Zugversuche an Polymeren

Polymere gehören zu den am weitesten verbreiteten Materialien der Welt und sind in allem zu finden, von weichen Dichtstoffen bis hin zu starren Wasserleitungen. Die grundlegendste Definition eines Polymers ist eine molekulare Struktur mit einer langen Kette sich wiederholender Untereinheiten oder Monomere. Polymere können in viele Unterkategorien eingeteilt werden. Zwei der grundlegendsten sind die formschlüssigen Kunststoffe und die flexiblen Elastomere.

Kunststoffe werden weiter in Thermoplaste und Duroplaste unterteilt. Thermoplaste sind meist linear und weisen eine sehr geringe Vernetzung auf. Duroplaste haben in der Regel kompliziertere dreidimensionale Strukturen, typischerweise mit umfangreicher Vernetzung.

Elastomere, auch Kautschuke genannt, bestehen aus langen, gewickelten Polymerketten und können über ihre ursprüngliche Restlänge hinaus gedehnt werden, ziehen sich aber beim Loslassen wieder auf die ursprüngliche Größe zusammen.

In diesem Video werden wir Spannungs-Dehnungs-Kurven für verschiedene polymere Materialien bestimmen, um zu verstehen, wie sich ihre mechanischen Eigenschaften auf ihre Leistung auswirken.

Eine der grundlegendsten Methoden zur Charakterisierung von Polymeren ist die Analyse der Spannungs-Dehnungs-Kurve. Dabei wird eine bekannte Last auf eine Probe aufgebracht und die daraus resultierende Verformung beobachtet.

Das Spannungs-Dehnungs-Verhalten von Polymeren hängt maßgeblich von der Art des zu analysierenden Materials ab. Die Spannungsachse stellt die Höhe der auf das Material ausgeübten Kraft dar, während die Dehnungskurve die relative Verformung aufgrund dieser Spannung darstellt. Der Endpunkt der Kurve stellt den Punkt dar, an dem das Material aufgrund der ausgeübten Kraft letztendlich versagt hat.

In den linearen Bereichen einer Spannungs-Dehnungs-Kurve stellt die Steigung den Elastizitätsmodul dieses Materials dar. Dies ist eine intrinsische Eigenschaft eines bestimmten Materials. Die Verformung innerhalb dieses linearen Bereichs wird als elastische Verformung bezeichnet und ist reversibel. Eine Verformung nach diesem Bereich wird als plastische Verformung bezeichnet und ist dauerhaft.

Nachdem Sie nun Polymere und ihre Eigenschaften verstanden haben, lassen Sie uns verschiedene polymere Materialien mit einer Zugprüfmaschine testen.

Erhalten Sie typische Zugproben aus Acryl-, Nylon-, HPDE- und PVC-Polymermaterialien. Messen Sie mit einem Mikrometer die Breite und Dicke an mehreren Stellen entlang des Schaftes jeder Probe, um die durchschnittlichen Querschnittsabmessungen zu bestimmen. Notieren Sie die durchschnittlich gemessene Breite und Dicke jeder Probe auf dem Datenblatt.

Richten Sie die Universalprüfmaschine so ein, wie im JoVE-Video zu den Spannungs-Dehnungs-Kennlinien von Stählen gezeigt. Legen Sie anschließend die Probe in die Spannzeuge der Zugprüfmaschine. Stellen Sie sicher, dass mindestens 80 Prozent jedes Endes fest mit den Griffen verbunden sind, um ein Verrutschen während des Ladevorgangs zu verhindern. Schleifpapier kann auch verwendet werden, um das Greifen der Probe zu verbessern.

Befestigen Sie das elektronische Extensometer gemäß den Anweisungen des Herstellers sicher an der Probe. Messen Sie anschließend die Länge der Probe zwischen den Spannzeugen. Dieser Wert ist die Messlänge und wird zur Berechnung der Dehnung verwendet. Beginnen Sie nun, die Zuglast auf die Probe aufzubringen, und beobachten Sie die Live-Messung der aufgebrachten Last auf dem Computerbildschirm. Wenn die gemessene Last nicht zunimmt, rutscht die Probe durch die Spannzeuge und muss wieder befestigt werden. In diesem Fall ist die Prüfung zu stoppen und die Probe wieder an den Spannzeugen anzubringen.

Fahren Sie mit der langsamen Zugbelastung fort und beobachten Sie die Form des computergenerierten Last-Verschiebungs-Diagramms während der gesamten Belastung. Einige Zeit vor dem Versagen der Probe pausiert die Software den Test automatisch. Lassen Sie die Probe in der Prüfmaschine und entfernen Sie das Extensometer. Fahren Sie mit der Zugbelastung fort, bis sie versagt. Notieren Sie die maximale Last und die Last bei Ausfall. Nehmen Sie die zerbrochene Probe aus der Maschine. Beobachten und dokumentieren Sie die Lage und den Charakter der Fraktur. Messen Sie die Breite und Dicke der Probe im Bereich des Versagens und zeichnen Sie die Endmessungen auf.

Wiederholen Sie dieses Protokoll für die verbleibenden Proben und stellen Sie sicher, dass Sie die Stelle ihrer Frakturen dokumentieren und charakterisieren.

Nachdem die Tests abgeschlossen sind, schauen wir uns nun die Ergebnisse des Zugversuchs an. Hier sehen wir das Fortschreiten des Versagens in einer Probe aus Polyethylen hoher Dichte. Während des Zugversuchs kommt es zu einer erheblichen Einschnürung der Probe, wenn sich die Polymerketten abwickeln, was die Duktilität von HDPE zeigt. Dieses Phänomen macht sich noch deutlicher, wenn das Material langsam geladen wird, wodurch sich die HDPE-Probe auf ein Vielfaches ihrer ursprünglichen Länge dehnen kann.

PVC zeigt einen ähnlichen Versagensverlauf wie HDPE, jedoch mit einem viel höheren Elastizitätsmodul und einer geringeren Duktilität.

Die Nylonprobe hatte einen fast so hohen Elastizitätsmodul wie PVC, war aber ein weitaus dehnbareres Material, das sich ähnlich wie die HDPE-Probe dehnte.

Im Gegensatz dazu versagt die Acrylprobe grundsätzlich ohne jegliche nichtlineare Verformung. Der resultierende Bruch tritt ohne sichtbare Dehnung der Probe auf.

Als nächstes berechnen wir den Elastizitätsmodul für die linearen Bereiche von Proben. Wir werden drei Punktpaare über den elastischen Verformungsbereich abtasten und die Steigung jedes Paares berechnen. Die Durchschnittswerte dieser drei Steigungen sind der ungefähre Elastizitätsmodul dieses Materials.

Wie zu sehen ist, entsprechen die beiden höchsten Elastizitätsmodule den Materialien, die mehr Kraft zum Brechen benötigten. In diesem Beispiel stellt dies die PVC- und Acrylmuster dar. Außerdem erfuhren diese Materialien im Vergleich zu HDPE oder Nylon eine geringe bis gar keine plastische Verformung, was sie zu vergleichsweise spröden Materialien macht. Die HDPE- und Nylonproben wiesen niedrigere Elastizitätsmodule auf, was bedeutet, dass weniger Kraft zur Verformung erforderlich war. Diese Proben wiesen eine signifikante Einschnürung auf, was sie zu den duktilsten der beprobten Materialien machte.

Schauen wir uns nun ein paar gängige Anwendungen verschiedener Polymere an. In nahezu allen Berufsfeldern kommen Kunststoffe zum Einsatz, von medizinischen Geräten bis hin zu hochfesten Baustoffen.

Im Bauwesen werden Polymere häufig für Dichtstoffe, Rohrleitungen oder Schläuche, Verkleidungen, Beschichtungen und Klebstoffe verwendet. Die vielfältigen Eigenschaften von Polymeren machen sie zu einem potenziellen Kandidaten für nahezu jede Aufgabe.

Elastomere sind eine spezielle Art von Polymeren, die aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften weit verbreitet sind. Da sie ein großes Dehnungsverhältnis haben, elektrisch nicht leitend und extrem wasserdicht sind, eignen sie sich für Anwendungen von elektrischen Isolierdrähten bis hin zu Nitrohandschuhen, die in Labors verwendet werden.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Zugprüfung von Polymeren gesehen. Sie sollten nun die Grundlagen der Polymerwissenschaft verstehen und den Standard-Labortest zur Bestimmung des Spannungs-Dehnungs-Verhältnisses für verschiedene polymere Materialien kennen.

Danke fürs Zuschauen!