Svojstva polimernih materijala Svojstva - reakcija ili promjena stanja materijala izazvana djelovanjem raznih (unutarnjih ili vanjskih) čimbenika

Svojstva 1.Svojstva tvari - neovisna o obliku i dimenzijama izratka (modul elastičnosti E, modul smičnosti G, Poissonov omjer ν, gustoća ρ, te toplinska, električna, optička i akustička svojstva) 2. Svojstva poluproizvoda – (samo nekoliko stupnjeva prerade i obrade – šipke, limovi, profili) 3. Svojstva gotovog proizvoda – promjena sastava, strukture uslijed konačnog oblikovanja i primjene

Svojstva materijala Rezultati mjerenja nekog svojstva materijala ovise o: mikrostrukturi i makrostrukturi geometriji epruvete (ispitnog tijela) temperaturi pri ispitivanju ostalim uvjetima ispitivanja (okolni medij, trajanje i način opterećivanja ..)

Mehanička svojstva Mehanička svojstva – ponašanje materijala pod utjecajem nekog oblika mehaničkog naprezanje čvrstoća modul elastičnosti (krutost) tvrdoća žilavost istezljivost (deformabilnost) Zbog viskoelastičnog ponašanja (ponašaju se djelomično kao elastični materijali, a djelomično kao viskozne kapljevine) mehanička svojstva se bitno razlikuju od svojstava metalnih i keramičkih materijala. To se odražava i na akustična svojstva.

Viskoelastičnost polimera – ovisnost mehaničkih svojstava o vremenu (frekvenciji) i temperaturi djelovanja opterećenja. Što će se dogoditi s epruvetama pri povišenoj temperaturi ili ako ih opteretimo 2 dana?

Modul elastičnosti Modul elastičnosti - mjera za krutost. Razlikuje se ovisno o vrsti opterećenja: vlačno, tlačno, savojno... Za neke polimerne materijale nema izraženog početnog linearnog dijela s-e dijagrama (ili je slabo izražen) pa se određuje sekantni ili tangencijalni modul elastičnosti. Krutost odnosno modul elastičnosti materijala ovisi o temperaturi i trajanju opterećenja. S porastom temperature pada krutost.

Odnos modul/temperatura za plastiku i gumu

Tvrdoća polimera Tvrdoća-otpornost materijala prodiranju tvrđeg tijela Najčešća metoda: utiskivanje kuglice, primjenjuje se uglavnom za plastomere, duromere i kompozitne materijale. D h F D=5 mm

Tabelle 1: Kennwerte der Kugeleindruckhärte für Thermoplaste und Formmassen Produktgruppe HB [N/mm2] Härtbare Formmassen Thermoplaste, unverstärkt Phenolharz ... 200 Fluorpolymere 30 ... 70 Harnstoffharz ... 150 Polyacetale ... 140 Melaminharz Polyamide ... 100 Polyesterharz Polycarbonate Epoxidharz Polymethylmethacrylate Polyethylene 10 ... 65 Polypropylenen 60 ... 75 Polystyrene ... 120 Polyvinylchloride PVC, schlagzäh 30 ... 100

100 h-Auslagerung: Wird das PP-Copolymerisat bei 95 °C in Waschlauge 100 Stunden ausgelagert, dann erhält man den blauen Kurvenverlauf. Es ist zu erkennen, dass in den Schulterbereichen aufgrund der geringeren Orientierung auch eine kleinere Härte registriert wird. Im Vergleich zu den Ausgangswerten ist infolge des Tempereinflusses (Abbau der Eigenspannungen) ebenfalls eine Verringerung des mittleren Härteniveaus feststellbar. Bild 4: Abhängigkeit der Kugeldruckhärte von der Orientierung (Messort) und dem Auslagerungszustand in Waschlauge bei 95°C für ein PP-Copolymerisat PPC2) 1000 h-Auslagerung: Wird dieser Werkstoff bis 1000 Stunden unter identischen Bedingungen ausgelagert, dann ergibt sich die rote Kurve für die 10 mm entfernten Messpunkte. Man sieht deutlich, dass sich das Niveau der Härte im Bereich der Schultern und dem mittleren planparallelen Teil angeglichen hat. Dieser Effekt entsteht infolge der größeren Mobilität der Polymerketten und den dadurch hervorgerufenen Deformations- und Orientierungsausgleich.

Tvrdoća elastomera Određuje se najčešće metodom po Shore-u Razlikuju se po geometriji tijela koje se utiskuje i opterećenju (1 ili 5 N) Shore A krnji stožac 1 N C krnji stožac 5 N D šiljak 5 N

Žilavost Žilavost žilavost materijala udarna udarna sa zarezom lomna žilavost Dok je čvrstoća mjera za silu koju materijal može podnijeti, žilavost je mjera za energiju koju materijal može apsorbirati prije loma. Žilavost materijala – energija koja odgovara površini ispod krivulje naprezanje – istezanje Udarna: otpornosti materijala prema udaru Lomna – naprezanje potrebno za širenje pukotine (npr. greške kod proizvodnje)

Tipična krivulja deformacije

Udarni rad loma/udarna žilavost brzo i ekonomično mjerenje, primjenjuje se za usporedbu materijala vrste testova: uz pomoć bata (Chrapy i Izod) ispuštanjem poznate mase

Udarna žilavost - 2 osnovna tipa bata: Charpy i Izod - Oba načina određuju gubitak energije loma određene površine. - Kod polimera su uobičajene epruvete sa zarezom (koncentracija naprezanja).

Ovisnost udarne žilavosti o radijusu zareza Udarna žilavost Ovisnost udarne žilavosti o radijusu zareza

Udarna žilavost Ovisnost udarne žilavosti o temperaturi i veličini zareza

Žilavost Krhki Krhki sa zarezom Žilavi PMMA PP vlažni PA celuloza LDPE PA sa staklenim vlaknima PVC ABS (neke vrste) PS suhi PA PC (neke vrste) HIPS acetali PTFE polisulfon PP HI (neke vrste) HDPE PPO ABS (neke vrste) PC (neke vrste) PE Krhki – lom epruveta bez zareza Krhki sa zarezom – lom zarezanih epruveta Žilavi – nema potpunog loma niti na zarezanim epruvetama

Vlačna udarna žilavost Charpyjev bat drugačiji prihvat ispitivanje folija fiksna i pokretna čeljust ponekad i kao test starenja materijala

Ispuštanje poznate mase s različitih visina različiti oblici “padajućih masa” prednost – višesmjerno opterećenje bliže realnim uvjetima

Udarna žilavost u ovisnosti o temperaturi

Statički vlačni pokus – čvrstoća, modul, žilavost Deformacijski dijagrami za karakteristične polimere a)-kruti i krhki; b)-tvrdi i žilavi; c)-savitljivi i žilavi; d)-savitljvi i lomljivi

Karakteristična područja deformacijske krivulje naprezanje-istezanje

Utjecaj temperature na oblik krivulje σ-ε O kakvim se ovdje polimerima radi?

Elastična deformacija Izravno je povezana s promjenom molekulnih oblika i entropije materijala Ovisi o energiji potrebnoj za nesmetanu rotaciju oko jednostrukih veza u temeljnom lancu

Molekulni model elastičnosti elastomera statističko klupko→ izdužena konformacija

Tribološka svojstva polimera Ponašanje materijala u uvjetima trenja a s time povezano i trošenje Trenje-otpor uslijed relativnog gibanja jednog tijela u odnosu na drugo

Tribološka svojstva polimera Trenje i trošenje su svojstva sustava a ne materijala okolni medij protutijelo međumedij osnovno tijelo

Osnovni oblici opterećenja klizanje valjanje vrtanje udaranje osciliranje strujanje

Tribološki opterećeni sustavi Tribološko optrećenje Sklopovi Postupci obrade Klizanje radijalni ležaj, vodilice alati za oblikovanje Kotrljanje kotač/tračnice kotač/cesta uređaj za valjanje Vrtanje aksijalni ležaj uređaj za bušenje Udaranje graničnici alat za drobljenje Osciliranje vibracioni sustavi uređaj za trešenje Strujanje turbinske lopatice kalupi

Mikromehanika trenja Za kretanje jednog materijala po drugom potrebno je: -ili savladati sile adhezije u međupovršini AA‘ -ili smicanje u ravninama BB‘ ili CC‘ koje su vrlo blizu površine

Koeficijent trenja, μ PTFE 0,04-0,15 LDPE 0,30-0,80 HDPE 0,08-0,20 PP 0,67 PS 0,33-0,5 PMMA 0,25-0,50 PET 0,20-0,30 PA 66 0,15-0,40 PVC 0,20-0,90 Tipične vrijednosti klizanja po različitim površinama

Materials and Material Combinations Static Frictional Coefficient - μs Clean and Dry Surfaces Lubricated and Greasy Surfaces Aluminum 1.05 - 1.35 0.3 Aluminum-bronze Steel 0.45 Mild Steel 0.61 Brake material Cast iron 0.4 Cast iron (wet) 0.2 Brass 0.35 0.19 Cast Iron 0.31) Brick Wood 0.6 Bronze 0.16 0.221) Bronze – sintered 0.13 Cadmium 0.5 0.05 Chromium 0.41 0.34 0.461) 1.1, 0.151) 0.071) Oak 0.491) 0.0751 0.4, 0.231) 0.21, 0.1331) Carbon (hard) Carbon 0.12 - 0.14 0.14 0.11 - 0.14 Copper-Lead alloy 0.22 Copper 1 0.08 1.05, 0.291) 0.53, 0.361) 0.181) Diamond 0.1 0.05 - 0.1 Metal 0.1 - 0.15 Glass 0.9 - 1.0, 0.41) 0.1 - 0.6, 0.09-0.121) 0.5 - 0.7 0.2 - 0.3 Nickel 0.78 0.56 Graphite Graphite (in vacuum) 0.5 - 0.8 Ice   Iron 1.0 0.15 - 0.20 Lead 0.431) Leather 0.61, 0521 0.3 - 0.4 Clean Metal Magnesium 0.7 - 1.1, 0.531) 0.28, 0.121) 0.641) 0.1781) Nylon 0.15 - 0.25 Oak (parallel grain) 0.62, 0.481) Oak (cross grain) 0.54, 0.321 0.0721 Phosphor-bronze Platinum 1.2 0.25 Plexiglas 0.8 0.4-0.5 0.4 - 0.5 Polystyrene 0.3-0.35 0.3 - 0.35 Polythene Rubber Cardboard Dry Asphalt 0.9  (0.5 - 0.8)1) Wet Asphalt 0.25 - 0.751) Dry Concrete 0.6 - 0.851) Wet Concrete 0.45 - 0.751) Silver 1.4 0.55 Sapphire Teflon 0.04 0.04, 0.041) Tungsten Carbide 0.4-0.6 0.1 - 0.2 0.2 - 0.25 0.12 Tin 0.321) Tire, dry Road, dry Tire, wet Road, wet Clean Wood 0.25 - 0.5 Wet Wood 0.2 - 0.6 Wet Metals Concrete 0.62 Wet snow 0.14, 0.11) Wood - waxed Dry snow 0.041) Zinc 0.85, 0.211)

Trošenje Trošenje je uznapredovali gubitak materijala s površine nekog tijela izazvan mehaničkim uzrocima tj. kontaktom i relativnim gibanjem čvrstog, kapljevitog ili plinovitog protutijela. Očituje se u pojavi otkinutih malih čestica

Mehanizmi trošenja adhezijski mehanizam trošenja abrazijski mehanizam trošenja delaminacijski mehanizam trošenja trošenje uslijed umora materijala korozijski mehanizam trošenja

Ovisnost koeficijenta trenja o brzini klizanja Smicanjem se rasipa energija ovisno o viskoelastičnim svojstvima i brzini deformiranja.

Površinska svojstva trenje i trošenje (otpornost na abraziju, adheziju) polimeri za ovakvu primjenu viskomolekularni PE, poliacetal, fluorirani polimeri i prirodne i sintetske gume namještaj, biciklističke gume, izolacija na kablovima

Toplinska svojstva EN ISO ASTM EN ISO, ASTM Toplinska vodljivost Metoda Mjerna jedinica Norma Temperatura progiba pod opterećenjem (Postojanost oblika pri opterećenju- metoda po Martensu) HDT-Heat distortion temperature ˚ C EN ISO ASTM Temperatura mekšanja (Vicat) EN ISO, ASTM Maseni protok taljevine (MFI, MFR) g/10 min Toplinska vodljivost W/mK Koeficijent toplinske istezljivosti mm/mm Specifična toplina kJKg-1 DIN, ASTM Temperaturni interval taljenja

Postojanost oblika pri povišenim temperaturama duromeri – metoda po Martensu (HDT)

Temperatura mekšanja za plastomere - Vicat

Toplinska istezljivost

PLASTOMERI Amorfni – u pravilu prozirni, dobra postojanost dimenzija (za precizne izratke) Kristalasti – neprozirni, žilavi, kemijski postojani Polimeri za rad pri visokim temperaturama nisu pogodni za preradu taljevine, već se praoblikuju sinteriranjem

Gorivost Polimeri, kao pretežno organske tvari, podložni su pri povišenim temperaturama (iznad 300 0C) nagloj razgradnji

Gorivost

Gorivost Brojne metode za utvrđivanje sklonosti prema gorenju materijala. Laboratorijska ispitivanja- najrasprostranjenija metoda određivanja gorivosti u uvjetima povećane koncentracije kisika – daje ponovljive vrijednosti izražene numerički kao stupanj gorivosti – najmanja količina kisika u smjesi dušik – kisik potrebna za gorenje ispitnog tijela u normiranim uvjetima-naziva se granični indeks kisika (GOI)-što je veća sklonost materijala gorenju to treba manju koncentraciju kisika tj. GOI je manji

Polimer GOI polimer GOI Gorivost Polimer GOI polimer GOI Poli(oksimetilen) 15 aromatski poliamidi 28 Poli(metil-metakrilat) 17 poli(fenilen-oksid) 29 Polietilen 18 polisulfoni 30 Polipropilen 18 fenol-formaldehidni polimeri 35 Polistiren 18,5 poli(klorbutadien) 40 Poliamid 23 poli(vinil-klorid) 45 Vuna 25 poli(viniliden-klorid) 60 Polikarbonati 27 poli(terafluoretilen) 90 GOI < 21 – vrlo goriv GOI 21-35 – mala zapaljivost GOI > 35 – nema izgaranja na zraku (samogasiv)

Gorivost Polimeri smanjene gorivosti dobivaju se dodavanjem dodataka za smanjenje gorivosti koji se ugrađuju u osnovni polimerni materijal: Miješanjem u taljevini Kopolimerizacijom Nakandnom obradom površine izratka

Električna svojstva Električna svojstva polimernih materijala variraju od izvanrednih izolatora do onih vodljivih Vodljivi polimeri predstavljaju noviju vrstu polimernih materijala

Električna svojstva razvoj funkcionalnih materijala za prijenos, transport i pretvorbu energije piezoelektrična svojstva – sposobnost materijala da generira električno polje ili potencijal pod mehaničkim naprezanjem piroelektrična svojstva – sposobnost materijala da generira električni potencijal pri promjeni temperature PVDF – poli(viniliden-florid) – pokazuje i piezoelektrična i piroelektrična svojstva primjena mikrofoni, hidorofoni (podvodni mikrofon), zvučnici, baterije, senzori, npr. za instrumente za mjerenje gustoće prašine u svemirskim istraživanjima; tanki filmovi se primjenjuju za senzore toplinskih kamera

Luminiscencija Mnogi materijali pokazuju svojstvo emitiranja svjetlosti (vidljiv ili nevidljiv dio spektra) ako su stimulirani Stimulacija (bez obzira na izvor) podiže stanje sustava elektrona na viši kvantni nivo s kojeg se vraća uz emisiju fotona

Luminiscencija Stimulacija: Elektromagnetska radijacija: - fluorescencija:emitirana se svjetlost brzo gubi prestankom stimulacije -fosforescencija:emitirana svjetlost gubi se polagano nakon prestanka stimulacije Mehanička deformacija  triboluminiscencija Kemijska reakcija  kemiluminiscencija Električni potencijal elektroluminiscencija

brojčanici, znakovi u zrakoplovstvu, navigacijski instrumenti, oznake na pistama često premazani luminiscentnim premazima zračenje hladnog tijela

Gorivost

Vodljivost polimera Kvazimetalna vodljivost postiže se u oksidiranom stanju, u kojem do 30% mera ima pozitivni naboj, koji se kompenzira ugrađenim protuionima. Pri oksidaciji se elektroni izvlače iz valentnog sloja a redukcijom se ubacuju u prazni vodljivi sloj. Slobodni nositelji naboja vezana je uz postojanje konjugiranih π-elektrona raspoređenih duž polimernog lanca

Elastična deformacija Izravno je povezana s promjenom molekulnih oblika i entropije materijala Ovisi o energiji potrebnoj za nesmetanu rotaciju oko jednostrukih veza u temeljnom lancu (jako smanjena ako su -veze u susjedstvu dvostrukih -veza: elastomeri