Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Structural Engineering

A subscription to JoVE is required to view this content.

Prova di trazione di materiali polimerici
 
Click here for the English version

Prova di trazione di materiali polimerici

Overview

Fonte: Roberto Leon, Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Virginia Tech, Blacksburg, VA

I materiali polimerici sono ampiamente utilizzati nelle strutture civili, con usi che vanno dai sigillanti molto morbidi ai tubi più rigidi nei sistemi idrici e delle acque reflue. La definizione più basilare di un polimero è una struttura molecolare con subunità ripetute. Il termine polimero deriva dal greco, dove "poly" significa molti, e "-mer" significa unità di base. I monomeri, o singoli mers, sono le unità ripetitive specifiche. Con i polimeri, la struttura, compresa la lunghezza della spina dorsale in carbonio e la flessibilità variabile, determinerà le proprietà del polimero. I polimeri sono classificati in 3 sottocategorie: materie plastiche, elastomeri e polimeri a barre rigide. Le materie plastiche sono ulteriormente suddivise in termoindurenti,che non si ammorbidiscono al riscaldamento, e termoplastici,che si ammorbidiscono quando riscaldati e si induriscono al raffreddamento. Inoltre, i termoplastici sono per lo più polimeri lineari o ramificati con poca o nessuna reticolazione, mentre i termoindurenti presentano una struttura 3D e hanno un'ampia reticolazione. Gli elastomeri, o gomme, sono lunghe catene a spirale e possono essere allungate al doppio della lunghezza originale, ma si contrarranno di nuovo alle dimensioni originali quando rilasciate, mentre i polimeri a barre rigide non si allungano e sono strutture cristalline forti.

In questo laboratorio, esamineremo diversi materiali polimerici, tra cui polietilene ad alta densità (HDPE), cloruri di polivinile (PVC), nylon e metacrilato di metile (acrilico) al fine di comprendere l'ampiezza e la diversità delle curve stress-deformazione per questi materiali e come le loro proprietà meccaniche influenzano le loro prestazioni.

Principles

I polimeri sono costituiti da una spina dorsale in carbonio con catene laterali distintive. Il carbonio presenta un legame tetraedrico, quindi i legami sono in grado di ruotare, risultando in catene che possono essere diritte, attorcigliate, attorcigliate o piegate. La flessibilità dei legami è determinata dal numero di doppi legami e legami reticolati, nonché dal carattere dei gruppi di catene laterali. Più legami doppi e reticolati limiteranno la rotazione. Mentre i piccoli gruppi di catene laterali consentono una rotazione più libera, i gruppi laterali ingombranti limitano la rotazione.

Conoscere le differenze tra le strutture dei vari tipi di polimeri aiuta a guidare l'uso dell'applicazione. I materiali termoplastici hanno catene che non sono collegate, ma sono invece tenute insieme da deboli forze di van der Waals, consentendo alle catene di scivolare l'una sull'altra. Questa proprietà consente ai materiali termoplastici di deformarsi facilmente e li rende anche facili da riciclare. D'altra parte, le plastiche termoindurenti hanno forti legami covalenti e sono reticolate o collegate tra loro. Questa caratteristica rende le plastiche termoindurenti difficili da riciclare. Di solito, i materiali vengono triturati e riutilizzati come materiale di riempimento.

Insieme ai tipi di legame, un'altra caratteristica che si dovrebbe considerare quando si seleziona un polimero per una particolare applicazione è il grado di cristallizzazione. I polimeri possono essere amorfi (non ordinati) o cristallini (ben ordinati), ma sono generalmente da qualche parte nel mezzo e definiti semicristallino. Il grado di cristallizzazione dipende dalla velocità di raffreddamento, dalla configurazione della catena e dalla chimica molecolare. Un più alto grado di cristallizzazione tende a tradursi in una maggiore resistenza, il modulo di Young (E) e la resistenza alla temperatura. D'altra parte, per determinare il grado di polimerizzazione, è necessario determinare un peso molecolare medio per le catene, poiché nelle applicazioni reali le catene saranno di lunghezza variabile. Il grado di polimerizzazione, n, è semplicemente il peso molecolare di una catena diviso per il peso molecolare di un monomero. Il comportamento stress-deformazione dei polimeri è altamente variabile. I materiali termoplastici mostrano sia un comportamento duttile che fragile, mentre i termoindurente tendono a mostrare solo un comportamento fragile. D'altra parte, gli elastomeri hanno spesso un modulo di Young basso e mostrano un comportamento non lineare. Le proprietà dei polimeri si trovano da qualche parte tra un materiale hookeano e uno newtoniano, poiché dipendono dalla deformazione, dal tempo e dalla temperatura. Le proprietà del materiale hookeano dipendono dalla deformazione, mentre le proprietà del materiale newtoniano dipendono dalla velocità di deformazione. Durante i test di trazione, alcuni polimeri saranno sottoposti a collo, dove il materiale può sforzare e allungare il campione quando vengono applicate forze di trazione. Vari tipi di polimeri subiranno diverse forme di guasto quando allungati in una prova di trazione. Il fallimento risultante può essere lo srotolamento della catena, il cracking o la separazione del blocco cristallino.

La temperatura gioca anche un ruolo chiave nel modo in cui i polimeri si comporteranno. TM è la temperatura di fusione del materiale e TG è la temperatura di transizione vetrosa. Principalmente, se T > TM, il materiale è liquido o viscoso. Tuttavia, se T < TG, il materiale è vetroso e sarà fragile. Se T ~ TG, il materiale è gommoso, mentre se T > TG, il materiale è scorrevole e più duttile. Nella Figura Y viene illustrato questo comportamento.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

  1. Ottenere campioni di trazione tipici di materiali polimerici acrilici, nylon, HPDE e PVC.
  2. Utilizzando un micrometro, misurare la larghezza e lo spessore in diverse posizioni lungo l'albero di ciascun campione per determinare le dimensioni medie della sezione trasversale. Registrare la larghezza e lo spessore medi misurati di ciascun campione sulla scheda tecnica.
  3. Posizionare il campione nelle impugnature. Assicurarsi che almeno l'80% di ciascuna estremità sia saldamente attaccato alle impugnature, il che contribuirà a garantire contro lo slittamento durante l'operazione di carico. La carta vetrata può anche essere utilizzata (lato grana verso il campione) per migliorare la presa del campione.
  4. Misurare la lunghezza del campione tra le impugnature. Questo valore è la lunghezza del misuratore e verrà utilizzato per calcolare la deformazione.
  5. Collegare saldamente l'estensimetro elettronico al campione secondo le specifiche del produttore. Nota: le lame dell'estensimetro non devono essere posizionate esattamente sui segni del misuratore sul campione, ma devono essere approssimativamente centrate sul campione.
  6. Iniziare ad applicare il carico di trazione al campione e osservare la lettura dal vivo del carico applicato sul display del computer. Se il carico misurato non aumenta, il campione sta scivolando attraverso le impugnature e deve essere riattaccato. In questo caso, l'istruttore interromperà il test e ripeterà la procedura dal passaggio 2.
  7. Continuare ad applicare lentamente il carico di trazione, osservando la forma del grafico del carico generato dal computer rispetto allo spostamento durante tutto il carico.
  8. Qualche tempo prima del guasto del campione, il test verrà automaticamente messo in pausa senza scaricare il campione. A questo punto, rimuovere l'estensimetro. Se il campione si rompe con l'estensimetro in posizione, distruggerai l'estensimetro, un'attrezzatura molto costosa.
  9. Caricare il campione fino al guasto. Registrare il carico massimo e il carico in caso di guasto.
  10. Rimuovere il campione rotto dalla macchina. Osservare e documentare la posizione e il carattere della frattura.
  11. Misurare la larghezza e lo spessore di ciascun campione nella regione di guasto e registrare le misurazioni finali.

I polimeri rappresentano alcuni dei materiali più utilizzati al mondo, trovandosi in tutto, dai sigillanti morbidi ai tubi rigidi dell'acqua. La definizione più basilare di un polimero è una struttura molecolare con una lunga catena di subunità ripetute, o monomeri. I polimeri possono essere classificati in molte sottocategorie. Due dei più basilari sono le plastiche che trattengono la forma e gli elastomeri flessibili.

Le materie plastiche sono ulteriormente suddivise in termoplastici e termoinduriti. I materiali termoplastici sono per lo più lineari e presentano pochissima reticolazione. I termoindurenti di solito hanno strutture tridimensionali più complicate, in genere con un'estesa reticolazione.

Gli elastomeri, noti anche come gomme, sono costituiti da lunghe catene polimeriche a spirale e possono essere allungati oltre la loro lunghezza di riposo originale, ma si contrarranno di nuovo alle dimensioni originali quando vengono rilasciati.

In questo video, determineremo le curve di deformazione delle sollecitazioni per diversi materiali polimerici, al fine di capire come le loro proprietà meccaniche influenzano le loro prestazioni.

Uno dei modi più basilari in cui i polimeri sono caratterizzati è con un'analisi della curva stress-deformazione. Ciò comporta l'applicazione di un carico noto a un campione e l'osservazione della deformazione risultante.

Il comportamento stress-deformazione dei polimeri dipende in gran parte dal tipo di materiale analizzato. L'asse di sollecitazione rappresenta la quantità di forza applicata al materiale, mentre la curva di deformazione rappresenta la deformazione relativa a causa di questa sollecitazione. Il punto finale della curva rappresenta il punto in cui il materiale alla fine ha fallito, a causa della forza applicata.

Nelle regioni lineari di una curva stress-deformazione, la pendenza rappresenta il modulo di Young di quel materiale. Questa è una proprietà intrinseca di un dato materiale. La deformazione all'interno di questa regione lineare è nota come deformazione elastica ed è reversibile. La deformazione oltre questa regione è nota come deformazione plastica ed è permanente.

Ora che hai compreso i polimeri e le loro proprietà, consente di testare diversi materiali polimerici utilizzando una macchina per prove di trazione.

Ottenere campioni di trazione tipici di materiali polimerici acrilici, nylon, HPDE e PVC. Utilizzando un micrometro, misurare la larghezza e lo spessore in diverse posizioni lungo l'albero di ciascun campione per determinare le dimensioni medie della sezione trasversale. Registrare la larghezza e lo spessore medi misurati di ciascun campione sulla scheda tecnica.

Impostare la macchina di prova universale come mostrato nel video JoVE per quanto riguarda le caratteristiche di sollecitazione-deformazione degli acciai. Quindi, posizionare il campione nelle impugnature della macchina di prova di trazione. Assicurarsi che almeno l'80% di ciascuna estremità sia saldamente fissato alle impugnature, il che contribuirà a prevenire lo slittamento durante l'operazione di caricamento. La carta vetrata può anche essere utilizzata per migliorare la presa del campione.

Collegare saldamente l'estensimetro elettronico al campione secondo le istruzioni del produttore. Quindi, misurare la lunghezza del campione tra le impugnature. Questo valore è la lunghezza del misuratore e verrà utilizzato per calcolare la deformazione. Ora, inizia ad applicare il carico di trazione al campione e osserva la lettura dal vivo del carico applicato sul display del computer. Se il carico misurato non aumenta, il campione scivola attraverso le impugnature e deve essere riattassato. In questo caso, interrompere il test e riattaccare il campione alle impugnature.

Continuare ad applicare lentamente il carico di trazione, osservando la forma del carico generato dal computer rispetto al grafico dello spostamento durante tutto il caricamento. Qualche tempo prima dell'errore del campione, il software sospenderà automaticamente il test. Lasciare il campione nella macchina di prova e rimuovere l'estensimetro. Riprendere ad applicare il carico di trazione fino al guasto. Registrare il carico massimo e il carico in caso di guasto. Rimuovere il campione rotto dalla macchina. Osservare e documentare la posizione e il carattere della frattura. Misurare la larghezza e lo spessore del campione nella regione di guasto e registrare le misurazioni finali.

Ripetere questo protocollo per i campioni rimanenti, assicurandosi di documentare e caratterizzare la posizione delle loro fratture.

Una volta completata la prova, diamo ora un'occhiata ai risultati della prova di trazione. Qui, vediamo la progressione del fallimento in un campione di polietilene ad alta densità. Durante la prova di trazione c'è una quantità significativa di colli su e giù per il campione mentre le catene polimeriche si srotolevano, mostrando la duttilità dell'HDPE. Questo fenomeno è ancora più evidente se il materiale viene caricato lentamente, consentendo al campione di HDPE di allungarsi a più volte la sua lunghezza iniziale.

Il PVC mostra una progressione di fallimento simile all'HDPE, ma con un modulo di Young molto più alto e una duttilità inferiore.

Il campione di nylon aveva un modulo di Young quasi altrettanto alto del PVC, ma era un materiale molto più duttile, allungato in modo più simile al campione di HDPE.

Al contrario, il campione acrilico fondamentalmente fallisce senza alcuna deformazione non lineare. La rottura risultante si verifica senza allungamento visibile del campione.

Successivamente, calcoliamo il modulo di Young per le regioni lineari degli esemplari. Campioneremo tre coppie di punti attraverso la regione di deformazione elastica e calcoleremo la pendenza di ciascuna coppia. Le medie di queste tre pendenze saranno il modulo approssimativo di Young di quel materiale.

Come si può vedere, i due moduli di Young più alti corrispondono ai materiali che richiedevano più forza per rompersi. In questo esempio, questo rappresenta i campioni di PVC e acrilico. Questi materiali hanno anche subito una deformazione plastica scarsa o nulla, rispetto all'HDPE o al nylon, rendendoli materiali relativamente fragili. I campioni di HDPE e nylon avevano moduli di Young più bassi, il che significa che la forza richiesta era inferiore per deformarsi. Questi campioni hanno subito un significativo collo, rendendoli i più duttili dei materiali campionati.

Diamo ora un'occhiata a un paio di applicazioni comuni di diversi polimeri. Quasi tutti i campi professionali troveranno materie plastiche utilizzate, dalle apparecchiature mediche ai materiali da costruzione ad alta resistenza.

Nelle applicazioni di ingegneria civile, i polimeri sono ampiamente utilizzati per sigillanti, tubazioni o tubi, rivestimenti, rivestimenti e adesivi. Le diverse proprietà dei polimeri li rendono un potenziale candidato per quasi tutti i lavori.

Gli elastomeri sono un tipo specifico di polimero, ampiamente ricercato per le loro proprietà uniche. Poiché hanno un ampio rapporto di allungamento, sono elettricamente non conduttivi ed estremamente impermeabili, sono utili in applicazioni dai fili isolanti elettrici ai guanti nitro utilizzati nei laboratori.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE ai test di tensione dei polimeri. Ora dovresti comprendere le basi della scienza dei polimeri e conoscere il test di laboratorio standard per determinare la relazione stress-deformazione per diversi materiali polimerici.

Grazie per l'attenzione!

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

I guasti tipici per questi materiali sono mostrati in Fig. 1 a Fig. 4. La Fig. 1 mostra la progressione del fallimento in un polietilene, con una collo iniziale e una successiva progressione del collo su e giù per il campione mentre le catene polimeriche si srotolevano. Il materiale in polietilene ad alta densità, se caricato lentamente, può allungarsi fino a diverse volte la sua lunghezza iniziale (Fig. 2). Il PVC, d'altra parte, mostra una progressione del fallimento simile, ma con duttilità molto più bassa (Fig. 3). Questa cifra dimostra anche l'influenza tipica della velocità di deformazione sulla capacità di deformazione; più veloce è la velocità, minore è la duttilità e leggermente maggiore è la forza. Al contrario, il campione acrilico fondamentalmente fallisce senza alcuna deformazione non lineare (Fig. 4).

Figure 1
Figura 1: A. Progressione del collo in un campione corto di HDPE. B. Primo piano del collo vicino alla presa, mostrando il confronto con il campione originale.

Figure 2
Figura 2: Grandi deformazioni possibili in un HDPE caricato lentamente. La foto mostra l'intero esemplare la cui estremità è mostrata in Fig. 1B.

Figure 3
Figura 3: Guasto in un campione di PVC che mostra gli effetti della velocità di deformazione.

Figure 4
Figura 4: Guasto in un campione acrilico.

I risultati delle curve stress-deformazione per i quattro materiali sono mostrati in Fig. 5 fino alla Fig. 8.

Figure 5
Figura 5: Curva stress-deformazione per HDPE.

Figure 6
Figura 6: Curva stress-deformazione per PVC.

Figure 7
Figura 7: Curva stress-deformazione per nylon.

Figure 8
Figura 8: Curva stress-deformazione per un acrilico.

È importante notare che dalla Fig. 5 alla Fig. 8 hanno tutte scale orizzontali e verticali molto diverse. I risultati dei test per questi esperimenti sono riassunti nelle tabelle 1 e 2, mentre la Fig. 9 mostra un confronto delle curve stress-deformazione fino al 50% di deformazione. Le differenze nelle percentuali di allungamento (Tabella 2) sono sorprendenti e mostrano la grande variazione tra il comportamento meccanico dei materiali polimerici. La variazione di resistenza è leggermente più piccola, con solo l'HDPE che mostra un valore significativamente inferiore. Il comportamento varia da elastico fragile per acrilico a molto duttile e ammorbidente per HDPE.

Tabella 1: Riepilogo dei dati grezzi.
Equation 1

Figure 9
Figura 9: Confronto delle curve stress-deformazione, fino al 50% di deformazione, per tutti i polimeri testati.

MATERIALE PVC HDPE Acrilico Nailon
Area iniziale 0.0624 0.0633 0.0624 0.0628 in.2
Area Finale 0.0185 0.0076 0.0605 0.0528 in.2
Variazione % della superficie 70.37 87.92 3.00 15.84 %
Lunghezza originale del misuratore 1.987 2.021 2.123 2.245 in.
Lunghezza del misuratore finale 2.157 6.985 2.098 3.650 in.
% Allungamento 8.56 245.62 -1.18 62.58 %
Sforzo per la rigidità iniziale 0.012 0.019 0.020 0.020 in./in.
Stress per la rigidità iniziale 8.0 2.5 7.0 8.0 Ksi
Modulo iniziale 667 132 350 400 Ksi
Ceppo per una resistenza 0,2% 0.0090 0.0160 0.0165 0.0090 in.
Snervamento (offset 02%) 4.6 1.8 4.9 2.0 in.

Tabella 2: Sintesi dei risultati.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

La Fig. 9 mostra la grande variazione delle caratteristiche di deformazione del carico per diversi polimeri. Il comportamento varia da puramente forte, elastico e fragile per il campione acrilico a morbido, altamente viscoelativo e molto duttile per l'HDPE. Questi riflettono le proprietà estreme dei termoindurenti (acrilico) al termoplastico (HDPE, nylon e PVC). È interessante notare che il PVC, che viene spesso utilizzato in finiti e torte nei nostri edifici e nelle nostre case, mostra un buon equilibrio di resistenza, viscoelasticità e duttilità.

Nelle applicazioni di ingegneria civile, i polimeri sono comunemente usati per rivestimenti, sigillanti, adesivi, rivestimenti, tubi, tubazioni, geotessili, geogriglie, geomembrane, finiture interne, riparazione, restauro e elementi strutturali esterni. L'industria delle materie plastiche negli Stati Uniti è molto grande e rappresenta quasi 1 milione di posti di lavoro e 308 miliardi di dollari di spedizioni industriali nel corso del 2014. Ci sono anche molti polimeri naturali utilizzati in campo commerciale, come legno, gomma, cotone e pelle, così come nel campo della biologia, come proteine, enzimi e amidi. Anche i Contenitori per alimenti da a susso e da aseo che si usano quando si mangia fuori sono costituiti da polimeri.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Tags

Valore vuoto Problema

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter