Испытания полимеров на растяжение

Полимеры представляют собой одни из наиболее широко используемых материалов в мире, их можно найти во всем, от мягких герметиков до жестких водопроводных труб. Самое основное определение полимера — это молекулярная структура с длинной цепью повторяющихся субъединиц, или мономеров. Полимеры можно классифицировать по многим подкатегориям. Двумя из самых основных являются пластики, удерживающие форму, и гибкие эластомеры.

Пластмассы в свою очередь подразделяются на термопласты и термореактивные материалы. Термопласты в основном линейны и демонстрируют очень слабую сшивку. Термореактивные материалы обычно имеют более сложную трехмерную структуру, как правило, с обширной сшивкой.

Эластомеры, также известные как резины, состоят из длинных спиральных полимерных цепей и могут быть растянуты за пределы своей первоначальной длины покоя, но при отпускании сжимаются до первоначального размера.

В этом видео мы определим кривые деформации напряжения для различных полимерных материалов, чтобы понять, как их механические свойства влияют на их характеристики.

Одним из наиболее основных способов характеристики полимеров является анализ кривой напряжения-деформации. Это включает в себя приложение известной нагрузки к образцу и наблюдение за результирующей деформацией.

Напряженно-деформированное поведение полимеров во многом зависит от типа анализируемого материала. Ось напряжения представляет собой величину силы, приложенной к материалу, в то время как кривая деформации представляет относительную деформацию из-за этого напряжения. Конечная точка кривой представляет собой точку, где материал в конечном итоге разрушился из-за приложенной силы.

В линейных областях кривой зависимости напряжения от деформации наклон представляет собой модуль Юнга этого материала. Это неотъемлемое свойство данного материала. Деформация в этой линейной области известна как упругая деформация и является обратимой. Деформация за пределами этой области известна как пластическая деформация и является постоянной.

Теперь, когда вы понимаете полимеры и их свойства, давайте испытаем различные полимерные материалы с помощью машины для испытаний на растяжение.

Получение типичных образцов на растяжение из акриловых, нейлоновых, HPDE и PVC полимерных материалов. С помощью микрометра измерьте ширину и толщину в нескольких местах вдоль стержня каждого образца, чтобы определить средние размеры поперечного сечения. Запишите среднюю измеренную ширину и толщину каждого образца в техническом паспорте.

Настройте универсальную испытательную машину, как показано в видеоролике JoVE, посвященном характеристикам сталей по напряженно-деформированным характеристикам. Затем поместите образец в рукоятки машины для испытаний на растяжение. Убедитесь, что не менее 80 процентов каждого конца надежно прикреплено к рукояткам, что поможет предотвратить проскальзывание во время операции погрузки. Наждачная бумага также может использоваться для улучшения захвата образца.

Надежно прикрепите электронный экстензометр к образцу в соответствии с инструкциями производителя. Далее измерьте длину образца между захватами. Это значение является расчетной длиной и будет использоваться для расчета деформации. Теперь начните прикладывать растягивающую нагрузку к образцу и наблюдайте за считыванием приложенной нагрузки на дисплее компьютера в реальном времени. Если измеренная нагрузка не увеличивается, образец проскальзывает через захваты и его необходимо снова прикрепить. В этом случае остановите испытание и снова прикрепите образец к захватам.

Продолжайте медленно прикладывать растягивающую нагрузку, наблюдая за формой сгенерированной компьютером нагрузки в зависимости от графика смещения на протяжении всей нагрузки. За некоторое время до отказа образца программное обеспечение автоматически приостановит тест. Оставьте образец в испытательной машине и снимите экстензометр. Возобновите применение растягивающей нагрузки до отказа. Запишите максимальную нагрузку и нагрузку при отказе. Извлеките сломанный образец из станка. Наблюдайте и документируйте местоположение и характер перелома. Измерьте ширину и толщину образца в области разрушения и запишите окончательные измерения.

Повторите этот протокол для остальных образцов, обязательно задокументировав и охарактеризовав расположение их переломов.

Когда испытания завершены, давайте теперь посмотрим на результаты испытания на растяжение. Здесь мы видим прогрессирование разрушения в образце полиэтилена высокой плотности. Во время испытания на растяжение происходит значительное смещение горловины вверх и вниз по образцу, поскольку полимерные цепи разматываются, демонстрируя пластичность полиэтилена высокой плотности. Это явление еще более заметно, если материал нагружается медленно, что позволяет образцу ПНД растянуться в несколько раз по сравнению с первоначальной длиной.

ПВХ демонстрирует такое же прогрессирование разрушения, как и ПЭВП, но с гораздо более высоким модулем Юнга и более низкой пластичностью.

Образец нейлона имел почти такой же высокий модуль Юнга, как и ПВХ, но был гораздо более пластичным материалом, удлиняющимся более похоже на образец из полиэтилена высокой плотности.

В отличие от этого, акриловый образец в основном разрушается без какой-либо нелинейной деформации. Возникающий разрыв происходит без видимого удлинения образца.

Далее рассчитаем модуль Юнга для линейных областей образцов. Мы возьмем образцы трех пар точек в области упругой деформации и рассчитаем наклон каждой пары. Средние значения этих трех наклонов будут приблизительным модулем Юнга для этого материала.

Как видно, два самых высоких модуля Юнга соответствуют материалам, для разрушения которых требовалось большее усилие. В данном примере это образцы из ПВХ и акрила. Эти материалы также практически не подвергались пластической деформации по сравнению с ПНД или нейлоном, что делало их сравнительно хрупкими материалами. Образцы из полиэтилена высокой плотности и нейлона имели более низкие модули Юнга, что означало меньшую силу деформации. Эти образцы испытали значительное сужение, что сделало их наиболее пластичными из отобранных материалов.

Давайте теперь рассмотрим несколько распространенных применений различных полимеров. Пластик используется практически в любой профессиональной области, от медицинского оборудования до высокопрочных строительных материалов.

В гражданском строительстве полимеры широко используются для герметиков, трубопроводов или шлангов, сайдинга, покрытий и клеев. Разнообразные свойства полимеров делают их потенциальным кандидатом практически для любой работы.

Эластомеры – это особый тип полимеров, широко востребованный благодаря своим уникальным свойствам. Поскольку они имеют большой коэффициент растяжения, являются электронепроводящими и чрезвычайно водонепроницаемыми, они полезны в различных приложениях — от электрических изолирующих проводов до нитроперчаток, используемых в лабораториях.

Вы только что посмотрели введение JoVE в испытания полимеров на растяжение. Теперь вы должны понимать основы науки о полимерах и знать стандартные лабораторные тесты для определения зависимости напряжения-деформации для различных полимерных материалов.

Спасибо за просмотр!