vrubová citlivost (poměrná rázová houževnatost) je poměr vrubové a rázové houževnatosti, Kz (číslo menší než 1)

27. Rázová a vrubová houževnatost Metody - Charpy - Izod - Dynstat - rázové zkoušky tahem - rázové zkoušky padajícím závažím

28. Metoda Charpy – ČSN EN ISO 179 z 6/1998 • Kyvadlové kladivo s rozsahem podle typu materiálu a rozměru zkušebních těles, bývá opatřeno stupnicí, na které se absorbovaná energie W (spotřebovaná práce) odečítá přímo. • Odečtené hodnoty mají ležet mezi 10 a 80 % celkového rozsahu stupnice. • Vruby ve zkušebních tělesech mohou mít různé tvary (normováno). • Při zkoušce se tělesa ukládají tak, aby vrub byl v tahové oblasti (opačná strana tělesa něž je provedena deformace). • Vliv vrubu je značný, vrubová houževnatost až 10 krát nižší než rázová.

29. Metoda Izod – ČSN EN ISO 180 z 6/1998 • Odlišný způsob přerážení zkušebního tělesa – trámeček se na jednom konci pevně upne a na druhém se přeráží. Tělesa s vrubem ČSN EN ISO 180 z 6/1998 se přeráží ze stejné strany.

30. Metoda Dynstat – ČSN 64 0611 z 2/1968 • Vyměnitelná kladiva • Odlišné rozměry zkušebního tělesa – lze je připravovat z hotových plošných výrobků vyřezáváním

31. Rázové zkoušky tahem – ČSN EN ISO 8256 z 8/1998 • Využívají se ke stanovení odporu materiálu vůči přetržení při vysokých rychlostech a lze je popsat jako tahové zkoušky při vysoké rychlosti deformace. • Tímto způsobem se zkouší vysoce houževnaté plasty. • Práce vynaložená na přetržení měřené části tělesa se rovná součinu působící síly a prodloužení (spotřebované energii a deformace tělesa).

32. Rázové zkoušky tahem

33. Rázové zkoušky padajícím závažím • Využívají se především pro zkoušení plochých výrobků. • Při zkouškách působí na zkušební tělesa volně padající zkušební závaží s různě volenou kinetickou energií. • Postupným zvyšováním hmotnosti závaží dojdeme k takové hodnotě energie, která způsobí zlomení vzorku nebo při které praskne 50% zkoušených těles.

34. Cyklické zkoušky • V případě dynamického namáhání dochází k porušování materiálu při podstatně menším napětí, než při statické zkoušce. • Únava materiálu je proces probíhající v materiálu v důsledku dlouhodobého statického nebo časově proměnlivého namáhání, způsobujícího, že materiál se poruší při napětích nižších než odpovídá mezi pevnosti zjištění krátkodobými zkouškami. • Při únavových zkouškách se používá cyklického namáhání nucenými kmity za takových podmínek, které vedou k destrukci zkušebních těles. Způsob deformace je např. jednosměrný tah-tlak, ohyb.

35. Cyklické zkoušky • Mez časové únavy se zjišťuje Wöhlerovou metodou, při které se zkouší zkušební tělesa při různých výkmitech napětí tak dlouho, až dojde k lomu nebo až se dosáhne stanovené mezní hodnoty. • Mez únavy plastů má značně nižší hodnoty než je pevnost statická – polymery se během namáhání zahřívají (špatná tepelná vodivost), mění se E. • Vyztužené plasty – 25 – 35% krátkodobé pevnosti, nevyztužené termoplasty – 10%.

36. Cyklické zkoušky

37. Viskoelastické chování polymerů • Při aplikaci materiálů v praxi jsou důležité jeho deformační vlastnosti, které vyjadřují vztah mezi vnější silou a deformací materiálu • Mezní případy • 1) ideálně pružné těleso • 2) ideálně viskózní kapalina

38. Viskoelastické chování polymerů Ideálně pružné těleso - deformace se ustaví okamžitě a její velikost je napětí přímo úměrná a s časem se nemění • veškerá práce vynaložená na deformaci tělesa se v něm akumuluje jako potenciální energie a lze ji kvantitativně získat zpět po zrušení vnějšího napětí • k popisu deformačního chování stačí jediná materiálová konstanta – modul pružnosti E, který nezávisí ani na velikosti deformace, ani na době jejího trvání - při modelování se ideálně pružné těleso znázorňuje zavěšenou pružinou

39. Viskoelastické chování polymerů Ideálně viskózní kapalina • vztah mezi smykovým napětím a deformací vyjadřuje Newtonův zákon • působením vnějšího napětí dochází k posuvu jednotlivých vrstev kapaliny – nastává tok • mezi napětím a deformací se rovnováha neustaví, deformace narůstá po celou dobu působení síly, deformovaný stav zůstává zachován • celková deformace závisí na velikosti napětí i na době jeho působení • veškerá práce vynaložená na deformaci se mění v kinetickou energii pohybujících se částic a nakonec v teplo • znázorňuje se válcem s netěsným pístem pohybujícím se v kapalině určité viskozity

40. Viskoelastické chování polymerů • Složitá struktura polymerů se projevuje i v jejich komplikovanějším deformačním chování. • Na vnější namáhání reagují tak, že deformace zahrnuje vždy současně složku elastickou i plastickou a navíc ještě deformaci zpožděně elastickou. • Celková deformace je tedy časově závislá a deformační chování je označováno jako viskoelastické. • Viskoelasticitu materiálu je možné znázornit Tucketovým modelem.

41. Viskoelastické chování polymerů

42. Viskoelastické chování polymerů Model se skládá ze 3 členů 1- pružina – představuje ideální elastickou neboli Hookovu pružnou deformaci ε1 2- Kelvinův model – vznikl paralelním zapojením pružiny a netěsného válce s pístem – reprezentuje elastickou deformaci ε2 3- netěsný válec s pístem – představuje viskózní tok – trvalou deformaci ε3 Celková deformace viskoelastického tělesa se rovná součtu deformací jednotlivých členů. Deformace 1 nastane okamžitě a je vratná. Deformace 2 je časově závislá a je vratná. Deformace 3 je časově závislá a je nevratná.

43. Viskoelastické chování polymerů • Se vyznačuje těmito znaky: • Deformace je funkcí nejen napětí, ale i času a je vratná jen zčásti. • Práce spotřebovaná k deformaci se v deformovaném tělese ukládá částečně jako potenciální energie a tuto část lze získat zpět, částečně se ztrácí ve formě tepla. • Poměr mezi napětím a deformací není materiálovou konstantou, ale je funkcí času, po který působí napětí (tato hodnota se nazývá časově závislý modul pružnosti).

44. Viskoelastické chování polymerů • Deformace tělesa je brzděna vnitřními odpory ve hmotě, a proto nemůže nastat okamžitě. Čím rychleji má deformace proběhnout, tím je brzdící účinek viskózních členů výraznější a tím větší napětí je nutno vynaložit na dosažení určité požadované deformace. • Ve skutečnosti probíhají procesy relaxace deformace pomaleji než odpovídá jednoduchému Tucketovu modelu – kombinace více Kelvinových modelů – vzniká modelové spektrum – lze odhadnout chování polymerů při různých podmínkách vnějšího namáhání – např. vliv teploty nebo rozdílné rychlosti deformace.

45. Viskoelastické chování polymerů Vliv teploty • Jestliže je teplota, při níž je polymer zatěžován mnohem nižší než jeho Tg, je viskozita ve válcích členů 2 a 3 tak vysoká, že se tyto členy při deformaci nemohou uplatnit a hmota vykazuje vlastnosti blížící se dokonale pružnému tělesu. • Blíží-li se teplota teplotě Tf, viskozita klesne a uplatní se pouze vliv viskózního členu a tavenina se přibližuje ideální kapalině.

46. Viskoelastické chování polymerů Vliv rozdílné rychlosti deformace (rozdílná doba působení vnější síly) • Působí-li síla po velice krátkou dobu (např. namáhání rázem), kapalina ve válcích klade tak velký odpor posuvu pístu, že se tyto složky nemohou uplatnit a výsledná deformace odpovídá prakticky jen deformaci ideálně pružného členu. • Bude-li síla působit naopak po velmi dlouhou dobu, má zpožděný i viskózní člen dost času, aby se jeho deformace mohly plně rozvinout a při dlouhé době zatěžování pak obě tyto složky mohou převládnout.