Tính Chất Cơ Học Của Polymer.pptx

PowerPoint Presentation Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Hóa lý Polymer Tính chất cơ học của Polymer GVHD PGS Nguyễn Huy Tùng Nhóm 5 1 Nguyễn Thị Thùy Linh 20174878 2 Dương Thị Loan 20174885 3 Vũ Thị N[.]

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hóa lý Polymer Tính chất cơ học của Polymer

GVHD: PGS Nguyễn Huy Tùng

Nhóm 5:

1 Nguyễn Thị Thùy Linh 20174878 2 Dương Thị Loan 20174885

3 Vũ Thị Ngọc Mai 20174920

4 Vũ Thị Ngọc Mai 20174926

5 Bùi Thị Miền 20174940

6 Phạm Đức Minh 20174947

Tính chất cơ học là một đặc tính rất quan trọng trong nghiên cứu về vật liệu polymer và

composite bởi vì nhờ tính chất này có thể xác đinh được những điều kiện làm việc cụ thể của

vật liệu và ứng dụng nó trong thực tế

2

Sức bền

Độ bền kéo và độ dãn dài tới hạn

Độ bền kéo đứt trong thời gian dài

Độ bền va đập

Tính chất bề mặt

Độ cứng

Ma sátMài mòn

I Đường

ứng

suất-biến dạng

• Một số tính chất cơ học được thể

hiện qua đường ứng suất biến dạng.

• Được thể hiên qua phép đo độ

bền kéo: lực kéo tác dụng vào

mẫu là hàm của độ dãn dài với lực

tác dụng ổn định liên tục

• Lực tác dụng chia cho mặt cắt

ngang của mẫu, độ biến dạng chia

cho độ dài mẫu ban đầu thu dược

đường ứng suất biến dạng

• Bên cạnh đó mẫu có thể bị biến

dạng bởi uốn, nén, xoắn dẫn đến

có các dạng đồ thị khác nhau

4

Khoảng làm việc

- Khoảng tuyến tính đầu tiên tuân theo

định luật HOOK thể hiện qua modul

đàn hồi:

E =

- Khi giá trị ứng suất đạt tới y xuất hiện

điểm chảy (cổ eo) với độ biến dạng y

tại đó y được gọi là giới hạn mềm cao

bắt buộc

- Giai đoạn tiếp theo là giai đoạn phát

triển của cổ eo ứng suất bắt đầu giảm

xuống

- Ứng suất giảm sau đó lại tăng đến giá

trị b mẫu sẽ bị phá hủy khi đó mẫu sẽ

có độ dãn dài tới hạn εb

- σy (giới hạn mềm cao bắt buộc)

phụ thuộc vào tốc độ biến dạng

- Đó có một mẫu bị phá hủy ngay

ở điềm chảy và có thể không rõ

điểm xảy ra điểm chảy

6

Dựa vào hình dạng của đường ứng

suất-biến dạng ta có thể xác định tính chất

của từng vật liệu cụ thê như: cứng, mềm,

giòn, dẻo,…

II Độ cứng

(stiffness)

•Độ cứng của vật liệu được thể hiện qua giá trị

modul đàn hồi hoặc giá trị modul đàn hồi chia cho

khối lượng riêng

•Đối với polymer vô định hình ở trạng thái thủy

tinh (PVC, PS, PMMA) E từ 3-3.3 Gpa, đối với các

polymer ở dưới nhiệt độ phòng có sự dịch chuyển

thứ cấp (PC) thì E= 2.1 Gpa

•Polymer bán tinh thể dưới Tg có E lớn hơn tuy

nhiên E cũng có giá trị thấp đối với PTFE (E=0.6

Gpa) do có một hay nhiều chuyển tiếp thứ cấp

•Nhựa nhiệt rắn có E cao (E > 4 Gpa)

•Polymer định hướng có độ cứng rất cao ( sợi dệt,

LCPs)

•Độ cứng cao thường bởi sự sáp nhập của các

phần tử cúng và sợi ngắn

•Với các sợi dài thì ứng suất được chịu hết, trong

khi pha nền (matrix polymer) không ảnh hưởng

đến độ cứng của vật liệu

8

II Độ cứng

(stiffness)

•E không phụ thuộc vào chiều dài của mạch

(khối lượng phân tử) trừ với các polymer bán

tinh thể nếu các mạch phân tử dài làm giảm

mức độ kết tinh do đó E sẽ giảm rất nhỏ so

với sư tăng của khối lượng phân tử

•E không phụ thuộc vào độ cứng của từng

mạch, tương tác giữa các mạch, ngoại trừ các

mạch cứng này có sự định hướng cao như

trong LCPs (Liquid-Crystal Polymer)

III Sự rão

( Creep)

- Sự rão xảy là diễn tả ứng xử polymer dưới

tác dụng của ứng suất trong một thời gian

dài.

- Sự biến dạng gồm 3 thành phần:

+ Sự biến dạng đàn hồi không quán tinh

(khi tháo tải sẽ tự động quay trờ lại)

+ Do: biến dạng đàn hồi không quán tính

+ to : thời gian xảy ra Do

- Do và to đều phụ thuộc vào nhiệt độ

10

Creep

Non-linearity

Physical ageing

III Sự rão

(creep)

a Non-linearity

Ứng với mỗi giá trị ứng suất

khác nhau ta thu được các

đường cong rão khác nhau và

chúng không đồng nhất với

nhau

12

III Sự rão

(creep)

a Non-linearity

- Tốc độ rão của polymer phụ

thuộc vào nhiệt độ (Khi nhiệt độ

tăng thì thời gian rão giảm

xuống với cùng một biến dạng)

15

III Sự rão (creep)

b Physical ageing

Đối với polymer có phần vô

định hình đáng kể khi làm lạnh

đột ngột đến nhiệt độ hóa thủy

tinh Tg sẽ tạo ra một cấu trúc

không cân bằng sau một thời

gian sẽ tiến tới trạng thái cân

bằng thông qua các quá trình

giãn quy mô nhỏ ở tạng thái

thủy tinh => Làm thay đổi các

đặc tính và trạng thái của

polymer

IV DAMPING

Vòng trễ

đàn hồi

Hồi phục khi có tải trọng động

IV Damping

- Sự biến dạng của polymer một phần

ứng suất được sử dụng như năng lượng

dữ trữ, phần còn lại bị tiêu tán thành

nhiệt

- Nếu kéo một mẫu sau đó giảm dần lực

cùng với tốc độ khi kéo mẫu sẽ trở về

trạng thái ban đầu nếu sự chảy không

xảy ra:

+ Nếu sự biến dạng xảy ra đồng thời

với ứng suất thì các giá trị biến dạng trong

qúa trình tăng giảm ứng suất sẽ bằng nhau

tại các giá trị ứng suất như nhau=> biến

dạng đàn hồi của vật rắn

+ Do hiện tượng hồi phục cần thời

gian, nên ứng với các giá trị ứng suất khác

nhau thì độ biến dạng khác nhau => Xuất

hiện vòng trễ

- Tùy thuộc vào tốc độ kéo và nhiệt độ mà

sẽ có các diện tích võng trễ khác nhau

IV Damping

- Ảnh hưởng của tốc độ tăng

giảm ứng suất

+ Nếu tốc độ tăng tải trọng càng

nhỏ thì giá trị biến dạng khi tăng

và giảm càng ít phân biệt => độ

biến dạng lớn nhưng diện tích

võng trễ nhỏ

+ Nếu mẫu polymer chịu tác

dụng của một tải trọng rất nhanh

sau đó tháo tải cũng rất nhanh thì

lượng biến dạng sẽ không lớn =>

diện tích vòng trễ bé thậm chí

biến thành đường thẳng

19

mẫu càng giảm do một phần tiêu tán thành nhiệt

năng => Hiệu quả Damping

IV Damping

Hiện tượng khôi phục khi có tải trọng động

- Trong thực tế polymer luôn chịu tác động của tải trọng thay

đổi liên tục cả về trị số lẫn tốc độ tác dụng (vận tốc tuần

hoàn)

- Lực tác dụng theo chu kì: σ = σo.sinωt t

- Thực nghiệm cho rằng sau một thời gian ∆t tác động

polymer cũng thay đổi độ biến dạng theo chu kì: ε =

IV Damping

• Diện tích của võng trễ phụ thuộc vào biên độ

ứng suất, biên độ biến dạng và góc lệch pha

- góc lệch pha càng lớn thì năng lượng mất mát

cơ học càng lớn

- biên độ biến dạng và góc lệch pha phụ thuộc

vào nhiệt độ và vận tốc tác dụng của lực

+ Nhiệt độ khá thấp, biến dạng này phát triển

tức thời và trùng pha với sự thay đổi ứng suất

=> Hiệu quả Damping thấp

+ Nhiệt độ cao hơn, nếu tốc độ thay đổi hình

thái sắp xếp nhỏ hơn tốc độ tác dụng lực =>

chậm pha biến dạng và ứng suất => Tăng hiệu

quả Damping

+ Nhiệt độ tăng dần tốc độ sắp xếp hính thái

bằng hoặc vượt quá tốc độ tác dụng lực => góc

lệch pha bằng 0 => giảm hiệu quả Damping

•Với: Tanσ = với ˄ =

•Tan δ là một đơn vị đo sự tiêu hao năng lượng

tương đối phụ thuộc vào nhiệt độ và tần suất,

và nó đạt cực đại tại điểm chuyển đổi

23

Sự giảm chấn rất quan trong đối đặc tính thực nghiệm:

• Nếu nó xảy ra ở nhiệt độ và tần số nhất định nó có thể đóng góp vào sức

bền va đập tốt hơn

• Nó là đặc tính ưu thế trong thiết bị giảm chấn rung

• Sự giảm chấn có vai trò làm tiêu tán nhiệt lượng dưới điều kiện mỏi:

Nhiệt độ tăng có thể dẫn đến sự thay đổi lớn trong đặc tính của vật liệu

• Sự tiêu tốn năng lượng trong suốt biến dạng lặp đi lặp lại (ví dụ trong lốp

xe), được điều chỉnh bởi sự giảm chấn

• Sự ma sát của lốp xe trên mặt đường cũng phân lớn phụ thuộc vào đặc

tính giảm chấn của cao su

Damping trong lốp

ô tô

25

•Hai cơ chế hồi phục-giảm xóc diễn ra tại các tần số khác nhau một cách mạnh mẽ

•Nhiệt và ma sát với so với tốc độ quay của bánh xe?

•Ảnh hưởng của sự giảm xóc trong hai dải tần số quay và ma sát không phụ thuộc vào nhau

•Tần số ma sát cao nhất tại Tg Giảm xóc tốt hơn

•Tuy nhiên, sự thay đổi của peak cũng dẫn đến

sự tích tụ cao nhiệt hơn.

•Độ lớn của tan δ tại nhiệt độ cao hơn Tg thì hầu như không phụ thuộc vào T, nhưng phần lớn bị chi phối bởi sự hoàn thiện mạng lưới-số lượng các chuỗi mắt xích lõng lẽo Nó không đóng góp vào sự gắn kết mạng lưới, nhưng sự di chuyển tự do của chúng làm tăng sự phục hồi- giảm xóc

Tăng Tg.

•Tăng khối lượng phân tử

•Sự phân bố khối lượng hẹp

• Chuỗi không có bất kì nhánh nào

• Các nhóm chức hoạt động cuối mạch có tương tác lẫn nhau

• Nhóm chức cuối mạch phản ứng với lưu huỳnh

•Hiện nay đang phát triển theo hướng hinh thành các khối với hàm lượng styrene khác nhau và các cấu hình không gian khác nhau của một số phần của chuỗi mạch butadiene.

Mục đích: khả năng giảm chấn tốt hơn, độ

bám dính (ma sát tốt hơn), khả năng tích tụ

nhiệt thấp hơn

29

Độ bền va đập

V Độ bền

 Dựa vào biểu đồ ta có thể so

sánh độ bền của các loại

polymer khác nhau

 Nhựa dẻo, cao su: 15 đến 30

MPa Polymer cứng hơn: 30 đến

80MPa

 Nhựa nhiệt rắn: PS, PVC, PMMA

là các polymer giòn

 Nhựa nhiệt dẻo: PA, PP, PE và

PTFE là các polyme dẻo

 Phép đo phụ thuộc điều kiện đo

(nhiệt độ, tốc độ kéo…)

VD: Với PP, mặc dù có độ biến

dạng lớn ở điều kiện thường nhưng

ở 0⁰C lại có cư xử như một vật liệu

giòn

 Phép đo sử dụng tải trọng tĩnh,

tác dụng lực chậm, êm, với các

cấp độ ứng suất khác nhau theo

thời gian

 Đường cong phá hủy đưa ra mối

quan hệ giữa ứng suất và thời

gian phá hủy hay sự phụ thuộc

của độ bền kéo trong thời gian

chịu tải trọng đối với phá hủy

dẻo Từ đó có thể ước lượng

được ứng suất sử dụng an toàn

và thời gian sử dụng vật liệu với

một ứng suất nhất định

 Thực tế, đường cong có thể

được ngoại suy theo trục log(t)

trong 50 năm để ước lượng ứng

suất an toàn

 Có 2 kiểu phá hủy: giòn và dẻo

V.2 Độ bền kéo đứt trong thời gian dài

V Độ bền

33

V Độ

bền

a: phá hủy dẻob: phá hủy giòn

- Phá hủy giòn và dẻo xảy ra đồng

thời

- Phá hủy giòn xảy ra do sự hình

thành và lan truyền của các vết

nứt

- Vùng ứng suất cao nhất A, gây ra

phá hủy giòn trong thời gian ngắn

- Vùng ứng suất B thấp hơn, thời

gian phá hủy dẻo ngắn hơn thời

gian phá hủy giòn, vật liệu bị phá

hủy dẻo

- Vùng ứng suất thấp C hơn nữa, phá

hủy giòn xảy ra sau một thời gian rất

V Độ

bền

a: phá hủy dẻob: phá hủy giòn

 Với ống PVC, ở nơi có áp lực nội cao

sẽ làm tăng khả năng gãy giòn,

trong khi ở áp lực thấp hơn sau

khoảng thời gian ngắn hay dài, đứt

gãy kiểu balloon-like xảy ra

 Với PE, tại áp lực thấp hơn các vết

nứt giòn mỏng được hình thành sau

một thời gian dài sử dụng

35

V Độ

bền

Đồ thị 7.20 Ngoại suy từ thực nghiệm với HDPe

 Sự chuyển đổi từ phá hủy dẻo sang

phá hủy giòn và sự biến đổi kèm

theo thể hiện bằng độ nghiêng của

đường cong có thể diễn ra sau vài

năm => từ đó có thể xác định được

tương ứng với mỗi nhiệt độ, ứng

suất có thể xác định thời gian phá

hủy và dạng phá hủy của vật liệu

V Độ

bền

Đồ thị 7.21 Ảng hưởng của trọng lượng phân tử và môi trường đến phá hủy giòn

 Vị trí của đường cong sự phá

hủy giòn phụ thuộc nhiều vào

chiều dài của mạch Phân tử khối

hóa dẻo) trong một số trường

hợp cũng làm tăng thời gian phá

hủy giòn của vật liệu

37

V Độ bền

V.3 Độ bền va đập

• Độ bền va đập là năng lượng cần thiết để phá hủy vật liệu tại tốc độ cao của sự biến dạng

• Độ bền va đập được xác định với sự trợ giúp của các phương pháp chuẩn, trong đó một thanh thử có

khía được đập bởi một chiếc búa, sau đó năng lượng còn dư của búa được đo lường

• Sự tập trung ứng suất ở xung quanh vết khía gây ra sự đứt gãy Khi vật liệu bị khía thì buộc vật liệu bị

phá hủy giòn, do đó thử nghiệm va đập có khía cung cấp hiện tượng và số liệu tốt hơn về đặc tính của

vật liệu trong các điều kiện khắc nghiệt

• Giá trị độ bền va đập tìm được ở nhiệt độ thấp hơn thì vật liệu giòn hơn

• Độ bền va đập tăng khi các mạch được định hướng, nhưng giảm đối với sự không định hướng

• Các chất gia cường trong nhiều trường hợp làm tăng độ bền va đập, mặc dù trong nhiều trường hợp,

đặc biệt với các polyme giòn hay ở nhiệt độ thấp, các sợi thủy tinh có thể tác động đến sự tăng độ

bền va đập

• Hiện nay có 2 phương pháp xác định độ bền va đập là izod và charpy

V Độ bền

V.3 Độ bền va đập

izod

Mẫu thử được khía theo hình chữ V theo tiêu

chuẩn được đặt thẳng đứng và giữ chặt phần

dưới, lực của đầu búa sẽ tác động trực tiếp vào

khe hở

Charpy

Mẫu thử được khía hình chữ V theo tiêu chuẩn kẹp chặt ở 2 đầu và đặt nằm ngang, lực tác động vào điểm giữa của mẫu, đường hở được đặt ngược hướng va chạm

39

V Độ

bền

• Hầu hết polyme thủy tinh đều giòn ví dụ (PS),

trừ khi dưới nhiệt độ phòng có sự chuyển tiếp

loại 2 được thể hiện sẽ cho độ bên va đập

cao

• Polyme bán tinh thể, như PE, PP, rất bền ở

trên nhiệt độ Tg Dưới nhiệt độ Tg, polymer

bán tinh thể có độ bền va đập thấp

• Độ bền va đập của của polyme giòn thường

được cải thiện bởi sự kết hợp với một số phần

tử cao su, bằng cách trộn hoặc đồng trùng

hợp (VD: PP copolymer)

41

VI ĐẶC TÍNH BỀ MẶT

mòn

VI Đặc tính bề mặt

độ cứng

- Khái niệm: Độ cứng là khả năng chống lại sự xâm nhập của vật thể cứng hơn

- Phương pháp đo độ cứng:

+ Phương pháp tại đó tác dụng lực của tải trọng trên bề mặt của vật thể

+ Phép đo được tiến hành sau khi tháo tải

- Phương pháp 1: Rockwell (HR), phương pháp Shore, Vickers, Brinell

- Phương pháp 2: Rockwell

43

1/4, 1/2 inchs được nhấn lên bề mặt

thử được ấn lên bề mặt với tải trọng

VI Đặc tính

bề mặt độ

cứng

• Phương pháp 1:

+ Shore: Shore A được sử dụng

cho vật liệu cao su mềm, sử dụng

đầu hình nón được làm thành

hình tròn với đường kính 0.79

mm, góc vát 35 độ

Shore D được sử

dụng cho vật liệu cứng hơn như

nhựa nhiệt dẻo, sử dụng đầu mũi

nhọn, bán kính cong 0.1 mm Giá

trị shore D thu được trong

khoảng từ 50 đên 90 đơn vị

45

VI Đặc tính

bề mặt độ

cứng

• Phương pháp 1:

+ Vickers: dùng trong phòng thí nghiệm và

nghiên cứu, không phụ thuộc vào kích cỡ của đầu

thử, đầu thử có thể dùng mọi loại vật liệu Dùng

một mũi thử kim cương hình chóp 4 cạnh có kích

thước tiêu chuẩn, góc giữa các mặt phằng đối

diện 136 (± 3 o ) Mũi thử được ấn vào vật liệu dưới

tải trọng 50N, 100N, 200N, 300N, 500N, 1000N

Sau khi cắt tải trọng đo đường chéo d của vết lõm

và tra theo bảng:

HV= k.F/S = 0.102 F/S = [ 0.102 2 F sin (/2)] / d 2

VI Đặc tính

bề mặt độ

cứng

• Phương pháp 1:

+ Brinell: Nhấn một khối cầu bằng

thép cứng hoặc cacbit có đường kính D

xác định dưới một tải trọng P cho trước,

trong khoảng thời gian nhất định bi

thép sẽ lún sâu vào mẫu thử Độ cứng

HB được xác định bằng áp lực trung

bình biểu thị bằng Newton trên 1 mm 2

diện tích mặt cầu do vết lõm để lại

+ Rockwell: Tạo ứng suất

nhỏ trước vị trí mặt cầu được

đo lường, vì thế độ sâu không

VII Friction

(Ma sát)

- Khái niệm: Ma sát là một loại lực cản

xuất hiện giữa các bề mặt vật chất,

chống lại xu hướng thay đổi vị trí

tương quan giữa 2 bề mặt (Nói đơn

giản là lực cản trở chuyển động của

một vật, tạo bởi nhứng vật tiếp xúc

với nó, được gọi là ma sát.)

F =  N

- Hệ số ma sát  phụ thuộc vào nhiệt

độ

Ban đầu sau khi giảm, sự gia tăng

mạnh xảy ra do sự dính vào nhau của c

mặt trượt Từ nhiệt độ nóng chảy, lại

giảm mạnh, các bề mặt sau đó nóng

chảy.

VII Friction

(Ma sát)

• Ngoài ma sát nội phân tử của 1

polymer, giữa polymer với

polymer còn có polymer với kim

loại

• Ứng dụng trong các phương

pháp gia công ( extrusion) tại

nhiệt độ nhất định ban đầu tại

đầu đùn sẽ có ma sát giữa kim

loại với polymer sau đó sẽ là ma

sát giữa polymer với polymer do

đó cần phải tính toán để tránh bị

thiếu hụt nguyên liệu khi ra khỏi

đầu đùn

51