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.

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

Műanyagok II. rész:

Ömledékreológia

Forrás: Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János: A polimertechnika alapjai

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ (2007) http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tkt/polimertechnika-alapjai/index.html,

2016.04.27.

Bauernhuber Andor:

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!

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

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

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, ), csak a hőmérséklettől függ

(valós viselkedés: η = f (τ, , T, p))

• Az ömledék feldolgozási tartományában

ettől eltérően viselkedik

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

Ömledékreológia

Az ömledékreológia alapmodelljei:

• ηa érték a gyakorlatban:

• Víz: 0,001 Pa*s

• Öntőgyanta: 1 – 10 Pa*s

• Polimer ömledék: 1000 – 100000 Pa*s

• Igen nagy viszkozitás, alakításhoz (folyás megindításához) nagy erők szükségesek

Ömledékreológia

Az ömledékreológia alapmodelljei:

• Bingham – modell:

• Bingham féle viselkedés: áramlás csak egy τh határfelület felett jön létre, afelett viszont a newtoni viselkedés jellemző:

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

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

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

Ömledékreológia

A viszkozitást befolyásoló tényezők

• Hőmérséklet:

• Legfontosabb – legnagyobb befolyás a viszkozitásra

• Összefüggés leírása:

• Részben kristályos polimerekre: Arrhenius egyenlet:

• E, A állandók: hőmérsékletfüggők – egyenlet logaritmikus koordinátarsz.ben sem egyenes

ahol A: anyagállandó [Pa·s] E: aktiválási energia [J/mol] R: egyetemes gázállandó (8,314 [J/mol·K]) T: abszolút hőmérséklet [K]

Néhány polimer viszkozitásának Arrhenius diagramja: 1: poli-izobutilén (PIB), Mw~8x104; 2: PIB, Mw~1x105; 3: butil kaucsuk; 4: természetes gumi; 5: SBR; 6: LDPE; 7: etilén-propilén kopolimer; 8: PS, Mw~3,6x105

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:

Ömledékreológia

A viszkozitást befolyásoló tényezők

• Nyomás:

• Hőmérsékletnél lényegesen kisebb hatás

•

• αp értéke pl. PS esetén kb. 1/1000; LDPE esetén 1/3000…1/4000, míg HDPE esetén 1/7000…1/8000

• a légköri nyomást pl. 2000 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

ahol: ηp: a viszkozitás p nyomáson, állandó τ0 esetén η0: a nullviszkozitás állandó τ0 esetén αp: nyomási kitevő (anyagjellemző)

Ömledékreológia

A viszkozitást befolyásoló tényezők

• Molekulatömeg:

• Molekulatömeg növekedésével a viszkozitás is nő, folyóképesség csökken

•

• 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)

ahol : a tömeg szerinti átlagos molekulatömeg K' : anyagi minőségtől függő állandó

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

Ömledékreológia

Polimer ömledékek áramlása

• Newton-féle ömledék áramlása kapillárisban

• Ömledék sebessége a falnál 0.

Nyomásváltozás: Sebességeloszlás: Nyírófeszültség-eloszlás:

Tf falhőmérséklet Tö ömledékhőmérséklet

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)

Ömledékreológia

Polimer ömledékek áramlása

• Hatványtörvényt követő ömledék áramlása kapillárisban

• Folyásgörbe felvehető a newtoni közeg áramlásánál megadott módon

Nyomásváltozás: Sebességeloszlás:

Ömledékreológia

Polimer ömledékek áramlása

• Bingham féle közeg áramlása kapillárisban:

• Sebességeloszlásból látható: τ > τh tartományban az áramlás newtoni, míg az alatt (τ < τh) nincs réteges (lamináris) áramlás, az ömledék rm sugárral jellemezhető hányada vm

sebességgel csúszik

• Ez a mag (vagy belső dugó) erősen töltött rendszereknél akár a teljes keresztmetszet 60…80 %-a is lehet

• A dugószerű mozgás a polimer ömledék nagy részénél előfordul

Sebességeloszlás:

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!)

Műanyagok II. rész:

Polimer anyagvizsgálat

Forrás: Polimerek méréstechnikája

Szakács Hajnalka, Dr. Varga Csilla, Nagy Roland Pannon Egyetem, 2012

http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/2010-0012_polimerek_merestechnikaja/index.html, 2016.04.27.

Bauernhuber Andor:

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

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 (4000 - 400cm-1, 3 – 8 µm)

• Eszköz elemei: sugárforrás, mintatér, detektor, adatfeldolgozó egység (számítógép)

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, 1007-1015

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 (F0): 9,8N, fő terhelés (Fm): 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

Anyagvizsgálat

Keménységmérés

Szúrótest alakja:

Shore A, C

Shore B, D

Keménységskálák összehasonlítása:

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

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

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:

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.

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 külön-külön 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

• A belső szerkezetátalakulás hatására a hőkapacitás megváltozhat

• A szerkezetátalakulás körül látens hő elnyelődésével vagy felszabadulásával járó folyamatok

• Eszköz vázlata:

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

PMMA bomlási hőmérséklet

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

0 100 200 300 400 500 600

Hő

áram

(m

W)

Hőmérséklet (°C)

Bomlási hő: 666 J/g

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:

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

0

20

40

60

80

100

120

0 100 200 300 400 500 600

Töm

egv

álto

zás

(%/m

in)

Töm

egv

álto

zás

(%)

Hőmérséklet (°C)

TG

DTG

Anyagvizsgálat

TGA - Termogravimetria

• Eredmény:

PMMA bomlása

• Hevítési sebesség jelentős különbségeket okoz!

PMMA bomlási hőmérséklet

-20

0

20

40

60

80

100

120

250 270 290 310 330 350 370 390 410 430 450 470 490

Töm

eg

(%)

Hőmérséklet (°C)

10°C/min felfűtési sebesség

80°C/min felfűtési sebesség

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:

Information for users of Mettler-Toledo thermal analysis systems

Tipikus vizsgálati körülmények: 0,5 N terhelési erő 5K°/min hevítési sebesség

Anyagvizsgálat

TMA – Termikus mechanikai analízis

• Eredmény: LDPE TMA diagramja

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

• ERe (dinamikus modulusz): az anyag által

tárolható energia kifejezése (elasztikus hányad)

• EIm (veszteségi modulusz): az anyag által

elnyelhető energia kifejezése (viszkózus hányad)

• E*: komplex rugalmassági modulusz BME Polimertechnika tanszék: Polimerek dinamikus mechanikai vizsgálata (DMA), laborjegyzet

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. erő-motor),

• a fűtő-hűtő egység.

Anyagvizsgálat

DMA – Dinamikus mechanikai analízis

• Eredmény: átmeneti hőmérsékletek megfigyelhetők – molekuláris mozgások megváltozásához köthető átalakulási folyamatok

Amorf Részben kristályos

Duromer Elasztomer

Bodor Géza, Vas László M.: Polimer anyagszerkezettan

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.

Anyagvizsgálat

Vicat-féle lágyuláspont (Dr. Hargitai Hajnalka: Polimerek anyagvizsgálata 2.)

• A lágyulás hőmérsékletének meghatározására olyan anyagok esetén, ahol nincs határozott olvadáspont

• Vizsgálat elve:

• 1 mm2 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) A50 10 50 B50 50 50 A120 10 120

B120 50 120

http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/9/mac/charakterisierung/d5/thermisch/thermisch.vlu/Page/vsc/de/ch/9/mac/charakterisierung/d5/thermisch/formbest_method.vscml.html, 2016.04.28.

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, cm3/10 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

Anyagvizsgálat

MFI – folyási mutatószám

• Berendezés: kapilláris plasztométer

• 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)

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

• mnom [kg]; a terhelő tömeg

• s [s/10 perc]; a szabványos időnek (10 perc = 600 s) megfelelő

váltószám, s = 600 s/10 perc

• V [cm3]; két vágás közt kisajtolt polimerömledék térfogata

• t [s]; két vágás közt eltelt idő

• m [g]; két vágás közt kisajtolt polimerömledék tömege

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:

• A Hagen-Poiseuille összefüggés

átrendezésével kiszámítható az η dinamikai viszkozitás:

• A deformációsebességet a τmax

nyírófeszültségből a Newton-egyenlet (3) alapján számítjuk:

V* [m3/s]; térfogatáram, MVR [cm3/10 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,