Prova di trazione di materiali polimerici

I polimeri rappresentano alcuni dei materiali più utilizzati al mondo, essendo presenti in tutto, dai sigillanti morbidi ai tubi rigidi dell'acqua. La definizione più elementare di 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 mantengono la forma e gli elastomeri flessibili.

Le materie plastiche sono ulteriormente suddivise in termoplastiche e termoindurenti. I materiali termoplastici sono per lo più lineari e presentano pochissima reticolazione. I termoindurenti di solito hanno strutture tridimensionali più complicate, tipicamente 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 alla dimensione originale quando vengono rilasciati.

In questo video, determineremo le curve sforzo-deformazione 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 l'analisi della curva sforzo-deformazione. Ciò comporta l'applicazione di un carico noto a un provino e l'osservazione della deformazione risultante.

Il comportamento sforzo-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 dovuta a questa sollecitazione. Il punto finale della curva rappresenta il punto in cui il materiale alla fine ha ceduto, a causa della forza applicata.

Nelle regioni lineari di una curva sforzo-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, testiamo diversi materiali polimerici utilizzando una macchina per prove di trazione.

Ottenere provini di trazione tipici di materiali polimerici acrilici, nylon, HPDE e PVC. Utilizzando un micrometro, misurare la larghezza e lo spessore in diversi punti 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 relativo alle caratteristiche sforzo-deformazione degli acciai. Quindi, posizionare il provino nelle impugnature della macchina per prove di trazione. Assicurarsi che almeno l'80 percento di ciascuna estremità sia saldamente fissato alle impugnature, il che aiuterà a prevenire lo slittamento durante l'operazione di caricamento. La carta vetrata può anche essere utilizzata per migliorare la presa del campione.

Fissare 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 di riferimento e verrà utilizzato per calcolare la deformazione. Ora, inizia ad applicare il carico di trazione al campione e osserva la lettura in tempo reale del carico applicato sul display del computer. Se il carico misurato non aumenta, il campione sta scivolando attraverso i morsetti e deve essere riattaccato. In questo caso, interrompere il test e riattaccare il campione alle morsetti.

Continuare ad applicare lentamente il carico di trazione, osservando la forma del grafico del carico generato dal computer rispetto allo spostamento durante il carico. Qualche tempo prima del fallimento del campione, il software metterà automaticamente in pausa il test. Lasciare il campione nella macchina di prova e rimuovere l'estensimetro. Riprendere ad applicare il carico di trazione fino al cedimento. Registrare il carico massimo e il carico a guasto. Rimuovere il campione rotto dalla macchina. Osservare e documentare la posizione e il carattere della frattura. Misurare la larghezza e lo spessore del provino 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.

Al termine del collaudo, 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 strizione su e giù per il provino mentre le catene polimeriche si srotolano, mostrando la duttilità dell'HDPE. Questo fenomeno è ancora più evidente se il materiale viene caricato lentamente, consentendo al campione di HDPE di allungarsi fino a diverse volte la sua lunghezza iniziale.

Il PVC mostra una progressione di rottura 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 pari a quello del PVC, ma era un materiale molto più duttile, che si allungava in modo più simile al campione di HDPE.

Al contrario, il campione acrilico si guasta sostanzialmente senza alcuna deformazione non lineare. La rottura risultante avviene senza alcun allungamento visibile del campione.

Successivamente, calcoliamo il modulo di Young per le regioni lineari dei campioni. Campionamo tre coppie di punti attraverso la regione di deformazione elastica e calcoleremo la pendenza di ciascuna coppia. Le medie di questi tre pendii saranno il modulo di Young approssimativo di quel materiale.

Come si può vedere, i due moduli di Young più alti corrispondono ai materiali che hanno richiesto più forza per rompersi. In questo esempio, rappresenta i campioni di PVC e acrilico. Questi materiali hanno anche subito una deformazione plastica minima o nulla, rispetto all'HDPE o al nylon, rendendoli materiali relativamente fragili. I campioni di HDPE e nylon avevano moduli di Young inferiori, il che significa che la forza richiesta per deformarsi era minore. Questi campioni hanno subito una strizione significativa, che li rende i materiali più duttili tra quelli campionati.

Diamo ora un'occhiata a un paio di applicazioni comuni di diversi polimeri. Quasi tutti i campi professionali troveranno la plastica utilizzata, 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 flessibili, 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 che vanno dai cavi isolanti elettrici ai guanti nitro utilizzati nei laboratori.

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

Grazie per l'attenzione!