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Structural Engineering

Spannung-Tests von Polymeren

Overview

Quelle: Roberto Leon, Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Polymere Werkstoffe sind in zivilen Strukturen mit Verwendung von sehr weichen Dichtungen bis hin zu mehr starre Rohre in Wasserleitungen und Kanalisation verbreitet. Die grundlegende Definition eines Polymers ist eine molekulare Struktur mit sich wiederholenden Untereinheiten. Der Begriff Polymer stammt aus dem griechischen, wo "Poly" bedeutet viele, und "-Mer" bedeutet Grundeinheit. Monomere oder einzelne Mers sind spezifische Wiederholungseinheiten. Mit Polymeren bestimmen die Struktur, einschließlich der Länge der Kohlenstoff-Rückgrat und die unterschiedliche Flexibilität die Eigenschaften des Polymers. Polymere sind in 3 Unterkategorien eingeteilt: Kunststoffe, Elastomere und steife Rute Polymere. Kunststoffe sind weiter in Duroplaste, unterteilt die nicht erweichen, auf Heizung und Thermoplaste, die weich zu tun, wenn erhitzt und beim Abkühlen erhärten. Thermoplaste sind darüber hinaus meist lineare oder verzweigte Polymere mit wenig bis keine Vernetzung, während Duroplaste 3D Struktur aufweisen und umfangreiche Vernetzung haben. Elastomere oder Beläge sind lang, Ketten gewickelt und kann zweimal der ursprünglichen Länge gedehnt werden, aber wird wieder auf die ursprüngliche Größe Wenn freigegeben, während steife Rute Polymere nicht Strecken und sind stark, kristalline Strukturen schrumpfen.

In diesem Labor untersuchen wir verschiedene Polymere Materialien, einschließlich high-Density Polyethylen (HDPE), Polyvinyl Chloride (PVC), Nylon und Methylmethacrylat (Acryl) um zu verstehen, die Breite und Vielfalt der Spannungs-Dehnungs Kurven für diese Materialien und wie ihre mechanischen Eigenschaften ihrer Leistung beeinflussen.

Principles

Polymere bestehen aus einem Kohlenstoff-Backbone mit markanten Seitenketten. Carbon Exponate tetraedrischen kleben, damit die Bindungen sind in der Lage, Rotation, was zu Ketten, die gerade geknickt sein können, verdreht, oder gebogen. Die Flexibilität der Anleihe richtet sich nach der Anzahl der Doppelbindungen und vernetzende Anleihen sowie den Charakter der Kette Seitengruppen. Doppel- und vernetzende Anleihen schränkt die Drehung. Während klein Kette Gruppen mehr frei drehen können, schränken sperrigen Seitengruppen Drehung.

Zu wissen, die Unterschiede zwischen den Strukturen der verschiedenen Arten von Polymeren hilft Reiseführer-Anwendung verwenden. Thermoplaste sind Ketten, die nicht verbunden sind, sondern stattdessen durch schwache Van-Der Waals Kräfte, so dass die Ketten aneinander vorbei gleiten zusammengehalten werden. Mit dieser Eigenschaft können Thermoplaste leicht verformt, und es macht sie auch leicht zu recyceln. Auf der anderen Seite duroplastischen Kunststoffe haben starke kovalente Bindungen und sind vernetzt, oder miteinander verbunden. Diese Eigenschaft macht duroplastischen Kunststoffe schwer zu recyceln. Die Materialien sind in der Regel geschreddert und als Füllmaterial verwendet.

Zusammen mit der Bonding-Arten ist eine weitere Eigenschaft, die man beachten sollte bei der Auswahl eines Polymers für eine bestimmte Anwendung der Grad der Kristallisation. Polymere sind amorphe (bestellt) oder kristalline (geordnete), sondern sind in der Regel irgendwo dazwischen und teilkristallinen bezeichnet. Der Grad der Kristallisation hängt von der Kühlung, Konfiguration und die molekulare Chemie. Ein höheres Maß an Kristallisation neigt dazu, eine höhere Festigkeit, Youngs Modulus (E) und Temperaturbeständigkeit zur Folge haben. Auf der anderen Seite muss um den Grad der Polymerisation zu bestimmen, ein mittleres Molekulargewicht für Ketten, wie in realen Anwendungen festgestellt werden, werden Ketten mit unterschiedlichen Längen. Der Grad der Polymerisation, n, ist einfach das Molekulargewicht einer Kette geteilt durch das Molekulargewicht von einem Monomer. Das Spannungs-Dehnungs-Verhalten von Polymeren ist sehr variabel. Thermoplaste zeigen duktile und spröde Verhalten, während Duroplaste sind in der Regel nur spröde Verhalten aufweisen. Auf der anderen Seite Elastomere oft haben einen niedrigen Elastizitätsmodul und nichtlineares Verhalten zeigen. Die Eigenschaften der Polymere liegen irgendwo zwischen einem Hookean und einem Newtonschen Material, da sie abhängig von Druck, Zeit und Temperatur. Hookean Material Eigenschaften richten sich nach Belastung, während Newtonsche Materialeigenschaften auf die Rate der Belastung abhängig. Unter Zugversuch, manche Polymere Einschnürung, zu unterziehen, wo das Material belasten und das Exemplar zu verlängern, wenn Zugkräfte angewendet werden kann. Verschiedene Polymertypen durchläuft verschiedene Formen des Scheiterns, wenn in einem Zugversuch gedehnt. Die daraus resultierenden Ausfall kann Kette abrollen, Rissbildung oder die Trennung von kristallinen Block sein.

Temperatur spielt auch eine Schlüsselrolle in Polymere wie verhält. T-G ist die Glasübergangstemperatur TM ist die Schmelztemperatur des Materials Vor allem, wenn T > TM, das Material ist, Flüssigkeit-Like oder Viskose. Jedoch wenn T < TG, das Material ist glasig und spröde werden. Wenn T ~ TG, das Material ist gummiartig, während If T > TG, das Material ist fließend und duktileren. Abbildung Y veranschaulicht dieses Verhalten.

Procedure

  1. Erhalten Sie typische Zugstäbe aus Acryl, Nylon, HPDE und PVC polymerer Werkstoffe.
  2. Messen Sie ein Mikrometer die Breite und Dicke an mehreren Standorten entlang der Welle von jeder Probe die durchschnittliche Querschnittsmaßen bestimmen. Datensatz die durchschnittliche gemessene Breite und Dicke von jeder Probe auf dem Datenblatt.
  3. Legen Sie die Probe in den Griff. Stellen Sie sicher, dass mindestens 80 % von jedem Ende, die Griffe fest ist die hilft gegen Verrutschen während des Ladevorgangs zu gewährleisten. Schleifpapier kann auch verwendet (Körnung Seite in Richtung der Probe) zur Verbesserung der Probe greifen.
  4. Messen Sie die Länge der Probe zwischen den Griffen. Dieser Wert ist die Gage Länge und wird verwendet, um die Belastung zu berechnen.
  5. Befestigen Sie die elektronische Extensometer sicher auf die Probe nach Angaben des Herstellers. Hinweis: Die Extensometer klingen müssen nicht genau auf die Gage Markierungen auf dem Probestück positioniert werden, aber sollte ungefähr zentriert werden, auf die Probe.
  6. Anwenden Sie der Zugbelastung auf die Probe und beobachten Sie die Lesung der angewendeten Last auf dem Computerdisplay zu. Wenn die gemessene Belastung nicht steigt, die Probe rutscht durch die Griffe und muss wieder angenäht werden. In diesem Fall wird die Lehrer den Test beenden und wiederholen Sie den Vorgang ab Schritt2.
  7. Weiterhin anzuwenden Zugbelastung langsam, die Form der Computer-generierte Last vs. Verschiebung Diagramm während der Beladung zu beobachten.
  8. Irgendwann vor der Probe scheitern wird der Test automatisch angehalten ohne Entladen der Probekörpers. An dieser Stelle entfernen Sie die Extensometer. Bricht die Probe mit der Extensometer vorhanden, werden Sie die Extensometer, ein sehr teures Gerät zerstören.
  9. Laden Sie die Probe bis zum Bruch. Notieren Sie die maximale Belastung und die Last bei Ausfall.
  10. Entfernen Sie das zerbrochene Exemplar aus dem Gerät. Beobachten Sie und dokumentieren Sie die Lage und den Charakter der Fraktur.
  11. Messen Sie die Breite und Dicke von jeder Probe in der Region des Scheiterns und zeichnen Sie der abschließenden Messungen auf.

Polymere sind einige der am häufigsten verwendeten Materialien in der Welt, vom weichen Dichtstoffe starre Wasserleitungen gefunden wird. Die grundlegende Definition eines Polymers ist eine molekulare Struktur mit einer langen Kette von sich wiederholenden Untereinheiten oder Monomere. Polymere können in viele Unterkategorien unterteilt werden. Zwei der grundlegendsten sind Form-Holding-Kunststoffe und die flexible Elastomere.

Kunststoffe sind weiter unterteilt in Thermoplaste und Duroplaste. Thermoplaste sind meist linear und sehr wenig Vernetzung aufweisen. Duroplaste sind dreidimensionale Strukturen, in der Regel mit umfangreichen Vernetzung in der Regel komplizierter.

Elastomere, auch bekannt als Beläge bestehen aus langen, aufgerollten Polymerketten und können darüber hinaus ihre ursprünglichen ruhelänge gestreckt werden aber werden wieder auf die ursprüngliche Größe beim Loslassen schrumpfen.

In diesem Video bestimmen wir Stress Dehnungskurven für verschiedene Polymere Werkstoffe, um zu verstehen, wie ihre mechanischen Eigenschaften ihrer Leistungen auswirken.

Eines der grundlegendsten Möglichkeiten, die Polymere auszeichnen ist mit einer Spannungs-Dehnungs-Kurve-Analyse. Dazu gehört ein Exemplar eine bekannten Last zuweisen und die daraus resultierenden Verformungen zu beobachten.

Das Spannungs-Dehnungs-Verhalten von Polymeren hängt weitgehend von der Art des Materials analysiert wird. Die Stress-Achse entspricht dem Betrag der Krafteinwirkung auf das Material, während die Dehnungs-Kurve der relativverformungen wegen dieser Stress darstellt. Der letzte Punkt der Kurve ist der Punkt, wo das Material letztlich gescheitert, aufgrund der Krafteinwirkung.

In den linearen Regionen einer Spannungs-Dehnungs-Kurve stellt die Neigung der Elastizitätsmodul des Materials. Dies ist eine intrinsische Eigenschaft eines bestimmten Materials. Verformung innerhalb dieser linearen Region ist bekannt als elastische Verformung und ist reversibel. Verformung Vergangenheit dieser Region ist bekannt als plastische Verformung und ist dauerhaft.

Nun, da Sie Polymere und deren Eigenschaften zu verstehen, können verschiedene Polymere Werkstoffe mit einem Zugversuch-Maschine zu testen.

Erhalten Sie typische Zugproben Acryl, Nylon, HPDE und PVC polymerer Werkstoffe. Messen Sie ein Mikrometer die Breite und Dicke an mehreren Standorten entlang der Welle von jeder Probe die durchschnittliche Querschnittsmaßen bestimmen. Datensatz die durchschnittliche gemessene Breite und Dicke von jeder Probe auf dem Datenblatt.

Die Universalprüfmaschine eingerichtet, wie in der Jupiter zur Spannungs-Dehnungs-Eigenschaften der Stähle video gezeigt. Dann geben Sie die Probe in die Griffe der Zugversuch Maschine. Stellen Sie sicher, dass mindestens 80 Prozent von jedem Ende, die Griffe fest ist das Verrutschen während des Ladevorgangs zu verhindern hilft. Schleifpapier kann auch verwendet werden, zur Verbesserung der Probe greifen.

Befestigen Sie die elektronische Extensometer sicher auf die Probe entsprechend den Anweisungen des Herstellers. Als nächstes Messen Sie die Länge der Probe zwischen den Griffen. Dieser Wert ist die Spurweite Länge und wird verwendet, um die Belastung zu berechnen. Nun beginnen Sie die Zugbelastung auf die Probe anwenden und beobachten Sie die Lesung der angewendeten Last auf dem Computerdisplay. Wenn die gemessene Belastung nicht steigt, die Probe rutscht durch die Griffe und muss wieder angebracht werden. Beenden Sie in diesem Fall den Test und die Griffe wieder beimessen Sie die Probe.

Weiterhin anzuwenden Zugbelastung langsam, die Form der Computer-generierte Last gegen Verschiebung Diagramm während der Beladung zu beobachten. Irgendwann vor Probe scheitern wird die Software automatisch den Test angehalten. Lassen Sie die Probe in die Prüfmaschine und entfernen Sie die Extensometer. Lebenslauf mit Zugbelastung bis zum Versagen. Notieren Sie die maximale Belastung und die Last bei Ausfall. Entfernen Sie das zerbrochene Exemplar aus dem Gerät. Beobachten Sie und dokumentieren Sie die Lage und den Charakter der Fraktur. Messen Sie die Breite und Dicke der Probe in der Region des Scheiterns und zeichnen Sie der abschließenden Messungen auf.

Wiederholen Sie dieses Protokoll für die übrigen Proben, achten Sie darauf, zu dokumentieren und zu charakterisieren, den Speicherort der ihre Brüche.

Mit der Prüfung abgeschlossen, jetzt schauen wir uns die Ergebnisse der Zugversuch. Hier sehen wir das Fortschreiten des Scheiterns in einer High-Density-Polyethylen-Probe. Während der Zugversuch ist eine erhebliche Menge an Einschnürung nach oben und unten die Probe wie die Polymeren Ketten präsentiert die Duktilität des HDPE wickeln. Dieses Phänomen wird noch deutlicher, wenn das Material ermöglicht die HDPE-Probe, um mehrere Male seine Ausgangslänge dehnen langsam geladen wird.

PVC zeigt eine ähnliche Fehler Progression, HDPE, aber mit einer viel höheren Youngs Modulus und niedriger Duktilität.

Die Nylon-Probe hatte fast so hoch ein Elastizitätsmodul als PVC, war aber ein weitaus duktiles Material verlängern mehr ähnlich dem HDPE-Muster.

Im Gegensatz dazu schlägt Acryl Probe grundsätzlich ohne jede nichtlineare Verformung. Die daraus resultierende Pause tritt mit keine sichtbaren Dehnung der Probe.

Als nächstes wollen wir berechnen des Elastizitätsmoduls für die lineare Regionen Exemplare. Wir drei Paare von Punkten in der elastischen Verformung Region zu probieren, und berechnen Sie die Steigung eines jeden Paares. Der Durchschnitt dieser drei Hänge werden die ungefähre Elastizitätsmodul des Materials sein.

Wie man es sehen kann, entsprechen die beiden höchsten jungen Moduli Materialien, die mehr Kraftaufwand zu brechen. In diesem Beispiel entspricht dies der PVC und Acryl Proben. Diese Materialien wurden auch wenig bis gar keine plastische Verformung, im Vergleich zu HDPE oder Nylon, so dass sie vergleichsweise spröde Materialien. Die HDPE und Nylon Proben hatten niedrigere Youngs Moduli, was bedeutet, dass die erforderlichen weniger Kraft um zu verformen. Diese Proben erlebt deutliche Einschnürung, so dass sie die meisten duktil des aufgenommenen Materials.

Schauen Sie wir uns nun ein paar gängige Anwendungen verschiedener Polymere. Nahezu jedem Berufsfeld finden Kunststoffe verwendet werden, bei medizinischen Geräten, hochfeste Baustoffe.

In hoch-und Tiefbau-Anwendungen sind Polymere für Dichtstoffe, Rohre oder Schläuche, Abstellgleis, Beschichtung und Klebstoffe verbreitet. Die vielfältigen Eigenschaften von Polymeren machen sie einen potentiellen Kandidat für fast jeden Job.

Elastomere sind eine Sonderform des Polymers, weithin für ihre einzigartigen Eigenschaften gesucht. Da sie ein großes Stretch-Verhältnis haben, sind elektrisch nicht leitend und extrem wasserdicht, sie sind nützlich bei Anwendungen von insulative Elektroleitungen bis Nitro Handschuhe in Laboratorien verwendet.

Sie sah nur Jupiters Einführung in Spannung Tests von Polymeren. Sie sollten jetzt verstehen die Grundlagen der Polymerchemie und wissen die standardlabor test zur Bestimmung der Spannungs-Dehnungs-Beziehung für verschiedene Polymere Werkstoffe.

Danke fürs Zuschauen!

Results

Typische Fehler für diese Materialien sind in Abb. 1 bis Abb. 4 gezeigt. Abb. 1 zeigt den Verlauf des Scheiterns in einem Polyethylen, mit einer anfänglichen Einschnürung und weiteren Fortschreiten der Einschnürung nach oben und unten die Probe wie die Polymeren Ketten wickeln. Polyethylen hoher Dichte Material, Strecken kann langsam geladen, mehrmals seine Ausgangslänge (Abb. 2). PVC, auf der anderen Seite zeigt eine ähnliche Fehler Progression, aber mit viel geringere Duktilität (Abb. 3). Diese Zahl zeigt auch den typischen Einfluss der Verformungsgeschwindigkeit auf Verformung Kapazität; Je schneller, desto geringer die Duktilität und die etwas höher die Stärke. Im Gegensatz dazu schlägt Acryl Probe grundsätzlich ohne jede nichtlineare Verformung (Abb. 4).

Figure 1
Abbildung 1 : A. Fortschreiten der Einschnürung in einem kurzen HDPE-Exemplar. B. Nahaufnahme von Einschnürung in der Nähe von Griff, Vergleich zur ursprünglichen Probe zeigt.

Figure 2
Abbildung 2 : Große Verformungen möglich in einer HDPE langsam geladen. Das Foto zeigt der gesamte Probe dessen Ende ist in Abb. 1 b gezeigt. 

Figure 3
Abbildung 3 : Fehler in einer PVC-Probe Strain Rate Wirkungen zeigen.

Figure 4
Abbildung 4 : Fehler in einem Acryl Probe.

Die Ergebnisse für die Spannungs-Dehnungs-Kurven für die vier Materialien sind in Abb. 5 bis Abb. 8 dargestellt.

Figure 5
Abbildung 5 : Spannungs-Dehnungs-Kurve für HDPE.

Figure 6
Abbildung 6 : Spannungs-Dehnungs-Kurve für PVC.

Figure 7
Abbildung 7 : Spannungs-Dehnungs-Kurve für Nylon.

Figure 8
Abbildung 8 : Spannungs-Dehnungs-Kurve für eine Acryl.

Es ist wichtig zu beachten, dass Abb. 5 bis Abb. 8 alle sehr verschiedene horizontale und vertikale Skalen haben. Die Testergebnisse für diese Experimente sind in den Tabellen 1 und 2 zusammengefasst, während Abb. 9 einen Vergleich der Spannungs-Dehnungs-Kurven um 50 % Dehnung zeigt. Der Unterschied in der Dehnung Prozentsätze (Tabelle 2) sind beeindruckend und zeigen große Unterschiede zwischen dem mechanischen Verhalten von Polymeren Materialien. Die Stärke-Variante ist etwas kleiner, mit nur dem HDPE zeigt einen deutlich niedrigeren Wert. Das Verhalten reicht von elastisch spröde für Acryl, sehr dehnbar und weich machenden für HDPE.

Tabelle 1: Rohdaten Zusammenfassung.
Equation 1

Figure 9
Abbildung 9 : Vergleiche der Spannungs-Dehnungs-Kurven, bis zu 50 % Belastung für alle Polymere getestet.

MATERIAL PVC HDPE Acryl Nylon
Anfangsbereich 0.0624 0.0633 0.0624 0.0628 in.2
Letzter Bereich 0.0185 0.0076 0.0605 0.0528 in.2
Veränderung in % im Bereich 70,37 87.92 3,00 15.84 %
Gage Ursprungslänge 1.987 2.021 2,123 2.245 in.
Endgültige Gage Länge 2,157 6.985 2.098 3.650 in.
% Dehnung 8,56 245.62 -1.18 62,58 %
Belastung für die anfängliche Steifigkeit 0,012 0,019 0,020 0,020 Zoll/in.
Stress für anfängliche Steifigkeit 8.0 2.5 7.0 8.0 ksi
Erste e-Modul 667 132 350 400 ksi
Belastung für die 0,2 % Stärke 0.0090 0.0160 0.0165 0.0090 in.
Streckgrenze (02 % Versatz) 4.6 1.8 4.9 2.0 in.

Tabelle 2: Zusammenfassung der Ergebnisse.

Applications and Summary

Abb. 9 zeigt die große Variation in Last-Verformungsverhalten für verschiedene Polymere. Das Verhalten reicht von rein stark, elastisch und spröde für Acryl Probe bis weich, hoch Visco-elastisch und sehr dehnbar für die HDPE. Diese spiegeln die extremen Eigenschaften von Duroplasten (Acryl), Thermoplast (HDPE, Nylon und PVC). Es ist interessant festzustellen, dass die PVC, die häufig in verwendet wird fertig und in unseren Gebäuden und Wohnungen Torten, eine gute Balance von Kraft, Viskoelastizität und Plastizität zeigt.

In hoch-und Tiefbau-Anwendungen sind Polymere für Beschichtungen, Dichtstoffe, Klebstoffe, Abstellgleis, Rohre, Pipeliners, Geotextilien, Geogitter, Geomembranen, Innenausbau, Reparatur, Restaurierung sowie strukturelle Außenelemente gebräuchlich. Die Kunststoff-Industrie in den Vereinigten Staaten ist sehr groß, und es entfallen fast 1 Million Arbeitsplätze und $ 308 Milliarden in Industrie-Sendungen im Jahr 2014. Es gibt auch viele natürliche Polymere im gewerblichen Bereich, wie z. B. Holz, Kautschuk, Baumwolle und Leder, sowie auf dem Gebiet der Biologie, wie Stärke, Proteine und Enzyme eingesetzt. Sogar die Tupperware und Essen zum Mitnehmen-Container, die man, beim Essen benutzt bestehen aus Polymeren.

Spannung-Tests von Polymeren
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