Polymer như chúng ta đã biết, chúng thường tồn tại ở hai trạng thái: trạng thái vô định hình và trạng thái tinh thể, do đó để hiểu biết sâu hơn về ứng xử cơ học của polymer cứng thì c[r]
Trang 1GIỚI THIỆU MÔ HÌNH BURGERS VÀ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
ẢNH HƯỞNG CỦA GIÀ HÓA ĐẾN ỨNG XỬ NHỚT ĐÀN HỒI VẬT LIỆU
POLYETHYLEN MẬT ĐỘ CAO
Trần Ngọc Giang *
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên
TÓM TẮT
Polymer là các vật liệu được hợp thành từ các sợi đại phân tử phức hợp của mỗi đơn phân lặp đi lặp lại nhiều lần Các polymer thường tồn tại dưới hai dạng cấu trúc khác nhau là: trạng thái vô định hình đặc trưng bởi một cấu trúc hỗn độn và trạng thái kết tinh (tinh thể) đặc trưng bởi một cấu trúc đã sắp đặt Chúng có thể hoàn toàn vô định hình hoặc bán tinh thể Và các luật ứng xử thường
ở dạng phi tuyến, chúng ràng buộc các ứng suất, biến dạng và nhiệt độ theo sự tiến triển của các nội biến Trong bài báo này chúng tôi trình bày chi tiết mô hình của Burgers và kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của quá trình già hóa đến ứng xử nhớt đàn hồi vật liệu polyethylen Các kết quả thí nghiệm dão khi kéo thực hiện trên các mẫu già hóa đã chỉ ra ảnh hưởng của khuếch tán các phân tử acetat amyl trong polymer mật độ cao trên phương diện ứng xử nhớt đàn hồi Đặc biệt kết quả cũng chỉ ra rằng biến dạng tăng lên khi thời gian già hóa tăng
Từ khóa: polyethylen mật độ cao; mô hình Burgers; già hóa; nhớt đàn hồi; dão vật liệu
ĐẶT VẤN ĐỀ
Polymer như chúng ta đã biết, chúng thường
tồn tại ở hai trạng thái: trạng thái vô định hình
và trạng thái tinh thể, do đó để hiểu biết sâu hơn
về ứng xử cơ học của polymer cứng thì cần thiết
phải nghiên cứu biến dạng của các đại phân tử ở
các trạng thái này Trước hết hãy xét cơ chế
biến dạng nhỏ (micromechanism):
Biến dạng của pha vô định hình: là pha
được thể hiện đặc tính bởi một phần tự do có
chứa các mớ hỗn độn và một phần liên kết với
các sợi (lá mỏng) kết tinh Vai trò cơ học của
pha này là truyền tải các ứng suất từ một tinh
thể này sang một tinh thể khác thông qua các
phân tử liên kết Các liên kết ở lớp trung gian
này tạo một độ bền cơ học nhất định cho pha
vô định hình, hơn nữa sự trượt của các chuỗi
ở dạng sợi rối là nguồn gốc của biến dạng
không thể phục hồi Nó tồn tại hai phương
thức biến dạng của pha vô định hình liên quan
đến các phân tử liên kết và sự xếp chồng của các sợi:
- Sự trượt của lớp trung gian (Hình 1b) tương ứng với lực cắt song song của hai tấm tinh thể với nhau dưới tác động của một ứng suất cắt [1]
- Sự tách rời của lớp trung gian (Hình 1c) dẫn đến sự thay đổi khoảng cách giữa hai lớp sợi khi ứng suất được gán vuông góc giữa chúng
Sự biến dạng này dẫn đến sự giảm mật độ của pha vô định hình và sự hình thành các lỗ hổng
tế vi [2], [3]
Biến dạng của pha tinh thể: trong các
polymer, các tinh thể bị biến dạng bởi một cơ chế trượt (Hình 2) Tuy nhiên, không giống như kim loại, là chỉ có các hệ thống trượt hoạt động, mà ở đây còn có sự trượt các mặt phẳng chứa trục của các chuỗi đại phân tử Sự hạn chế này là do sự hiện diện của các liên kết cộng hóa trị dọc theo chính các sợi này [4]
Hình 1 Cơ chế biến dạng của lớp trung gian: a) Trạng thái chưa biến dạng, b) Trạng thái trượt của các
lớp trung gian, c) Trạng thái chia tách của các lớp trung gian [1] *
*
Tel: 0913 789880, Email: tranngocgiang@tnut.edu.vn
Trang 2Hình 2 Cơ chế trượt: a) Dạng song song, b) Dạng
vuông góc với các sợi của các tấm tinh thể [6]
Nhiệm vụ cốt lõi để giải quyết hệ thống trượt
trong các tinh thể polymer phụ thuộc vào các liên
kết ''van der Waals'' giữa các sợi đại phân tử [5]
Do đó, để phát triển một luật ứng xử cần xem
xét đến 4 khía cạnh của việc mô hình hóa [7] :
Mô hình hóa vật lý cho phép đặt các biến số
liên kết tiến triển vĩ mô với các biến số của
biến dạng cấu trúc vi mô, mô hình hóa cơ học
cho phép mô hình hóa mô hình vật lý trong
phạm vị nhiệt động lực học của các quá trình
không thuận nghịch, mô hình hóa số cho phép
tích hợp đúng đắn mô hình cơ học tiến triển
và cuối cùng là mô hình hóa thông tin cho
phép đưa ra một công cụ xác thực thể hiện
được các luật ứng xử
Đối với polymer, các luật ứng xử thường là
phi tuyến, vì lý do này nên các tham số cơ
học thường có hai loại: một là được xác định
trực tiếp bằng cách phân tích các phép thử
chuẩn hóa và hai là các quy tắc điều chỉnh sự
phát triển của các nội biến phải được xác định
bằng hiệu chuẩn kỹ thuật số của các luật đối
với một đường cong thực nghiệm
Các mô hình lưu biến cổ điển dựa trên các bộ
phận khác nhau của lò xo và bộ giảm chấn được
mắc nối tiếp hoặc song song Lò xo đặc trưng
cho một môi trường đàn hồi hoàn toàn và bộ
giảm chấn thì lại đặc trưng cho một môi trường
nhớt hoàn hảo (nó phụ thuộc vào thời gian)
Các luật ứng xử này được thể hiện thông qua
hai định luật của Hooke và Newton riêng rẽ
như Hình 3 sau:
Ở đây, σ và ε là ứng suất và biến dạng, là tốc
độ biến dạng, E và η là các mô đun đàn hồi, đàn
nhớt của lò xo và giảm chấn Theo thứ tự chúng
là các đại lượng đặc trưng cho khả năng phục hồi và tiêu hao của năng lượng
Hình 3 Mô hình và công thức tính:
a) Theo định luật Hooke, b) Theo định luật Newton
Có nhiều mô hình đàn nhớt để thể hiện tính nhớt đàn hồi của vật liệu, chúng được xây dựng dựa trên hai nhân tố cơ bản là lò xo và
bộ giảm chấn Tác giả giới thiệu mô hình Burgers khi nghiên cứu vật liệu dẻo vì nó có đầy đủ các đặc tính nhớt đàn hồi và có thể áp dụng một số phương pháp toán học để thực hiện, thuận tiện cho việc so sánh giữa mô hình, phương pháp toán học và thực nghiệm
MÔ HÌNH BURGERS KHI NGHIÊN CỨU TÍNH NHỚT ĐÀN HỒI CỦA VẬT LIỆU
Sơ đồ khối mô hình
Hình 4 biểu diễn mô hình Burgers, bao gồm 4 phần tử cơ bản và được chia thành 3 mô hình con: Mô hình Hooke, Newton và Kelvin-Voigt, do đó có thể coi Burger là mô hình tổng hợp của các lò xo và bộ giảm chấn khi chúng được mắc nối tiếp + song song nhau
Hình 4 Mô hình Burgers tổng quát
Hàm biến dạng và phân tích các giai đoạn khác nhau của mô hình
Xét một mô hình lưu biến Burgers với mô đun đàn hồi và đàn nhớt lần lượt là k1, η1 và k2, η2 chịu tác dụng bởi một ứng suất σ = σ0 = const
Trang 3Hàm số biểu diễn quá trình dão theo thời gian
t khi chịu một ứng suất cố định ban đầu có
dạng [8]:
f t
Để xác định sự phụ thuộc của hàm biến dạng
theo thời gian có thể nhân cả hai vế công thức
(1) với giá trị σ = σ0 = const
Hình 4 là sơ đồ lưu biến học của phần tử 4
tham số theo Burgers, trạng thái ban đầu của
phần tử lò xo và phần tử giảm chấn theo thứ
tự là vị trí lò xo chưa dãn và giảm chấn ở vị
trí thấp nhất, trạng thái làm việc được thể hiện
trên Hình 5a
Hình 5b biểu diễn quá trình dão của vật liệu,
bao gồm các đồ thị ứng suất, biến dạng theo
thời gian chịu tải
Phân tích đồ thị quan hệ giữa biến dạng ε theo
thời gian t chúng ta thấy, ở thời điểm ban đầu
khi bắt đầu gán tải tương ứng với trị số σ0 thì
biến dạng ban đầu (đoạn OA) là ε0 = σ0/k1,
khi ấy lò xo k1 đã bị dãn ra hoàn toàn trong
khi 3 phần tử còn lại sẽ bị phụ thuộc vào thời
gian Sau đó, tương ứng với thời gian chịu tải
là t = ta, đường cong biến dạng (AB) - là quá trình dão vật liệu (nhớt đàn hồi), tuân theo qui luật phi tuyến, hàm ε = f(t), lúc này 3 phần tử
η1, η2, k2 sẽ bắt đầu hoạt động - chúng dãn ra, hết thời gian này tải sẽ được dỡ bỏ, trong vật liệu xảy ra quá trình đàn hồi - chỉ có phần tử
k1 trở về ngay vị trí ban đầu, trị số biến dạng (ε0 = σ0/k1 và đoạn BC = OA), tiếp đến là giai đoạn đàn hồi trễ, các phần tử k2, η2 sẽ có xu hướng trở về trạng thái ban đầu, tương ứng với đoạn CD trên đồ thị, trị số biến dạng được xác định bởi:
Và cuối cùng, vật liệu sẽ còn tồn tại một lượng biến dạng không thể phục hồi (đoạn IJ), phần này được giải thích bởi phần năng lượng của các phần tử k1, k2, η2 có thể phục hồi hoàn toàn nhưng phần tử η1 sẽ không thể phục hồi được vì nó được mắc nối tiếp với phần tử k1, phần dão này xác định bởi công thức sau :
0
1
(3)
a
I creep
t
Hình 5 Lưu biến học mô hình và các ứng xử một phần tử 4 tham số của Burgers
THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA GIÀ HÓA ĐẾN NHỚT ĐÀN HỒI VẬT LIỆU POLYETHYLENMẬT ĐỘ CAO
Máy thí nghiệm
Sử dụng máy phân tích Cơ động học DMA (Dynamic Mechanical Analysis), nhãn hiệu DMA-Q800 nằm trong nhóm thiết bị thí nghiệm của Phòng thí nghiệm GRESPI, Đại học Reims Champagne-Ardenne, Cộng hòa Pháp
Trang 4DMA chủ yếu dành để nghiên cứu ứng xử
nhớt đàn hồi của vật liệu polymer và
composit Thí nghiệm có thể là uốn, kéo hay
nén, điều này tùy thuộc vào độ cứng cũng như
hình dáng hình học của mẫu thí nghiệm Hình
6 là sơ đồ của đầu kẹp trong máy DMA, với
1, 3 lần lượt là má kẹp cố định và di động, 2
là mẫu kéo
Hình 6 Sơ đồ lắp ráp mẫu thí nghiệm vào máy DMA
Mẫu và chế độ thí nghiệm
Mẫu thí nghiệm
Các mẫu được cắt từ các chai nhựa ban đầu
và các chai đã chịu già hóa bởi dung dịch
amyl acetat nồng độ 50g/l ở nhiệt độ 430
C trong những khoảng thời gian khác nhau từ 48
giờ đến 336 giờ bằng thiết bị chuyên dùng,
với các kích thước tiêu chuẩn dài x rộng x dày = 40 x 4 x 0.8 mm3
Chế độ thí nghiệm
Các thí nghiệm thực hiện dưới áp suất không khí được điều khiển ở nhiệt độ 230C, độ ẩm 50%, với các ứng suất gán ban đầu là 2 và 3MPa trong thời gian 4h đối với tất cả các mẫu ban đầu và sau khi già hóa với dung dịch KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Kết quả
Mỗi mẫu thí nghiệm được thực hiện lặp lại từ 3-5 lần để kiểm chứng tính xác thực cũng như loại trừ các yếu tố ảnh hưởng không đáng có
Thảo luận
Các kết quả trên Hình 1.7 và Hình 1.8 cho thấy, ứng xử nhớt đàn hồi thông qua hàm biến dạng đã tăng đồng biến (48h đến 14 ngày) theo thời gian các vật liệu bị già hóa trong môi trường dung dịch hóa chất, sở dĩ có hiện tượng này là bởi đã có sự khuếch tán các phân
tử từ dung dịch, với nhiệt độ coi như một tác nhân làm gia tăng sự hấp thụ phân tử acetat amyl đối với polyethylen mật độ cao, các hiện tượng này làm giảm độ bền cơ học của vật liệu, tuy nhiên tính nhớt đàn hồi lại tăng lên
Hình 7 Kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của già hóa đến ứng xử nhớt đàn hồi vật liệu HDPE, với các
thông số σ 0 = 2MPa, thời gian dão t = 4h
Trang 5Việc hợp thức hóa các đường cong thực nghiệm đạt được bằng toán học hay mô phỏng số đòi hỏi
ở các nghiên cứu tiếp theo
Hình 8 Kết quả thực nghiệm ảnh hưởng của già hóa đến ứng xử nhớt đàn hồi vật liệu HDPE, với các
thông số σ 0 = 3MPa, thời gian dão t = 4h.
LỜI CẢM ƠN: Tác giả xin gửi lời cảm ơn
sâu sắc tới nhóm nghiên cứu thuộc Phòng thí
nghiệm Khoa học dành cho Kỹ sư (GRESPI),
thuộc Đại học Reims Champagne-Ardenne,
Cộng hòa Pháp đã giúp đỡ, chia sẻ để kết quả
này được thực hiện tốt nhất
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 G'sell C Et Haudin, J.M.(1995), Introduction à
la mécanique des polymères, Nancy : Institut
National Polytechnique de Lorraine, France
2 Tijssen, M.G.A.,Vander Giessen, E And
Sluysa, L.J (2000), Simulation of mode I crack
growth in polymers by crazing International
Journal of Solids and Structures, vol.37,
pp.7307-7327
3 Castagnet S., Gacougnolle, J.L Et Dangp
(2000), Correlationbetween macroscopical
viscoelasticbehaviour and micromechanisms in
strained polyvinylidene fluoride (PVDF),
Materials Science and Engineering, vol A276, pp.152-159
4 Peterlin A (1971), Molecular model of drawing polyethylene and polypropylene, Journal of
Materials Science, vol.6, pp.490-508
5 Lin L And Argon, A.S.(1994), Structure and plastic deformation of polyethylene, Journal of
Materials Science, vol.29, pp.294-323
6 G'sell C And Dahoun, A.(1994), Evolution of microstructure in semi-crystalline polymers under large plastic deformation, Materials Science and
Engineering, vol A175, pp.183-199
7 Meimon Y (2000), Enjeux du développement
de lois de comportement de polymères semicristallins pour le calcul de structure, Oil &
Gas Science and Technology – Revue de l’Institut Français du Pétrole, vol.55,6, pp.649-659
8 Lauge F.N (2006), Power-Law creep as related
to adapted Burgers creep representations and incremental analysis, Department of Civil
Engineering Technical University of Denmark.
Trang 6SUMMARY
INTRODUCING THE BURGERS MODEL AND THE EXPERIMENTAL RESEARCH ON THE EFFECTS OF AGING ON VISCOELASTIC BEHAVIOR
OF HIGH-DENSITY POLYETHYLENE
Tran Ngoc Giang *
University of Technology - TNU
The polymers are materials made up of macromolecular chains composed of a (monomer) unit repeated a great number of times The polymers are in the form of two different structures: the amorphous state characterized by a disordered structure, and the crystalline state characterized by
an ordered structure The polymers may be completely amorphous or semi-crystalline And the laws of behavior formulated are often nonlinear They relate constraints, deformations, temperature to the evolution of internal variables
In this paper we present detaily a model of Burgers and the experimentals results of the effects of aging on viscoelastic behavior on high-density polyethylene
The results of the tensile creep tests carried out on the aged test pieces have clearly demonstrated the influence of the diffusion of the amyl acetate molecules in the HDPE on the creep behavior of this one They showed in particular that the increase in the deformation of creep when the aging time increased
Keywords: high-density polyethylene; model of burgers; aging; viscoelastic; creep
Ngày nhận bài: 01/11/2017; Ngày phản biện: 25/11/2017; Ngày duyệt đăng: 05/01/2018
*
Tel: 0913 789880, Email: tranngocgiang@tnut.edu.vn
