폴리머의 인장 시험

폴리머는 세계에서 가장 널리 사용되는 재료 중 일부이며, 연질 실란트에서 단단한 수도관에 이르기까지 모든 것에서 발견됩니다. 고분자의 가장 기본적인 정의는 반복되는 소단위 또는 단량체의 긴 사슬을 가진 분자 구조입니다. 폴리머는 여러 하위 범주로 분류할 수 있습니다. 가장 기본적인 두 가지는 형태를 유지하는 플라스틱과 유연한 엘라스토머입니다.

플라스틱은 열가소성 수지와 열경화성 수지로 더 세분화됩니다. 열가소성 수지는 대부분 선형이며 가교가 거의 없습니다. 열경화성 수지는 일반적으로 더 복잡한 3차원 구조를 가지며 일반적으로 광범위한 가교 결합이 있습니다.

고무라고도 하는 엘라스토머는 길고 코일화된 폴리머 사슬로 구성되어 있으며 원래 정지 길이를 넘어 늘릴 수 있지만 방출되면 원래 크기로 다시 수축합니다.

이 비디오에서는 기계적 특성이 성능에 어떤 영향을 미치는지 이해하기 위해 다양한 고분자 재료에 대한 응력 변형 곡선을 결정합니다.

폴리머를 특성화하는 가장 기본적인 방법 중 하나는 응력-변형률 곡선 해석을 사용하는 것입니다. 여기에는 알려진 하중을 시편에 적용하고 그에 따른 변형을 관찰하는 작업이 포함됩니다.

폴리머의 응력-변형률 거동은 분석되는 재료의 유형에 따라 크게 달라집니다. 응력 축은 재료에 가해지는 힘의 양을 나타내고, 변형 곡선은 이 응력으로 인한 상대적 변형을 나타냅니다. 곡선의 마지막 점은 가해진 힘으로 인해 재료가 최종적으로 파손된 지점을 나타냅니다.

응력-변형률 곡선의 선형 영역에서 기울기는 해당 재료의 영률(Young's modulus)을 나타냅니다. 이것은 주어진 재료의 고유한 속성입니다. 이 선형 영역 내의 변형은 탄성 변형으로 알려져 있으며 가역적입니다. 이 영역을 지나는 변형은 소성 변형으로 알려져 있으며 영구적입니다.

이제 폴리머와 그 특성을 이해했으므로 인장 시험기를 사용하여 다양한 폴리머 재료를 테스트해 보겠습니다.

아크릴, 나일론, HPDE 및 PVC 고분자 재료의 일반적인 인장 시편을 얻을 수 있습니다. 마이크로미터를 사용하여 각 시편의 샤프트를 따라 여러 위치에서 너비와 두께를 측정하여 평균 단면 치수를 결정합니다. 각 시편의 측정된 평균 너비와 두께를 데이터 시트에 기록하십시오.

강철의 응력-변형률 특성에 관한 JoVE 비디오에 표시된 대로 만능 재료 시험기를 설정합니다. 그런 다음 인장 시험기의 그립에 시편을 놓습니다. 각 끝의 최소 80%가 그립에 단단히 부착되어 있는지 확인하여 적재 작업 중 미끄러짐을 방지하는 데 도움이 됩니다. 시료의 그립을 개선하기 위해 사포를 사용할 수도 있습니다.

제조업체의 지침에 따라 전자 신율계를 시편에 단단히 부착합니다. 다음으로, 그립 사이의 시편 길이를 측정합니다. 이 값은 게이지 길이이며 변형률을 계산하는 데 사용됩니다. 이제 시편에 인장 하중을 가하기 시작하고 컴퓨터 디스플레이에서 적용된 하중의 실시간 판독값을 관찰합니다. 측정된 하중이 증가하지 않으면 시편이 그립을 통해 미끄러지고 있으므로 다시 부착해야 합니다. 이 경우 시험을 중지하고 시편을 그립에 다시 부착합니다.

인장 하중을 천천히 계속 적용하면서 하중 전반에 걸쳐 컴퓨터에서 생성된 하중 대 변위 그래프의 모양을 관찰합니다. 샘플 실패 얼마 전에 소프트웨어가 자동으로 테스트를 일시 중지합니다. 샘플을 테스트 기계에 그대로 두고 신율계를 제거합니다. 실패할 때까지 인장 하중 적용을 재개합니다. 최대 부하와 실패 시 부하를 기록합니다. 기계에서 깨진 표본을 제거합니다. 골절의 위치와 특성을 관찰하고 문서화합니다. 파손 영역에서 시편의 너비와 두께를 측정하고 최종 측정값을 기록합니다.

나머지 표본에 대해 이 프로토콜을 반복하여 골절 위치를 문서화하고 특성화합니다.

테스트가 완료되었으므로 이제 인장 테스트 결과를 살펴보겠습니다. 여기에서 우리는 고밀도 폴리에틸렌 샘플에서 실패의 진행 상황을 볼 수 있습니다. 인장 시험 중에는 고분자 사슬이 풀리면서 시편을 위아래로 상당한 양의 네킹이 발생하여 HDPE의 연성을 보여줍니다. 이 현상은 재료가 천천히 로드되어 HDPE 샘플이 초기 길이의 몇 배까지 늘어날 수 있는 경우 훨씬 더 두드러집니다.

PVC는 HDPE와 유사한 파괴 진행을 보이지만 Young's modulus가 훨씬 높고 연성이 낮습니다.

나일론 샘플은 PVC만큼 Young's modulus가 거의 높았지만 훨씬 더 연성이 있는 재료였으며 HDPE 샘플과 더 유사하게 늘어났습니다.

대조적으로, 아크릴 시편은 기본적으로 비선형 변형 없이 실패합니다. 결과 파손은 샘플의 눈에 띄는 연신율 없이 발생합니다.

다음으로, 시편의 선형 영역에 대한 Young의 계수를 계산해 보겠습니다. 탄성 변형 영역을 가로지르는 세 쌍의 점을 샘플링하고 각 쌍의 기울기를 계산합니다. 이 세 기울기의 평균은 해당 재료의 대략적인 Young's modulus가 됩니다.

보시다시피, 두 개의 가장 높은 Young의 계수는 파괴하는 데 더 많은 힘이 필요한 재료에 해당합니다. 이 예에서는 PVC 및 아크릴 샘플을 나타냅니다. 이러한 재료는 또한 HDPE나 나일론에 비해 소성 변형이 거의 또는 전혀 발생하지 않아 비교적 부서지기 쉬운 재료입니다. HDPE 및 나일론 샘플은 Young's moduli가 더 낮았으며, 이는 변형에 필요한 힘이 적다는 것을 의미합니다. 이러한 샘플은 상당한 네킹(necking)을 경험하여 샘플링된 재료 중 가장 연성이 높았습니다.

이제 서로 다른 폴리머의 몇 가지 일반적인 응용 분야를 살펴 보겠습니다. 거의 모든 전문 분야에서 의료 장비에서 고강도 건축 자재에 이르기까지 플라스틱이 사용되는 것을 볼 수 있습니다.

토목 공학 응용 분야에서 폴리머는 실란트, 배관 또는 호스, 사이딩, 코팅 및 접착제에 널리 사용됩니다. 폴리머의 다양한 특성으로 인해 거의 모든 작업에 잠재적인 후보가 될 수 있습니다.

엘라스토머는 특정 유형의 폴리머로, 고유한 특성으로 인해 널리 사용됩니다. 신축률이 크고 전기 전도성이 없으며 방수가 매우 뛰어나기 때문에 전기 절연 전선에서 실험실에서 사용되는 니트로 장갑에 이르기까지 응용 분야에 유용합니다.

여러분은 방금 고분자의 인장 테스트에 대한 JoVE의 소개를 시청했습니다. 이제 고분자 과학의 기초를 이해하고 다양한 고분자 재료에 대한 응력-변형률 관계를 결정하기 위한 표준 실험실 테스트를 알아야 합니다.

시청해 주셔서 감사합니다!