Overview
资料来源: 布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学土木与环境工程系罗伯特. 里昂
高分子材料广泛应用于民用结构中, 使用范围从非常软的密封剂到更多的水和废水系统中的刚性管道。聚合物的最基本的定义是一个具有重复亚基的分子结构。术语高分子来源于希腊语, 其中 "聚" 指的是许多, 而 "-" 指的是基本单位。单体或单一市场汇率是特定的重复单位。与聚合物, 结构, 包括碳骨干的长度和变化的灵活性, 将决定聚合物的性质。聚合物分为3个子类: 塑料, 弹性体和刚性棒聚合物。塑料进一步细分成热固性, 不软化加热和热塑性塑料, 这是软化时, 加热和硬化冷却。此外, 热塑性塑料大多是线性或分枝聚合物, 几乎没有交联, 而热固性陈列3D 结构和有广泛的交联。弹性体, 或橡胶, 是长, 盘绕链, 可以拉伸到两倍的原始长度, 但将收缩回原来的大小时释放, 而刚性棒聚合物不伸展和是强大的, 晶体结构。
在本实验室, 我们将研究几种不同的高分子材料, 包括高密度聚乙烯 (HDPE)、聚氯乙烯 (PVC)、尼龙和甲基丙烯酸甲酯 (丙烯酸), 以了解应力应变的广度和多样性。这些材料的曲线以及它们的机械性能如何影响其性能。
Principles
聚合物由具有独特侧链的碳骨干组成。碳具有四面体键合, 因此, 这些键能够旋转, 导致链, 可以是直, 纠结, 扭曲, 或弯曲。债券的灵活性取决于双键和交联债券的数量, 以及侧链组的性质。更多的双链和交联债券将限制轮换。虽然小的侧链组允许更多的自由旋转, 笨重的侧组限制旋转。
了解不同类型聚合物结构之间的差异有助于指导应用程序的使用。热塑性塑料有没有连接的链条, 而是由微弱的范德华力联合在一起, 使链条能够滑过彼此。该属性允许热塑性塑料容易变形, 也使其易于回收。另一方面, 热固性塑料具有强共价键, 相互联系, 或相互连接。这种特性使热固性塑料难以回收。通常, 材料被粉碎和重复使用作为填料材料。
随着键合类型的不同, 在为特定的应用选择聚合物时, 人们应该考虑的另一个特征是结晶度。聚合物可以是无定形的 (非有序的) 或结晶 (有序), 但一般在介于和称为半晶之间。结晶度取决于冷却速率、链构型和分子化学。较高的结晶度往往会产生更高的强度、杨氏模量 (E) 和耐温性。另一方面, 为了确定聚合的程度, 你必须确定一个平均分子量的链, 因为在现实生活中应用链将有不同的长度。聚合的程度, n, 只是一个链的分子量除以分子量的单体。聚合物的应力-应变行为是高度可变的。热塑性塑料显示韧性和脆性的行为, 而热固性往往只表现出脆性的行为。另一方面, 弹性体通常具有低杨氏模量和显示非线性行为。聚合物的性质介于 Hookean 和牛顿材料之间, 因为它们依赖于应变、时间和温度。Hookean 材料性质取决于应变, 而牛顿材料的性质取决于应变速率。 在拉伸试验中, 有些聚合物会进行缩口, 在施加拉伸力时, 材料可以应变和拉长试样。在拉伸试验中拉伸时, 各种聚合物类型将经历不同形式的失效。 由此产生的失效可以是链开卷、开裂或结晶块的分离。
温度对聚合物的行为也起着关键作用。tM是材料的熔化温度, tG是玻璃转变温度。主要是, 如果 t > tM, 材料是液体状的, 或粘性。但是, 如果 t < tG, 材料是玻璃的, 将是脆弱的。如果 t tg, 材料是橡胶的, 而如果 t > tg, 材料是流动和更加韧性的。图 Y 说明了此行为。
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Procedure
- 获得丙烯酸、尼龙、HPDE 和 PVC 高分子材料的典型拉伸试样。
- 使用千分尺测量每个试样轴上几个位置的宽度和厚度, 以确定平均横断面尺寸。记录数据表上每个试样的平均测量宽度和厚度。
- 把标本放在夹子里。确保每一端至少有80% 牢固地附着在手柄上, 这将有助于确保在装载操作过程中防止打滑。砂纸也可以使用 (砂侧向样品), 以提高抓取样品。
- 测量手柄之间的试样长度。这个值是计长, 将用于计算应变。
- 按照制造商的规格, 将电子计安全地连接到试样上。注: 计刀片不需要精确定位在标本上的量具标记上, 但应近似地以试样为中心。
- 开始将拉伸载荷应用于试样, 并观察应用载荷在计算机显示器上的实时读数。如果测量的负载不增加, 试样会滑过手柄, 需要重新附加。在此实例中, 教师将停止测试, 并从步骤2中重复该过程。
- 继续缓慢地应用拉伸载荷, 观察计算机生成的负载与位移图在整个加载过程中的形状。
- 在示例失败之前的某个时间, 测试将自动暂停, 而不卸载样本。此时, 移除计。如果标本打破了计的地方, 你会摧毁计, 一个非常昂贵的设备。
- 加载标本直到失败。记录最大负载和失败时的负载。
- 从机器上取下破损的标本。观察并记录骨折的位置和特征。
- 测量故障区域内每个试样的宽度和厚度, 并记录最终测量结果。
聚合物代表了世界上最广泛使用的材料, 从软密封剂到刚性水管都能找到。聚合物最基本的定义是一个具有长链重复亚基或单体的分子结构。聚合物可以分为许多子类别。最基本的两个是形式持有塑料和弹性弹性体。
塑料进一步细分为热塑性塑料和热固性。热塑性塑料主要是线性的并且陈列非常少许交联。热固性通常有更复杂的三维结构, 通常具有广泛的交联。
弹性体, 又称橡胶, 由长而连续的聚合物链组成, 可以拉伸到超出原有的静止长度, 但在释放时会收缩回原来的尺寸。
在本视频中, 我们将确定不同高分子材料的应力应变曲线, 以了解它们的力学性能对其性能的影响。
聚合物的最基本的方法之一是与应力-应变曲线分析。这包括将已知载荷应用于试样并观察由此产生的变形。
聚合物的应力-应变行为主要取决于所分析材料的类型。应力轴代表了施加于材料的力的量, 而应变曲线代表了由于这种应力而产生的相对变形。曲线的最后一点表示由于施加的力, 材料最终失败的点。
在应力-应变曲线的线性区域中, 斜率代表了材料的杨氏模量。这是给定材料的固有属性。这一线性区域内的变形称为弹性变形, 是可逆的。变形过去这个区域被称为塑性变形, 是永久性的。
既然你已经了解了聚合物及其性能, 我们可以用拉伸试验机来测试不同的高分子材料。
获得丙烯酸、尼龙、HPDE 和 PVC 高分子材料的典型拉伸试样。使用千分尺测量每个试样轴上几个位置的宽度和厚度, 以确定平均横断面尺寸。记录数据表上每个试样的平均测量宽度和厚度。
建立通用测试机, 如朱庇特视频中所示, 关于钢的应力应变特性。接下来, 将试样放在拉伸试验机的手柄上。确保每一端至少有80% 牢固地附着在手柄上, 这将有助于防止在加载操作过程中出现滑动。砂纸也可以用来提高抓取样品。
根据制造商的说明, 将电子计安全地连接到试样上。接下来, 测量手柄之间的试样长度。这个值是测量长度, 将用于计算应变。现在, 开始将拉伸载荷应用于试样, 并观察应用载荷在计算机显示器上的实时读数。如果测量的负荷不增加, 试样会滑过手柄, 需要重新连接。在这种情况下, 停止测试, 并将标本重新连接到手柄。
继续缓慢地应用拉伸载荷, 观察计算机生成的负载与位移图在整个加载过程中的形状。在示例失败之前的某个时间, 软件将自动暂停测试。将样品留在测试机中, 然后取出计。继续应用拉伸负载直到故障。记录最大负载和失败时的负载。从机器上取下破损的标本。观察并记录骨折的位置和特征。测量故障区域内试样的宽度和厚度, 并记录最终测量结果。
重复此协议的其余标本, 确保记录和特征的位置, 他们的骨折。
测试完成后, 让我们看看拉伸测试的结果。在这里, 我们看到的进展, 在高密度聚乙烯样品的失败。在拉伸试验过程中, 试样作为高分子链解开, 有大量的颈缩量, 展示了 HDPE 的延性。这种现象更明显, 如果材料加载缓慢, 允许 HDPE 样品伸展到数倍它的初始长度。
PVC 显示了类似的失败进展, 高密度聚乙烯, 但更高的杨氏模量和较低的延性。
尼龙试样的杨氏模量几乎和 PVC 一样高, 但它的韧性物质要多得多, 与 HDPE 试样相似。
相反, 丙烯酸试样基本上没有任何非线性变形的情况下失效。产生的断裂发生时, 样品没有可见伸长。
接下来, 让我们计算样本的线性区域的杨氏模量。我们将在弹性变形区取样三对点, 并计算每对的斜率。这三个斜坡的平均值将是该材料的近似杨氏模量。
可以看出, 两个最高的杨氏模量对应的材料, 需要更多的力量打破。在这个例子中, 这代表 PVC 和丙烯酸样品。与 HDPE 或尼龙相比, 这些材料对塑料的变形也很少, 使它们的材料比较脆。HDPE 和尼龙样品的杨氏模量较低, 这意味着所需的变形力较小。这些样品经历了大量的颈缩, 使它们成为取样材料中最韧性的。
现在让我们看看几种不同聚合物的常见应用。几乎任何专业领域都将发现塑料正在使用, 从医疗设备到高强度建筑材料。
在土木工程应用中, 聚合物广泛用于密封剂、管道或软管、壁板、涂层和胶粘剂。聚合物的不同性质使他们成为几乎任何工作的潜在候选者。
弹性体是一种特定类型的聚合物, 广泛地寻求其独特的性质。由于它们具有很大的拉伸比, 是电子非导电性的, 而且极具防水性, 它们在实验室使用的绝缘电线到硝基手套的应用中很有用。
你刚刚看了朱庇特对聚合物拉伸试验的介绍。你现在应该了解高分子科学的基本知识, 并知道标准的实验室测试, 以确定不同聚合物材料的应力应变关系。
谢谢收看!
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Results
这些材料的典型故障如图1所示, 见图4。图1显示了聚乙烯中的失败的进展, 最初的缩进和随后的进展, 在标本中作为聚合链解开的缩进和向下。高密度聚乙烯材料, 如果加载缓慢, 可以伸展到几次它的初始长度 (图 2)。另一方面, PVC 表现出类似的失败进展, 但延性低得多 (图 3)。该图还说明了应变速率对变形能力的典型影响;速度越快, 延性越低, 强度略高。相比之下, 丙烯酸试样基本上没有任何非线性变形而失效 (图 4)。
图 1: a. 在短 HDPE 试样中缩颈的进展。b. 接近手柄的颈缩, 显示与原标本的比较.
图 2: 大变形可能在高密度聚乙烯装载慢慢地。照片显示了图1B 中显示的整个标本。
图 3: PVC 试样中出现应变率效应的故障.
图 4: 丙烯酸试样出现故障.
四材料的应力-应变曲线的结果如图5所示, 见图8。
图 5: 高密度聚乙烯的应力应变曲线.
图 6: PVC 的应力应变曲线.
图 7: 尼龙的应力应变曲线.
图 8: 丙烯酸的应力应变曲线.
重要的是要注意, 图5通过图8都有非常不同的水平和垂直尺度。这些实验的测试结果在表1和图2中进行了总结, 而无花果9则显示了应力-应变曲线与50% 应变的比较。伸长率 (表 2) 的差异显著, 表明高分子材料的力学性能有很大差异。强度的变化是有点小, 只有 HDPE 显示显着较低的价值。该行为范围从弹性脆性的丙烯酸到非常韧性和软化的 HDPE。
表 1: 原始数据摘要。
图 9: 对所有聚合物进行测试的应力-应变曲线的比较, 高达50% 的应变.
| 材料 | Pvc | Hdpe | 丙烯酸 | 尼龙 | |
| 初始区域 | 0.0624 | 0.0633 | 0.0624 | 0.0628 | 在. 2 |
| 最终区域 | 0.0185 | 0.0076 | 0.0605 | 0.0528 | 在. 2 |
| 面积变化百分比 | 70.37 | 87.92 | 3.00 | 15.84 | % |
| 原量具长度 | 1.987 | 2.021 | 2.123 | 2.245 | 在. |
| 最终量具长度 | 2.157 | 6.985 | 2.098 | 3.650 | 在. |
| 伸长率 | 8.56 | 245.62 | -1.18 | 62.58 | % |
| 初始刚度应变 | 0.012 | 0.019 | 0.020 | 0.020 | in..。 |
| 初始刚度应力 | 8。0 | 2。5 | 7。0 | 8。0 | ksi |
| 初始模数 | 667 | 132 | 350 | 400 | ksi |
| 0.2% 强度应变 | 0.0090 | 0.0160 | 0.0165 | 0.0090 | 在. |
| 屈服强度 (02% 偏置) | 4。6 | 1。8 | 4。9 | 2。0 | 在. |
表 2: 结果摘要。
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Applications and Summary
图9显示了几种聚合物的载荷变形特性的大变化。 该行为范围从纯强, 弹性和脆性的丙烯酸试样对软, 高度粘弹性和非常韧性的 HDPE。 这些反映了热固性 (丙烯酸) 对热塑性塑料 (HDPE, 尼龙和 PVC) 的极端性质。值得注意的是, PVC, 这是经常使用的成品和馅饼在我们的建筑物和家庭, 显示了良好的平衡强度, 粘弹性和延性。
在土木工程应用中, 聚合物通常用于涂料、密封胶、粘合剂、壁板、管道、管道工人、土工布、土工格栅、土工、室内整理、修复、修复以及外部结构元素。美国的塑料工业非常庞大, 在2014期间, 它占到了近100万个就业岗位和3080亿美元的工业出货量。还有许多天然聚合物用于商业领域, 如木材、橡胶、棉花和皮革, 以及生物领域, 如蛋白质、酶和淀粉。即使是在吃东西时使用的特百惠和取出食品容器都是由聚合物组成的。
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