高分子材料の引張試験

Tension Tests of Polymers

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Structural Engineering

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Tension Tests of Polymers

5.8: Fatigue of Metals

5.10: Tension Test of Fiber-Reinforced Polymeric Materials

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08:44 min

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January 08, 2018

Overview

ソース: ロベルト・レオン、ブラックスバーグ, バージニアバージニア工科大学土木環境工学科

高分子材料は、用途で水および廃水システムでより堅い管非常に柔らかいシーリング材に至る土木構造物で広く使用されます。高分子の最も基本的な定義は、サブユニットを繰り返すと分子構造です。”Poly”が多くのことを意味ここに、ギリシャ語から来ている言葉高分子と”-mer”基本単位を意味します。モノマーまたは単一の mers は、特定の繰り返しの単位です。ポリマー、炭素バックボーンとさまざまな柔軟性の長さを含め、構造はポリマーの特性を定めます。ポリマーは 3 のサブカテゴリに分類されます: プラスチック、エラストマー、そして剛直高分子。プラスチックを行う加熱し、冷却の強化を和らげるか暖房と熱可塑性樹脂、軟化しない熱硬化性樹脂にさらに細分されます。さらに、熱可塑性樹脂、主に線形熱硬化性樹脂 3 D 構造を展示し、広範な架橋があるに対し、ほとんどない架橋高分子を分岐または。エラストマーやゴムが長いコイル状のチェーンと、元の長さを 2 倍に伸ばすことができるが、剛直ポリマー伸縮せず、強力に対し、結晶構造をリリース元のサイズに戻る契約が。

この研究所の幅広さと応力-ひずみの多様性を理解するために、高密度ポリエチレン (HDPE)、塩化ビニル (PVC)、ナイロン、メタクリル酸メチル (アクリル) を含むいくつかの異なる高分子材料になりますこれらの材料とその機械的特性が彼らのパフォーマンスにどのように影響するかの曲線です。

Principles

ポリマーは、特徴的な側鎖を有する炭素バックボーンから成っています。炭素展示四面体の結合、従って債券が回転、することができますストレート、ねじれて、ツイスト、チェーンの結果や曲がっていることができます。社債の柔軟性は、サイドチェーングループの文字と同様に、二重結合、架橋結合の数によって決定されます。ダブル、架橋結合の回転が制限されます。小さい側鎖のグループより多くの自由回転が可能、嵩高い側グループでは、回転が制限されます。

各種ポリマーの構造の違いを知るガイドアプリケーションを使用できます。熱可塑性樹脂には、接続されていないが、代わりに弱いファンデルワールス力、過去の互いにスライドするチェーンを有効にすることによってまとめられるチェーンがあります。このプロパティにより、容易に変形する熱可塑性樹脂と、それも簡単にそれらをリサイクルします。その一方で、熱硬化性プラスチックは強い共有結合があるし、クロスリンクされている互いに接続されているか。この特性は熱硬化性プラスチックをリサイクルすることは困難になります。通常、材料は千切りや充填材として再利用します。

接合型と共に 1 つは特定のアプリケーション用のポリマーを選択するとき考慮すべきもう一つの特徴は、結晶化度です。高分子の非晶質することができます (非注文) または結晶 (順序よく)、しかしどこか間で一般に、準結晶と呼ばれます。結晶化度は、冷却、チェーンの構成、および分子化学のレートに依存します。高結晶化度は、高い強度、ヤング係数 (E) と温度抵抗が発生する傾向があります。その一方で、重合度を判断するには、さまざまな長さのチェーンになります現実のアプリケーションのように、鎖の平均分子量を決定する必要が 1 つ。N、重合度は、単にモノマーの分子量で割る鎖の分子量です。高分子材料の応力-ひずみ挙動は非常に変数です。熱可塑性樹脂は、熱硬化性樹脂の脆性挙動を示す傾向があるが、延性・脆性挙動を表示します。その一方で、エラストマーは、しばしば低ヤング率・非線形挙動を表示します。ポリマーの物性のどこか、Hookean とニュートン材料のひずみ、時間、および温度に依存。Hookean 材質はひずみ速度に依存するニュートンの材料特性、株とは異なります。引張試験の下でいくつかのポリマーはくびれ、材料がひずみことができ、荷重を引張試料を延長を受けます。各種高分子引張試験の伸びの失敗したの異なった形態が行われます。結果の失敗は、チェーン uncoiling, クラッキング, たり結晶ブロックの分離をすることができます。

温度は、ポリマーの動作に重要な役割を果たしています。T_Mは材料の溶融温度、T_Gがガラス転移温度。主に、もし T > T_M材料は液体のようなまたは粘性。しかし、もし T < T_G素材はガラスと脆性になります。場合 T ~ T_G素材はゴムで、もし T > T_G材料は流れるとより延性。図 Y は、この動作を示しています。

Procedure

アクリル、ナイロン、PVC HPDE の典型的な引張試験片を得る高分子材料。
マイクロメータを使用して、測定の幅と厚さ平均断面寸法を決定する各試験片の軸に沿っていくつかの場所で。レコードの平均幅とデータシートに各試験片の厚さを測定しました。
グリップに供試体を配置します。両端の少なくとも 80% は読み込み操作中にずれに対してようにグリップにしっかりと接続されていることを確認します。サンドペーパーがありますサンプルの握りを改善する (粒サンプル側) を使用します。
グリップ間試験体の長さを測定します。この値は、ゲージの長さ、ひずみを計算するために使用されます。
製造元の仕様に従って試料を安全に電子の伸縮計を取り付けます。メモ: 伸縮ブレードゲージマーク、試料上に正確に配置する必要はありませんが、試料のほぼ中央が。
試験片に引張荷重を適用するを開始、コンピューターのディスプレイの応用負荷のライブ読書を観察します。測定負荷が向上しない場合、試料はグリップをすり抜けてとを再アタッチする必要があります。このインスタンスで、講師はテストを停止し、ステップ 2 から手順を繰り返します。
読み込み中の変位グラフ対コンピューターで生成された負荷の形状を観察すること、ゆっくりと引張荷重の適用を続行します。
いつかサンプル失敗の前に試料をアンロードせずテストを自動的に一時停止されます。この時点で、伸縮計を削除します。供試体は、場所で、伸縮計と中断したら、伸縮計、大変高価な機器を破壊します。
障害まで試料をロードします。最大負荷と障害への荷重を記録します。
壊れたマシンから取り外します。観察し、ドキュメントの場所および破壊の文字。
幅および障害の各試験片の厚さを測定し、最終的な測定を記録します。

ポリマーは、硬質の水パイプに柔らかいシーリング材からのすべてで発見されて、世界で最も広く使用されている材料のいくつかを表しています。高分子の最も基本的な定義は、繰り返しサブユニットまたは単量体の長い鎖の分子構造です。ポリマーは、多くのサブカテゴリに分類できます。2 つの最も基本的な形態保持プラスチックと柔軟性のあるエラストマー。

プラスチックは、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂にさらに細分されます。熱可塑性樹脂は、主に直線と非常に小さな架橋を展示します。通常、熱硬化性樹脂には広範な架橋による通常の三次元構造物が複雑します。

として知られているゴム、エラストマー、長いコイル状ポリマー鎖から成り、元休憩の長さを越えて伸びることができる、リリース元のサイズに戻る契約が。

このビデオでは、その機械的特性が彼らのパフォーマンスに与える影響を理解するために、異なる高分子材料の応力ひずみ曲線を決定します。

ポリマーの特徴は最も基本的な方法の 1 つは、応力-ひずみ曲線の解析です。これには、標本に既知の負荷を適用し、結果の変形を観察することが含まれます。

高分子材料の応力-ひずみ挙動は分析対象物質の種類によって大きく異なります。応力軸ひずみ曲線は、このストレスのため相対変形を表す間、材料に適用されるフォースの量を表します。カーブの最後の点は、どこ材料最終的に失敗した、適用力のためポイントを表します。

応力ひずみ曲線の線形領域では、斜面はその材料のヤング率を表します。これは、物質の固有の特性です。この線形領域内の変形は弾性変形として知られている、リバーシブルです。過去のこの地域の変形、塑性変形と呼ばれます、永続的なです。

高分子材料とその特性を理解すると、後は引張試験機を使用して異なる高分子材料をテストします。

アクリル、ナイロン、HPDE と PVC の高分子材料の典型的な引張試験片を入手します。マイクロメータを使用して、測定の幅と厚さ平均断面寸法を決定する各試験片の軸に沿っていくつかの場所で。レコードの平均幅とデータシートに各試験片の厚さを測定しました。

鋼の応力-ひずみ特性に関するビデオ、ゼウスに示すように、万能試験機を設定します。次に、引張試験機のグリップに供試体を配置します。両端の少なくとも 80% は読み込み操作中に滑りを防ぐことができますグリップにしっかりと接続されていることを確認します。サンドペーパーは、サンプルのグリップを改善するために使用する可能性があります。

製造元の指示に従って試料を安全に電子の伸縮計を取り付けます。次に、グリップの間試験体の長さを測定します。この値は、ゲージの長さ、ひずみを計算するために使用されます。今、引張荷重を供試体に適用を開始、コンピューターのディスプレイの応用負荷のライブの読み取りを観察します。測定負荷が向上しない場合、試料はグリップをすり抜けてと再添付する必要があります。この場合、テストは停止し、グリップに試料を再アタッチします。

読み込み中の変位グラフ対コンピューターで生成された負荷の形状を観察すること、ゆっくりと引張荷重の適用を続行します。いつかサンプル失敗の前に、ソフトウェアが自動的にテストを一時停止します。テストコンピューターでサンプルを残すし、伸縮計を削除します。失敗するまで引張荷重を適用するを再開します。最大負荷と障害への荷重を記録します。壊れたマシンから取り外します。観察し、ドキュメントの場所および破壊の文字。幅と障害の地域の試験片の厚さを測定し、最終的な測定を記録します。

残りの標本は、文書化し、骨折の場所を特徴付けることを確かめるため、このプロトコルを繰り返します。

テスト完了、今を見てみましょう引張試験の結果。ここでは、我々は高密度ポリエチレンのサンプル内の障害の進行を参照してください。引張試験中に高分子鎖を伸ばす、HDPE の延性を展示として供試体上下くびれのかなりの量があります。この現象はさらにもっと顕著な場合は素材がゆっくりと、読み込まれる HDPE サンプルで数回の初期の長さを伸ばすことができます。

PVC は、HDPE が多く高いヤングの率と低い延性を持つ同様の障害の進行を示しています。

高としてほとんど持っていたナイロンサンプル、完成品としてのヤングがもっと同様に HDPE の試験片を伸長、はるか延性材料であった。

対照的に、アクリル標本は基本的に非線形変形することがなく失敗します。サンプルのない目に見える伸長結果ブレークが発生します。

次に、標本の線形地域のためのヤング率を計算してみましょう。3 組の点を弾性変形領域でサンプル、各ペアの傾きを計算します。これらの 3 つの斜面の平均値は、その材料のおおよそのヤング率になります。

それは見ることができる、2 つの最高のヤング率は分割するより多くの力を必要とする材料に対応します。この例では、これは塩化ビニルやアクリルサンプルを表します。これらの材料はまた HDPE やナイロン、し、比較的脆性材料と比較すると、少しは塑性変形を受けた。HDPE とナイロンのサンプルは、低ヤング率、必要なほど変形する力の意味を持っていた。これらのサンプルは、サンプル材料の中で最も延性それらを作る、重要なくびれを経験しました。

異なるポリマーの一般的なアプリケーションのいくつかを見てみましょう。ほぼすべての専門分野は、医療機器に高強度の建築材料から、使用されているプラスチックを見つけるでしょう。

土木工学では、ポリマーは広くシーリング材、配管やホース、サイディング、塗装、接着剤に使用されます。ポリマーの多様なプロパティはそれらにほぼすべての仕事のための潜在的な候補を確認します。

エラストマーが特定の種類のポリマー、広く彼らのユニークな特性求めたです。彼らは大きい伸張の比率を持っていると、非導電性、非常に防水、絶縁電線からニトロ手袋ラボ環境で使用するアプリケーションで役立ちます。

高分子材料の引張試験のゼウスの概要を見てきただけ。高分子科学の基礎を理解し、異なる高分子材料の応力-ひずみ関係を決定するためのテスト標準研究室を知っている今。

見てくれてありがとう!

Results

これらの材料の典型的な障害は図 4 に図 1 のとおりです。図 1 は、最初のくびれと高分子鎖を伸ばすように、供試体上下ネッキングの後の進行、ポリエチレンで障害の進行を示しています。高密度ポリエチレン素材徐々に読み込まれている場合は、数回の初期の長さ (図 2) に伸ばすことができます。PVC は、その一方で、同様の障害の進行を示していますが、はるかに低い延性 (図 3)。この図も変形能力にひずみ速度の典型的な影響を示してください。速くより低い延性とわずかに高い強度。対照的に、アクリル標本は、基本的には (図 4) 非線形変形することがなく失敗します。

図 1: 試験片の短い HDPE くびれの A. 進行。* クローズアップグリップ、元の標本の比較を示す近くのくびれの。

図 2: 大変形、HDPE で開けなかった。写真は、全体の標本が図 1 b に示すように。

図 3: ひずみ速度の影響を示すポリ塩化ビニール片失敗します。

図 4: アクリル標本に失敗しました。

4 つの材料の応力-ひずみ曲線の結果は、図 5 から図 8 のとおりです。

図 5: HDPE の応力-ひずみ曲線です。

図 6: PVC の応力-ひずみ曲線です。

図 7: ナイロンの応力-ひずみ曲線です。

図 8: アクリルの応力-ひずみ曲線です。

重要です図 5 から図 8 すべては水平および垂直のスケールが非常に異なる。図 9 50% ひずみ応力-ひずみ曲線の比較を示しています。これらの実験のテスト結果はテーブル 1 と 2 にまとめます。伸長率 (表 2) の違いは、打っているし、高分子材料の力学的挙動の間大きな変化を示します。強度変化は、有意に低い値を示す HDPE だけ幾分より小さいです。非常に延性と HDPE の軟化に弾性アクリル脆性から行動範囲。

表 1: 生データのサマリーです。

図 9: 応力-ひずみの比較曲線、テストすべてのポリマーのための 50% のひずみにします。

材料	PVC	HDPE	アクリル	ナイロン
初期エリア	0.0624	0.0633	0.0624	0.0628	in.2
最終エリア	0.0185	0.0076 から	0.0605	0.0528	in.2
エリアで % の変更	70.37	87.92	3.00	15.84	%
元のゲージの長さ	1.987	2.021	2.123	2.245	で。
最終的なゲージ長	2.157	6.985	2.098	3.650	で。
% 伸長	8.56	245.62	-1.18	62.58	%
初期剛性のひずみ	0.012	0.019	0.020	0.020	インチで。
初期剛性の応力	8.0	2.5	7.0	8.0	ksi
初期弾性率	667	132	350	400	ksi
ひずみ 0.2% 耐力	0.0090	0.0160	0.0165	0.0090	で。
降伏強さ (02% オフセット)	4.6	1.8	4.9	2.0	で。

表 2: 結果の要約。

Applications and Summary

図 9 は、いくつかのポリマーの荷重-変形特性の大きい変化を示します。動作範囲から純粋に強い弾性と脆性アクリル標本のソフト、高粘弾性、HDPE のため非常に延性。これらは熱可塑性 (HDPE、ナイロン、塩ビ) に熱硬化性樹脂 (アクリル) の極端な特性を反映します。頻繁に使用されている PVC 終了私たちのビルや家屋のパイし、強さ、粘弾性・靭性の良いバランスを示してことに注意してくださいに興味深いものです。

土木工学では、ポリマー、コーティング、シーリング材、接着剤、サイディング、パイプ、pipeliners、ジオテキスタイル、ジオグリッド、ジオメンブレン、内装仕上材、修理、修復、要素と同様外装構造の使用されます。アメリカ合衆国におけるプラスチック産業が非常に大きいと 2014年中をほぼ 100 万ジョブおよび $ 3080 億工業出荷に占めます。木材、ゴム、綿、革などの商業分野だけでなく、生物学、タンパク質、酵素、澱粉などの分野で使用される多くの自然なポリマーもあります。タッパーとテイクアウト食品容器の 1 つを使用して、外食時もはポリマーから成っています。

Transcript

Polymers represent some of the most widely used materials in the world, being found in everything from soft sealants to rigid water pipes. The most basic definition of a polymer is a molecular structure with a long chain of repeating subunits, or monomers. Polymers can be classified into many subcategories. Two of the most basic are the form-holding plastics and the flexible elastomers.

Plastics are further subdivided into thermoplastics and thermosets. Thermoplastics are mostly linear and exhibit very little cross-linking. Thermosets usually have more complicated three-dimensional structures, typically with extensive cross-linking.

Elastomers, also known as rubbers, are comprised of long, coiled polymer chains and can be stretched to beyond their original resting length but will contract back to the original size when released.

In this video, we will determine stress strain curves for different polymeric materials, in order to understand how their mechanical properties affect their performances.

One of the most basic ways polymers are characterized is with a stress-strain curve analysis. This involves applying a known load to a specimen and observing the resulting deformation.

The stress-strain behavior of polymers depends largely on the type of material being analyzed. The stress axis represents the amount of force applied to the material, while the strain curve represents the relative deformation because of this stress. The final point of the curve represents the point where the material ultimately failed, due to the force applied.

In the linear regions of a stress-strain curve, the slope represents the Young’s modulus of that material. This is an intrinsic property of a given material. Deformation within this linear region is known as elastic deformation and is reversible. Deformation past this region is known as plastic deformation and is permanent.

Now that you understand polymers and their properties, lets test different polymeric materials using a tensile test machine.

Obtain typical tensile specimens of acrylic, nylon, HPDE and PVC polymeric materials. Using a micrometer, measure the width and thickness at several locations along the shaft of each specimen to determine the average cross-sectional dimensions. Record the average measured width and thickness of each specimen on the data sheet.

Set up the universal testing machine as shown in the JoVE video regarding stress-strain characteristics of steels. Next, place the specimen in the grips of the tensile test machine. Make sure that at least 80 percent of each end is firmly attached to the grips, which will help prevent slippage during the loading operation. Sandpaper may also be used to improve gripping of the sample.

Attach the electronic extensometer securely to the specimen according to the manufacturer’s instructions. Next, measure the length of the specimen between the grips. This value is the gauge length and will be used to calculate strain. Now, begin applying the tensile load to the specimen and observe the live reading of applied load on the computer display. If the measured load does not increase, the specimen is slipping through the grips and needs to be re-attached. In this instance, stop the test and re-attach the specimen to the grips.

Continue applying tensile load slowly, observing the shape of the computer-generated load versus displacement graph throughout the loading. Sometime before sample failure, the software will automatically pause the test. Leave the sample in the test machine and remove the extensometer. Resume applying tensile load until failure. Record the maximum load and the load at failure. Remove the broken specimen from the machine. Observe and document the location and character of the fracture. Measure the width and thickness of the specimen in the region of failure, and record the final measurements.

Repeat this protocol for the remaining specimens, making sure to document and characterize the location of their fractures.

With the testing complete, let’s now look at the results of the tensile test. Here, we see the progression of failure in a high-density polyethylene sample. During the tensile test there is a significant amount of necking up and down the specimen as the polymeric chains uncoil, showcasing the ductility of HDPE. This phenomenon is even more noticeable if the material is loaded slowly, allowing the HDPE sample to stretch to several times its initial length.

PVC shows a similar failure progression to HDPE, but with a much higher Young’s modulus and lower ductility.

The nylon sample had almost as high a Young’s modulus as PVC, but was a far more ductile material, elongating more similarly to the HDPE specimen.

In contrast, the acrylic specimen basically fails without any non-linear deformation. The resulting break occurs with no visible elongation of the sample.

Next, let’s calculate the Young’s modulus for the linear regions of specimens. We will sample three pairs of points across the elastic deformation region, and calculate the slope of each pair. The averages of these three slopes will be the approximate Young’s modulus of that material.

As it can be seen, the two highest Young’s moduli correspond to the materials which required more force to break. In this example, this represents the PVC and acrylic samples. These materials also underwent little to no plastic deformation, in comparison to HDPE or nylon, making them comparatively brittle materials. The HDPE and nylon samples had lower Young’s moduli, meaning the required less force to deform. These samples experienced significant necking, making them the most ductile of the sampled materials.

Let us now look at a couple of common applications of different polymers. Nearly any professional field will find plastics being used, from medical equipment to high-strength building materials.

In civil engineering applications, polymers are widely used for sealants, piping or hoses, siding, coating, and adhesives. The diverse properties of polymers make them a potential candidate for nearly any job.

Elastomers are a specific type of polymer, widely sought out for their unique properties. As they have a large stretch ratio, are electrically non-conductive, and extremely waterproof, they are useful in applications from electrical insulative wires to nitro gloves used in laboratories.

You’ve just watched JoVE’s introduction to tension tests of polymers. You should now understand the basics of polymer science and know the standard laboratory test for determining the stress-strain relationship for different polymeric materials.

Thanks for watching!

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