Polimerek és műanyagok

Átírás

1 Polimerek és műanyagok Polimer: csak polimer molekulák, nincs egyéb hozzáadott anyag Műanyag: polimer + adalékok -> a feldolgozásnak és a felhasználásnak megfelelő tulajdonságok javítására A hozzáadott anyagok lehetnek: Adalékok: Stabilizátorok: a feldolgozás és alkalmazás körülményei között biztosítják a polimer tulajdonságainak megőrzését Csúsztatók: segítik a műanyag feldolgozását Formaleválasztók: elősegítik a késztermék eltávolítását a feldolgozó szerszámból Lágyítók: a kemény műanyagokat (elsősorban PVC) hajlékonnyá teszik másodrendű kötéseket a láncok között felbontják, dipólust megkötik Égésgátlók: csökkentik a polimer éghetőségét és a füstképződést Színezékek, pigmentek: biztosítják a kívánt színt Optikai fehérítők: megszüntetik egyes polimerek sárgás színét Szag- és illatanyagok: elveszik a műanyag kellemetlen szagát, vagy biztosítják a kívánt illatot Antisztatikumok: csökkentik a műanyag felületi és/vagy térfogati ellenállását, elektrosztatikus feltöltődését Gócképzők: szabályozzák a műanyagok kristályosodását és kristályos szerkezetét.

2 Polimerek és műanyagok A hozzáadott anyagok lehetnek: Társító anyagok: Polimerek: polimer keverékek komponensei Ütésálló adalékok: általában elasztomerek, növelik a műanyag ütésállóságát, törési ellenállását, különösen alacsony hőfokon Vezetőképességet biztosító anyagok: korom-, vagy fém részecskék Töltőanyagok: növelik a műanyag merevségét, kopásállóságát és néha csökkentik az árát Erősítőanyagok: anizometrikus adalékok, igen gyakran szálak, növelik a műanyag szilárdságát és merevségét

3 Bauernhuber Andor: Műanyagok II. rész: Ömledékreológia Forrás: Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János: A polimertechnika alapjai Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ (2007)

4 Ömledékreológia Az ömledékreológia alapjai: Reológia: anyagok deformációját leíró tudomány Szilárd testek esetén: igénybevétel deformáció kapcsolat leírása (feszültség alakváltozás függvény) Folyadékok esetén: feszültség deformációsebesség kapcsolat leírása Polimer ömledékek reológiája: ömledékreológia Hőre lágyuló, hőre keményedő műanyagok feldolgozása (alakadás előtt) folyékony halmazállapotú Alakítás viszonylag kis erők hatására, bonyolult alakzatokra megoldható Ömledékreológia alapjellemzői: Erők: az összenyomó erők az ömledék térfogatát csökkentik (ömledék összenyomható): hőtágulás kompenzálására alkalmazandó Biztosítja az ömledék áramlását Belső erők az ömledékben: tipikusan nyíróerő Deformációk: Ömledék: speciális folyadék viszkoelasztikus viselkedés olvadt állapotban is Maradó, viszkózus és rugalmas deformációk egyaránt alakítás során térfogatváltozás, vetemedés!

5 Ömledékreológia Az ömledékreológia alapjai: Ömledékreológia alapjellemzői: Időtartam Viszkózus deformáció nem pillanatszerű ömledék áramlása, szerszámüreg kitöltése időt igényel Terhelés hatására az ömledékben kialakult rugalmas deformáció viszkózussá alakul Alak rögzítése a szerszámban hűtéssel (hőre lágyuló műanyagok) vagy kémiai reakcióval (hőre keményedő műanyagok) időigényes Polimer nemkívánatos bomlása a hőterheléstől függ: hőmérséklet értéke és időtartama Hőmérséklet Meghatározza az anyag fizikai állapotát (üvegszerű, nagyrugalmas, viszkózusan folyó), alapvetően befolyásolja a feldolgozhatóságot Ömledék viszkozitása a hőmérséklettől erősen függ Kémiai reakciók sebességét befolyásolja Csökkenti a molekulák orientációját Hűtés sebessége befolyásolja a belső szerkezetet Hőmérséklet növelésével nő a zsugorodás mértéke

6 Ömledékreológia Az ömledékreológia alapmodelljei: Ömledék leírása modellekkel meghatározó igénybevétel: nyírás Hooke modell: Ideálisan rugalmas viselkedés: τ = G*γ, G: nyíró rugalmassági modulusz γ: deformáció (szögelfordulás) Lineáris összefüggés Polimer ömledékekre csak kis mértékben jellemző BME Polimertechnika tanszék: MFI mérés, laborjegyzet

7 Ömledékreológia Az ömledékreológia alapmodelljei: Newton modell: Ömledékreológia alapmodellje Ideálisan képlékeny anyag: η: viszkozitási tényező / dinamikai viszkozitás (Pa*s) ömledék legfontosabb feldolgozás-technikai jellemzője : deformációsebesség Lineáris összefüggés Modell: viszkozitási tényező független az igénybevételtől (τ, (valós viselkedés: η = f (τ,, T, p)) ), csak a hőmérséklettől függ Az ömledék feldolgozási tartományában ettől eltérően viselkedik

8 Ömledékreológia Az ömledékreológia alapmodelljei: Ostwald de Waele modell: Hatványtörvényt követ: feszültség a deformációsebesség n > 0 hatványával arányos Legtöbb polimer ömledék esetére n < 1: ömledék viszkozitása (állandó hőmérsékleten) az igénybevétel (τ, ) növekedésével csökken pszeudoplasztikus anyagok Igénybevétel növekedésére a viszkozitás növekszik (n > 1 : dilatáns viselkedés) Pszeudoplasztikus viselkedés esetén kétféle viszkozitási tényező különböztethető meg: Dinamikai viszkozitási tényező: Látszólagos viszkozitási tényező: - gyakorlatban alkalmazzák

9 Ömledékreológia Az ömledékreológia alapmodelljei: η a érték a gyakorlatban: Víz: 0,001 Pa*s Öntőgyanta: 1 10 Pa*s Polimer ömledék: Pa*s Igen nagy viszkozitás, alakításhoz (folyás megindításához) nagy erők szükségesek

10 Ömledékreológia Az ömledékreológia alapmodelljei: Bingham modell: Bingham féle viselkedés: áramlás csak egy τ h határfelület felett jön létre, afelett viszont a newtoni viselkedés jellemző:

11 Ömledékreológia Az ömledékreológia alapmodelljei: Szerkezeti vagy struktúrviszkózus ömledék: Reális polimerömledékek struktúrviszkózusan viselkednek: Nagyon kis és nagyon nagy igénybevételi tartományban newtoni jelleg Közepes igénybevételi tartományban (feldolgozás tartományában) a hatványtörvényt követi τ - függvény: folyásgörbe Folyásgörbéből kapható: η = f (τ, ) viszkozitásgörbe Viselkedés oka: ömledék nyugalmi állapotában a szekunder kötések laza hálót képeznek - háló csak adott igénybevétel (nyírás) hatására kezd felszakadni Adott igénybevétel felett már minden csomópont felszakadt: újra newtoni viselkedés

12 Ömledékreológia Az ömledékreológia alapmodelljei: Szerkezeti vagy struktúrviszkózus ömledék: Látszólagos viszkozitási tényező függ a nyíróigénybevételtől és a deformációsebességtől, egymástól eltérő módon: Gyakorlatban széles körben használt: Carreau egyenlet: A: nullviszkozitás [Pa s] B: reciprok átmeneti nyírósebesség [s] C: a viszkozitásgörbe esése a struktúrviszkózus tartományban

13 Ömledékreológia A viszkozitást befolyásoló tényezők Időfüggő viszkozitás: bizonyos esetekben a viszkozitás nemcsak az igénybevételtől, hanem az eltelt időtől is függ: idő függvényében növekvő viszkozitás tixotrópia Pl.: tejföl, festék Idő függvényében csökkenő viszkozitás: reopektikus anyagok

14 Ömledékreológia A viszkozitást befolyásoló tényezők Hőmérséklet: Legfontosabb legnagyobb befolyás a viszkozitásra Összefüggés leírása: Részben kristályos polimerekre: Arrhenius egyenlet: ahol A: anyagállandó [Pa s] E: aktiválási energia [J/mol] R: egyetemes gázállandó (8,314 [J/mol K]) T: abszolút hőmérséklet [K] E, A állandók: hőmérsékletfüggők egyenlet logaritmikus koordinátarsz.ben sem egyenes Néhány polimer viszkozitásának Arrhenius diagramja: 1: poli-izobutilén (PIB), M w ~8x10 4 ; 2: PIB, M w ~1x10 5 ; 3: butil kaucsuk; 4: természetes gumi; 5: SBR; 6: LDPE; 7: etilén-propilén kopolimer; 8: PS, M w ~3,6x10 5

15 Ömledékreológia A viszkozitást befolyásoló tényezők Hőmérséklet: η = f (τ, )! meg kell különböztetni, hogy a viszkozitási tényezőt állandó nyírófeszültségen, vagy állandó nyírósebességen vizsgálták-e: Hőmérséklet viszkozitás-függésének összehasonlítása amorf és részben kristályos polimerek esetén:

16 Ömledékreológia A viszkozitást befolyásoló tényezők Nyomás: Hőmérsékletnél lényegesen kisebb hatás ahol: η p : a viszkozitás p nyomáson, állandó τ 0 esetén η 0 : a nullviszkozitás állandó τ 0 esetén α p : nyomási kitevő (anyagjellemző) α p értéke pl. PS esetén kb. 1/1000; LDPE esetén 1/3000 1/4000, míg HDPE esetén 1/7000 1/8000 a légköri nyomást pl bar-ra növelve, a viszkozitás növekedése PS esetén 22 %, polietilénnél pedig csak 3 5 % Általánosságban megállapítható, hogy a nyomás hatása a viszkozitásra amorf polimereknél jóval erőteljesebb, mint a kristályosoknál

17 Ömledékreológia A viszkozitást befolyásoló tényezők Molekulatömeg: Molekulatömeg növekedésével a viszkozitás is nő, folyóképesség csökken ahol : a tömeg szerinti átlagos molekulatömeg K' : anyagi minőségtől függő állandó Az összefüggés alapján, ha az adott anyag átlagos moltömege pl. a duplájára nő, az ömledék viszkozitása kb. a tízszeresére nő A moltömeg növekedésével (egyre hosszabbak a láncmolekulák) javulnak a termék bizonyos használati tulajdonságai, a feldolgozhatósága egyre nehezebb (energiaigényesebb)

18 Ömledékreológia Polimer ömledékek áramlása Polimer ömledék a feldolgozás során áramlik csatornákban, szerszámok felületei között Áramlás elemzése fontos Modelleknél használt egyszerűsítések: Az áramlás stacioner, azaz minden pontjában időtől független Az áramlás lassú (lamináris, a Reynolds szám kisebb mint 2100), a tehetetlenségi erő a súrlódási erőhöz képest elhanyagolható Az áramlás izoterm, azaz hőmérsékletében homogén A rendszer hidrodinamikailag teljesen kitöltött (a teljes keresztmetszetben ömledék van) Az ömledék összenyomhatatlan (ρ=áll.) A nehézségi erők elhanyagolhatók Az áramlás és a nyomásesés is csak egyirányú (esetünkben x irányú) Az áramlás Poisson típusú (a be- és kilépési hatások elhanyagolhatók) Az ömledék sebessége a falnál nulla

19 Ömledékreológia Polimer ömledékek áramlása Newton-féle ömledék áramlása kapillárisban Ömledék sebessége a falnál 0. Nyomásváltozás: Nyírófeszültségeloszlás: Sebességeloszlás: T f falhőmérséklet T ö ömledékhőmérséklet

20 Ömledékreológia Polimer ömledékek áramlása Hagen Poiseuille összefüggés a térfogatáram meghatározására: A nyomáskülönbség ismeretében, a térfogatáramot mérve a viszkozitási tényező meghatározható: A fal melletti nyírósebesség: A nyíró-igénybevétel ismeretében ilyen módon a folyásgörbe megszerkeszthető Gyakorlat: folyás jellemzése viszkozitásgörbék helyett a Melt Flow Index-szel (MFI): Adott kapillárison (d 2 mm, l=8 mm) időegység (10 min) alatt átáramló ömledék mennyisége grammban, előírt hőmérsékleten és terhelés mellett (folyásgörbének csak egyetlen pontját szolgáltatja, és azt is nagyon alacsony nyírósebesség mellet)

21 Ömledékreológia Polimer ömledékek áramlása Hatványtörvényt követő ömledék áramlása kapillárisban Folyásgörbe felvehető a newtoni közeg áramlásánál megadott módon Nyomásváltozás: Sebességeloszlás:

22 Ömledékreológia Polimer ömledékek áramlása Bingham féle közeg áramlása kapillárisban: Sebességeloszlásból látható: τ > τ h tartományban az áramlás newtoni, míg az alatt (τ < τ h ) nincs réteges (lamináris) áramlás, az ömledék r m sugárral jellemezhető hányada v m sebességgel csúszik Ez a mag (vagy belső dugó) erősen töltött rendszereknél akár a teljes keresztmetszet %-a is lehet A dugószerű mozgás a polimer ömledék nagy részénél előfordul Sebességeloszlás:

23 Ömledékreológia Polimer ömledékek áramlása Reális polimer ömledékek viselkedése: Jellemző rá a szilárd állapotban is tapasztalt viszkoelasztikus viselkedés: viszkózus és rugalmas alakváltozás is jelen van Rugalmas alakváltozás: energiatárolásra képes A tartályból a csatornába jutó közeg a hirtelen keresztmetszet-csökkenés miatt összenyomódik rugalmasan deformálódik A belépő közegnek fel kell gyorsulni a belépési szakaszon a nyomásesés nagyobb A belépési szakasztól távolodva a nyomáscsökkenés miatt a tapadás a falon megszűnik (súródási erő kisebb), csúszás váltja fel akadozó csúszás ( stick-slip ) nyugtalan áramlás Kapilláris középső szakaszában egy dugó csúszik Kapillárisból kilépő anyag duzzad, visszarugózik (a csatornában eltöltött idő, hőmérséklet, stb. függvényében van relaxáció is!)

24 Bauernhuber Andor: Műanyagok II. rész: Polimer anyagvizsgálat Forrás: Polimerek méréstechnikája Szakács Hajnalka, Dr. Varga Csilla, Nagy Roland Pannon Egyetem,

25 Anyagvizsgálat Szilárdsági vizsgálatok A fémek esetén megismert eljárások alkalmazhatóak polimerek vizsgálatára is: Charpy ütőszilárdság (ütőmunka-vizsgálat) Szakítóviszgálat Hajlítóvizsgálat Fárasztóvizsgálat Nedvességtartalom Nedvességtartalom meghatározása tömegméréssel: Tömeg mérése szárítás előtt és szárítás után

26 Anyagvizsgálat Anyag azonosítása, kémiai szerkezet azonosítása FT-IR spektroszkópia (Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópia): Elv: dipólusmomentummal rendelkező molekula elektromágneses hullámokkal gerjeszthető: ha a dipólmomentummal rendelkező csoport vagy atom rezgésének frekvenciája a gerjesztő sugárzás frekvenciájával egyezik, a kötés a sugárzást elnyeli, a rezgési amplitúdó pedig megnövekszik Az elnyelt sugárzás kiesik a megvilágító sugárzás spektrumából Kapott elnyelési vagy áteresztési spektrumból az anyag ill. annak szerkezete (referenciaspektrumokkal történő összehasonlítás útján) azonosítható Alkalmazott hullámhossz-tatomány: közepes IR-tartomány ( cm -1, 3 8 µm) Eszköz elemei: sugárforrás, mintatér, detektor, adatfeldolgozó egység (számítógép)

27 Anyagvizsgálat Anyag azonosítása, kémiai szerkezet azonosítása FT-IR spektroszkópia (Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópia): Poliamid áteresztési spektruma: Cha-Wen Chang, Guey-Sheng Liou, Sheng-Huei Hsiao: Highly stable anodic green electrochromic aromatic polyamides: synthesis and electrochromic properties, J. Mater. Chem., 2007, 17,

28 Anyagvizsgálat Keménységmérés Hőmérsékletfüggő Fémek esetén is ismert eljárások alkalmazhatók (HB, HV, KH Knopp), az ott megismert szabályokkal: Lenyomattávolság min. 10 mm Lenyomatmélység 0,15-0,35mm közé essen (Rockwell eljárás) Próbatest-vastagság: min. 4 mm Polimerek esetén jellemző: Rockwell eljárás, golyó alakú szúrótesttel: Lenyomat mélységének mérése Előterhelés (F 0 ): 9,8N, fő terhelés (F m ): 49N; 132N; 358N; vagy 961N rugó fejti ki Főterhelés ideje: 30 s viszkoelasztikus viselkedés miatt fontos! Legelterjedtebb módszer: Shore-keménységmérés Benyomódás mérése alapján Keménység meghatározása a terhelt szúrószerszám benyomódásának mélységéből Szúrótest alakja szerint A, B, C, D vizsgálat, lágy polimerekhez A, keményebbekhez D eljárás Benyomódás leolvasása közvetlenül, mérőóráról Szúrótest alakja kúp vagy csonkakúp alakú, anyaga acél

29 Anyagvizsgálat Keménységmérés Szúrótest alakja: Shore B, D Keménységskálák összehasonlítása: Shore A, C

30 Anyagvizsgálat Morfológia, kristályosság vizsgálata Fénymikroszkóp: Blendek, kompozitok felületi tulajdonságainak vizsgálata (elkülönülő fázisok) Kristályosság, szferolitok méretének vizsgálata: polarizált, monokromatikus fénnyel (kis szögű fényszóródás) Transzmissziós elektronmikroszkóp: vékony rétegek belső szerkezetének vizsgálatára Pásztázó elektronmikroszkópia: felületi struktúra, töretfelület elemzésére A vizsgált mintát (ha nem elektromosan vezető anyag), a vizsgálat előtt a feltöltődés megelőzésére bevonatolni kell Röntgendiffrakció segítségével megállapítható: Molekulák helyzete a kristályos fázisban Kristályos elemi cella méretei Láncszegmensek helyzete az elemi cellában Kristályossági fok Kristályos részek méretei

31 Anyagvizsgálat Termikus analitikai módszerek Olyan módszerek, amelyek a hő hatására lejátszódó átalakulási folyamatok (fizikai, kémiai) vizsgálatára alkalmasak A minta tulajdonságait az idő vagy a hőmérséklet függvényében követjük nyomon, miközben a minta hőmérséklete egy meghatározott program szerint változik Vizsgált tulajdonságok: Tömeg Méret Energia felvétel/elnyelés Hőmérséklet-változás Modulusz A termikus analitikai módszerek három alapvető csoportba sorolhatók DTA és DSC: differenciális termoanalitika és differenciális pásztázó kalorimetria TGA: termogravimetriás analízis TMA: termomechanikai analízis önmagukban vagy akár kombinálva is alkalmazhatók A termikus analízis maximális előnye akkor aknázható ki, ha mindhárom technika kombinációját alkalmazzuk a polimer jellemzésére

32 Anyagvizsgálat DTA - Differenciáltermoanalízis Vizsgálat elve: Referencia: inert anyag, amelyben a vizsgált hőmérséklet-tartományban nem megy végbe sem exoterm, sem endoterm folyamat A hevített két, különböző anyag (referencia-minta és vizsgált minta) hevítése vagy hűtése állandó hőbevitellel (időegység alatt közölt energia állandó) Hőmérsékletkülönbség regisztrálása a két minta közt termoelempárral Hőmérsékletkülönbség oka: a mintában lejátszódó endoterm vagy exoterm átalakulások lehetnek pl. fázisátalakulások, kristályszerkezet változások, disszociációs, dehidratációs reakciók, bomlási reakciók, oxidáció, redukció látens hő elnyelődésével vagy felszabadulásával járó folyamatok Belső szerkezetváltozások, átmeneti hőmérsékletek kimutathatók Eszköz vázlata:

33 Anyagvizsgálat DTA - Differenciáltermoanalízis Eredmény: A hőmérséklet növelésével a görbén exoterm csúcs jelenik meg, amely a kristályosodás során felszabaduló hővel arányos A csökkenő, azaz endoterm csúcs az olvadást jelzi. A hőmérséklet további növelésével pedig degradáció következik be.

34 Anyagvizsgálat DSC - Differenciális pásztázó kalorimetria Vizsgálat elve: Referencia: ismert hőkapacitású anyag, amelyben a vizsgált hőmérséklet-tartományban nem megy végbe sem exoterm, sem endoterm folyamat A hevített két, különböző anyag (referencia-minta és vizsgált minta) hevítése vagy hűtése egyenletes, állandó sebességgel Hevítés közben a közölt hő mennyiségét szabályozzuk a két minta esetén különkülön úgy, hogy a hőmérséklet változása állandó sebességű legyen A két mintával közölt hő mennyiségének különbségét regisztráljuk a hőközlés hőmérsékletének függvényében A közölt hőmennyiség különbségének oka: mint DTA eljárásnál Eszköz vázlata: A belső szerkezetátalakulás hatására a hőkapacitás megváltozhat A szerkezetátalakulás körül látens hő elnyelődésével vagy felszabadulásával járó folyamatok

35 Hőáram (mw) Anyagvizsgálat DSC - Differenciális pásztázó kalorimetria Eredmény: a DTA méréshez hasonló eredmény átmeneti hőmérsékletek meghatározása Üvegesedési, kristályolvadási, olvadási, bomlási hőmérsékletek meghatározása A diagram csúcsai alatti / feletti terület egyenlő a folyamat során elnyelt vagy felszabadult hővel Pl. kristályossági fok meghatározható Kapott eredmények nem függetlenek a hevítés sebességétől! PMMA üvegesedési hőmérséklet Bomlási hő: 666 J/g PMMA bomlási hőmérséklet Hőmérséklet ( C)

36 Anyagvizsgálat TGA - Termogravimetria Vizsgálat elve: minta tömegváltozásának mérése a hőmérséklet függvényében Hőmérséklet növelése általában állandó sebességgel Komponensek adott hőmérséklet felett párologni vagy bomlani kezdenek kimutatható a tömeg megváltozása miatt TG - görbe: tömeg értéke a hőmérséklet vagy az idő függvényében DTG görbe: tömegváltozás értéke az idő függvényében (TG függvény deriváltja) Változások pontos hőmérsékletét jobban mutatja Tömegváltozás sebessége Polimerek esetén leginkább a bomlási tulajdonságok, adalékok illékonyságának meghatározására Eszköz vázlata:

37 Tömeg (%) Tömegváltozás (%) Tömegváltozás (%/min) Anyagvizsgálat TGA - Termogravimetria Eredmény: PMMA bomlása Hevítési sebesség jelentős különbségeket okoz! PMMA bomlási hőmérséklet TG DTG Hőmérséklet ( C) Hőmérséklet ( C) C/min felfűtési sebesség 80 C/min felfűtési sebesség

38 Anyagvizsgálat TMA Termikus mechanikai analízis Vizsgálat elve: a minta deformációjának mérése a hőmérsékletváltozás hatására, állandó terhelő erő mellett (terhelő erő értéke 0 is lehet) Mérhető jellemzők: hőtágulási együttható, üvegesedési hőmérséklet (a hőtágulási együttható változásánál fogva), rugalmassági modulusz TMA berendezés részei: erőátviteli egység, amellyel a mintára kifejtett erő szabályozható pozíció átviteli egység (extenzométer), az elmozdulás mérésére szabályozott hőmérsékletű mintatest A vizsgálat elrendezését tekintve többféle eljárás létezik: Tipikus vizsgálati körülmények: 0,5 N terhelési erő 5K /min hevítési sebesség Information for users of Mettler- Toledo thermal analysis systems

39 Anyagvizsgálat TMA Termikus mechanikai analízis Eredmény: LDPE TMA diagramja

40 Anyagvizsgálat DMA: dinamikus mechanikai analízis Polimer: viszkoelasztikus viselkedés: szilárd rugalmas test + Newtoni folyadék-jellemzők egyszerre Alakváltozás: rugalmas tag (visszanyerhető energia) + maradó tag (veszteség) Periódikus, szinuszos deformáció: válasz (feszültség) mindig δ szöggel eltolódik (fázisszög) a feszültség nem jellemezhető kizárólag a modulusszal, szükséges a fáziskésés megadása is Komplex rugalmassági modulusz: tartalmazza mindkét jellemzőt: nagysága és iránya is van Válasz felbontható két összetevőre: egyik tag a gerjesztéssel fázisban van, a másik tag fázisszöge π/2 E Re (dinamikus modulusz): az anyag által tárolható energia kifejezése (elasztikus hányad) E Im (veszteségi modulusz): az anyag által elnyelhető energia kifejezése (viszkózus hányad) E*: komplex rugalmassági modulusz BME Polimertechnika tanszék: Polimerek dinamikus mechanikai vizsgálata (DMA), laborjegyzet

41 Anyagvizsgálat BME Polimertechnika tanszék: Polimerek dinamikus mechanikai vizsgálata (DMA), laborjegyzet DMA - dinamikus mechanikai analízis Vizsgálat elve: A minta hőmérsékletét meghatározott módon (általában az időben egyenletesen) változtatjuk, és mérjük a kialakuló deformációt, állandó frekvencia és amplitúdó mellett A próbatestre a készülék egy időben állandó (statikus) és egy változó (dinamikus) terhelést ad Mind a statikus, mind a dinamikus terhelés lehet erőhatás jellegű - pl. a próbatestben ébredo feszültség -, vagy deformáció jellegű a próbatest lehajlása/megnyúlása Ezekből és a minta geometriai adatiból (a készülékállandók ismeretében) a polimer mechanikai jellemzői számíthatók Berendezés elemei: belső rúd a hozzá kapcsolható mérőrendszerekkel a minta deformációját érzékelő út-távadó (LVDT, Linear Variable Differential Transformer), a mintára ható erőt előállító lineáris motor (un. erőmotor), a fűtő-hűtő egység.

42 Anyagvizsgálat DMA Dinamikus mechanikai analízis Eredmény: átmeneti hőmérsékletek megfigyelhetők molekuláris mozgások megváltozásához köthető átalakulási folyamatok Amorf Részben kristályos Bodor Géza, Vas László M.: Polimer anyagszerkezettan Duromer Elasztomer

43 Anyagvizsgálat HDT Heat Deflection/Distorsion Temperature (Dr. Hargitai Hajnalka: Polimerek anyagvizsgálata 2.) Az a hőmérsékletet, ahol egy mechanikailag terhelt, viszonylag magas hőmérséklet hatásának kitett minta meghajlik valós alkalmazásban a tartó-funkció elvesztése Vizsgálat elve: Hárompontos hajlítás: a merőleges felületekkel határolt próbatestet egymástól 100 mm távolságban levő alátámasztások között középen terhelik (úgy, hogy a normálfeszültség a szélső szálakban 0,45 vagy 1,82 MPa legyen) A 0,25 mm-es behajláshoz tartozó hőmérséklet rögzítése : HDT érték Termosztáló folyadék fűtési sebessége 120 C/h, és szobahőmérséklettől indul.

44 Anyagvizsgálat Vicat-féle lágyuláspont (Dr. Hargitai Hajnalka: Polimerek anyagvizsgálata 2.) A lágyulás hőmérsékletének meghatározására olyan anyagok esetén, ahol nincs határozott olvadáspont Vizsgálat elve: 1 mm 2 felületű, hengeres fémcsúcs 1 vagy 5 kg terheléssel Hőmérséklet meghatározása, amelynél a csúcs 1 mm mélységig hatol be az anyagba 50 vagy 120 C/h fűtési sebesség A minták minimális vastagsága 3 mm Eljárásváltozatok: Eljárás Terhelés (N) Fűtési seb. ( C/hr) A B A B mac/charakterisierung/d5/thermisch/thermisch.vlu/page /vsc/de/ch/9/mac/charakterisierung/d5/thermisch/form best_method.vscml.html,

45 Anyagvizsgálat Folyóképesség Folyóképesség: φ viszkozitási tényező (η) reciproka Jellemzése: folyási mutatószámmal: Melt Flow Index MFI MFI folyási mutatószám Szabványos mérőszám, viszkozitás jellemzésére a gyakorlatban MFI (Melt Flow Index, g/10 perc) vagy MFR (Melt Flow Rate, g/10 perc) Vizsgálat elve: Az a grammokban kifejezett anyagmennyiség, amely a szabványban előírt hőmérséklet és nyomás mellett a szabványos mérőkészülék kifolyónyílásán 10 perc alatt kifolyik Az MFI mellett gyakran használatos az MVR (Melt Volume Rate, cm 3 /10 perc), amely esetében a nem a kifolyt polimerömledék tömegét, hanem térfogatát adjuk meg MFI megadási módját szabvány írja elő: MFI (190, 2,16) = 4,0 azt jelenti, hogy 190 C hőmérsékleten és 2,16 kg-os súly alkalmazásával az adott anyag folyási mutatószáma 4 g/10 perc MFI meghatározása: kapilláris plasztométerrel

46 Anyagvizsgálat MFI folyási mutatószám Berendezés: kapilláris plasztométer 1. terhelő súly 2. hőelem 3. hőszigetelés 4. acélhenger 5. elektromos fűtés 6. dugattyúrúd 7. dugattyú 8. kapilláris 9. tartólap T [ C]; a vizsgálati hőmérséklet m nom [kg]; a terhelő tömeg s [s/10 perc]; a szabványos időnek (10 perc = 600 s) megfelelő váltószám, s = 600 s/10 perc V [cm 3 ]; két vágás közt kisajtolt polimerömledék térfogata t [s]; két vágás közt eltelt idő m [g]; két vágás közt kisajtolt polimerömledék tömege A berendezés önállóan az MVR (Melt Volume Rate) térfogatra vonatkoztatott folyási mutatószám meghatározására képes, de ha megmérjük a kifolyt polimerömledék tömegét, annak segítségével kiszámítható a tömegre vonatkoztatott folyási mutatószám (MFI, Melt Flow Index)

47 Anyagvizsgálat MFI folyási mutatószám Folyásgörbe felvétele az MFI mérés alapján (Newtoni közeget feltételezve): A térfogatáramot az MVR értékéből az alábbi összefüggéssel lehet meghatározni: A beömlési keresztmetszetnél ébredő nyomást jól közelíthetjük a készülék dugattyújának D átmérője és az alkalmazott pótsúly F súlyereje alapján számított nyomással: A nyírófeszültség: V* [m 3 /s]; térfogatáram, MVR [cm 3 /10 perc]; térfogatra vonatkoztatott folyási mutatószám, s [s/10 perc]; a szabványos időnek (10 perc = 600 s) megfelelő váltószám, s = 600 s/10perc Δp [Pa]; nyomáskülönbség a kapilláris beömlési és kiömlési keresztmetszete között D [m]; dugattyú átmérője, F [N]; alkalmazott pótsúly súlyereje, A Hagen-Poiseuille összefüggés átrendezésével kiszámítható az η dinamikai viszkozitás: A deformációsebességet a τ max nyírófeszültségből a Newton-egyenlet (3) alapján számítjuk: