Presentasjon lastes. Vennligst vent

Presentasjon lastes. Vennligst vent

Polymermaterialer •”Plast- og gummimaterialer” •Relativt stort spekter av egenskaper •Ofte i blandinger, kombinasjoner med fyllstoffer, armeringsstoffer,

Liknende presentasjoner


Presentasjon om: "Polymermaterialer •”Plast- og gummimaterialer” •Relativt stort spekter av egenskaper •Ofte i blandinger, kombinasjoner med fyllstoffer, armeringsstoffer,"— Utskrift av presentasjonen:

1 Polymermaterialer •”Plast- og gummimaterialer” •Relativt stort spekter av egenskaper •Ofte i blandinger, kombinasjoner med fyllstoffer, armeringsstoffer, myknere og hjelpestoffer •Det er bare noen få grunntyper som står for de største bruksvolumene (150 mill tonn/år) 1

2 Polymermaterialer, plast og gummi •høymolekylære (har store, oftest lange molekyler) der en (eller noen få) relativt enkle deler gjentas et stort antall ganger •aldri strengt repetert romslig struktur (de har ikke egentlige krystaller, slik som metaller og keramer) •alle plast- og gummimaterialer er organiske molekyler (inneholder karbon) •vesentlige temperaturbegrensninger, de tåler belastninger i området fra en del titalls kuldegrader til 150 – 300  C (kun noen meget få kan belastes utenom dette området). •alle unntatt fluorplastene er brennbare (selv om noen andre er selvslukkende når de brenner alene) •de blir stive og glassaktige under en viss temperatur (som varierer avhengig av type) 2

3 Polymer •bygget opp av monomer-molekyler •disse er organiske stoffer •dvs. har karbon som grunnlagsatomer •alltid kovalente bindinger i kjedene •alle unntatt PTFE har hydrogen •det er også vanlig med oksygen •PVC har også klor T. Meland 3

4 Polymer, et enkelt eksempel 4

5 •Forkortelse PE •lange, lineære eller forgrenede kjeder •høymolekylært, molekylvekt 28∙10000 = •alltid stor spredning i molekylvekt •gjennom reaktorprosessen søker man å regulere –middelmolekyvekt –spredningen av molekylvekten –graden av forgreninger •dette av hensyn til produktets –reologiske egenskaper (under utstøping) –mekaniske egenskaper – som produkt 5

6 Polymertyper, kjemisk •Funksjonelle grupper 6

7 Polymertyper, kjemisk •Funksjonelle grupper 7

8 Polymerisasjon I PE dannes ved addisjonspolymerisasjon Det starter med at et initiator-radikal (Int*, delmolekyl med fritt elektronpar, som er meget reaktivt) reagerer slik at dobbeltbindingen åpnes. Derved oppstår et nytt radikal = en reaktiv ende, som så kobler et nytt etylenmolekyl, osv., inntil det tilfeldigvis skjer en terminering Gjennomsnittlig kjedelengde bestemmes av initiatortype, konsentrasjon og trykk/temperatur 8

9 Et eksempel på initiator Benzoylperoksyd (difenylperoxyanhydrid) er et reaktivt stoff, spaltes av varming eller UV-bestråling til to frie radikaler (delmolekyl med et fritt elektronpar), som så initierer addisjonspolymerisasjonen. Spalting: Int-Int  Int* + Int* 9

10 Polymerisasjon II Kondensasjon, kjemisk sammenkobling ved at et lite molekyl spaltes fra, her: esterdannelse, polyestertype. (Forklar kjemien. R 1 og R 2 er organiske delmolekyler, hva skjer videre for å få en polymer?) Polymerisasjon (forskjellige typer) kan finne sted i tørr- kjemiske reaktorer eller vann/dispersjons reaktorer

11 Bindingstyper •Internt i molekylkjedene er bindingen: –kovalent –evt. polar kovalent •Fra molekylkjede til molekylkjede (eller til et annet sted på seg selv – ved buktinger, er det: –Van der Waalske krefter, bindinger, molekylbindinger –forsterkede molekylbindinger pga. polarkovalente bindinger –evt. hydrogenbindinger (når det er H og N, O eller F) 11

12 Bindingsmorfologi •Termoplaster •Distinkte, men svært lange kjeder, –uten forgreninger –eller med forgreninger •Disse kan i prinsippet smeltes, presstøpes, sveises –(en del av dem brytes dog ned samtidig med smeltingen, enkelte er svært tyktflytende) •Herdeplaster og elastomerer •kortere kjeder som bindes sammen i herdereaksjonen, ”kryssbindinger” •Herdeplaster og elastomerer en vesentlige kjemiske forskjell: –Herdeplaster har svært mange kryssbindinger –Elastomerer få kryssbindinger, med stor avstand 12

13 Herdeplast, et eksempel 13

14 Omvandlingstemperaturer •Avhengig av temperaturen kan polymermolekyler –gli mot hverandre, hvis de ikke er kryssbundne –rotere om enkeltbindinger i kjedene –ingen av delene, men være i stivnet tilstand •Følgende temperaturer skiller dette: •T g : Glassomvandlingstemperaturen, et nok så snevert temperaturintervall med stor endring i E-modul •T m : Smeltetemperaturen, oftest en gradvis smelting til tyktflytende væske •Nedbrytingstemeperaturen, dvs. ødeleggelse av polymerkjedene •T m angis som smelteindeks, dvs. den temperaturen som gir en viss viskositet 14

15 Glassomvandling •Over T g øker varmeutvidelsen. Molekylene kan rotere om enkeltbindinger. •E-modulen faller kraftig •Harde plaster (eks. plexiglass – PMMA – brukes ved temp. under sin T g. •Myke plaster og gummi brukes ved temp. over sin T g •Maling og lakk har også T g, de benyttes under sin T g Påvisning av T g ved endringer i spesifikt volum, Hurtig og meget langsom avkjøling (T.Meland) 15

16 E-modul i polymerer E-modulen faller kraftig ved T g 16

17 Omvandlingstemperaturer PMMA Ashby & Jones PMMA, ”plexiglass” E-modulen faller kraftig ved T g. Ved romtemperatur er langtids-e-modulen ca 1,5 GPa (10 8 s, ca 3 år), mens korttids-E-modulen (1 s) er 5-6 GPa. Materialet er ennå stivere ved slag (10 -2 s) Det er typisk for plast at det er stor forskjell på E- modulen for kortvarig og langvarig belastning. PMMA er ubrukelig ved T>T g 17

18 Et til eksempel At Fakuma 2002 next month Victrex will showcase its recently introduced Victrex PEEK-HT polymer for extreme heat applications. With a glass transition temperature of 157C and a melting temperature of 374C, Victrex Peek-HT polymer extends the high temperature performance of the company's natural Peek polymer. Available in powder or granules, this latest addition to the Victrex Peek portfolio also offers the polymer's inherent exceptional toughness, strength, chemical resistance and low flammability. Hva nå? Er det noen knagger her? 18

19 Kjedelengde 19

20 Krystallinitet •Polymermaterialer er –amorfe –eller semikrystallinske •Avhengig av polymertype (funksjonelle grupper, kjedelengde, forgreningshyppighet) kan polymermolekylene få en mer eller mindre regelmessig, spiralformet oppkveiling (sfærulitter) •Dette betegnes krystallinitet. Krystalliniteten oppstår ved rolig avkjøling i polymerer med regelmessige molekylkjeder (dersom underkjølingen ikke passerer T g ) •I HDPE kan opp til 80% av massen være ”krystallinsk” •Høy krystallinitet gir økt E-modul og økt tetthet og (hvis den er smeltbar) et snevrere smelteintervall, samt bedre diffusjonstetthet. •Krystallinske polymerer er opake (matt-hvite), mens de amorfe er glassklare 20

21 Krystallinitet sfærulitter i blanding av PVDF og PHB (Prof. Herve Marand, VPISU) 21

22 Sammensatte polymerer •Det er laget en rekke blandede polymerer, disse kalles ”kopolymerer” •Kopolymertyper: La A og B være to monomerer –..AABBABBAAAABBBAAAB..:tilfeldig –..ABABABABABABABA...:alternerende –..AAA..ABBB..BAAA..ABBB.B..:blokk BBBB.. –..AAAA......AAAA......AAAA:podetBBBB.. 22

23 Edward Goo, USC 23

24 Blandede polymerer •Kopolymerer har mindre tydelige overgangstemperaturer •blokk- og pode kopolymerer gir to-fasestruktur, som utnyttes til å få bedre kombinasjon av seig og stiv polymer over et bredere temperaturintervall, idet den ene fasen er under og den andre over T g T. Meland 24

25 Tilsatsstoffer •Stabilisatorer (antioksidanter = oksygenfangere, UV-filtre) •Pigmenter (farge og lys/UV-beskyttelse) •Antistatika •Friksjonsreduserende •Myknere (plasticers – Med %ftalater el.a. oppnås i PVC E t = 7,5 MPa ved 100% tøyning, bøybarhet ned mot -40  C ) •Ekstendere (Billigere stoffer som kan erstatte noe av mykneren) •Fyllstoffer (F.eks. kalkmel som drøyer PVC og øker slitasjemotstanden) •Lubrikanter (Ofte stearater i PVC, hindrer verktøyklebing) •Armeringsmaterialer – for kompositter •Blåse- /skummingsmidler – for skumstoffer 25

26 Polymerers egenskaper •Lav Densitet800 – 2000 kg/m 3 •Strekkfastheten er lav - moderat10 – 100 MPa •Lav E-modul uten spesielle tiltakunder 4 GPa •Snevert brukstemperatur under belastning-50 – +200  C (bildekk -80  C, Høytemperaturpolymerer +270  C) •Svært varierende materialpris fra 3 x oljeprisen (PVC, PP) til kostbare spesialmaterialer. •Alle polymermaterialer er viskoelastiske, dvs. bruddstyrkes er avhengig av belastningstid. •Altså, tillatt spenning er avhengig av –polymertype, temperatur, belastningstid og kjemisk miljø 26

27 Viskoelastisitet, siging 27

28 Strekking, høymodul-polymerfibre Ashby & Jones Ved varming til litt under T m kan termoplastiske polymerer strekkes til fibrer med høy E- modul. PE kan oppnå E-modul over 30 GPa ved strekking. 28

29 Skadeutvikling i polymerer ”Crazing” = krakelering, plasten blir hvit-matt, eller gråhvit 29

30 Termoplaster •Fås ofte som granulat •mange kan smeltes og dermed støpes (eks. rotasjonsstøping) •Termoforming er også vanlig. Det må da benyttes trykk eller formepress etter en oppvarming til litt under T m. Egenskapsanisotropi er vanlig pga. retting av molekyler (bla. sterkt økt E-modul langs rettede molekyler) 30

31 Amorf termoplast •Typisk T g omkring 80  C •Eks. polymetylmetakrylat (PMMA) – ”pleksiglass”, polystyren (PS), akrylnitril-butadien-styren (ABS) •Disse er ofte billige, ikke god slagfasthet, god sigefasthet, lavt støpekrymp •de fleste har dårlig kjemikaliebestandighet 31

32 Krystallinske termoplaster •40 – 90% krystallinitet •typisk T g under 0  C •Eks. polyetylentereftalat (Langsom størknet PET – termoplastisk polyester) og polykarbonat (PC), polyetylen (PE) og polypropylen (PP) •God seighet og slagfasthet •Gode utmattingsegenskaper •Dårligere sigeegenskaper •God kjemikaliebestandighet •Lavere avkjølingshastighet gir høyere krystallinitet •Lavere molekylvekt gir høyere krystallinitet 32

33 Herdeplaster •Oppstår kjemisk i formen •Eks. –umettet polyester (UP en ”resin”, ”harpiks” tilsettes små mengder reaksjonsinitiator ”herder”) –epoxy (EP, to-komponent, to forskjellige stoffer danner en kryssbundet struktur under herdingen, som kan initieres kjemisk eller ved oppvarming) –Aminoplast (urea, melamin mm) –fenolplast •lav bruddtøyning, likevel relativt god slagfasthet •meget god sigemotstand (som plast betraktet) 33

34 Elastomerer •Meget lav T g, typisk -80  C •Eks –polyisopren (PI – naturgummi, kryssbindes med svovel – (Goodyear), ”vulkanisering”). –polyisobutylen (PIB – butylgummi) •svært god utmattings- og slagfasthet •bruddtøyning ofte flere hundre prosent •Bearbeides ved pressforming før herding (kryssbinding) •ofte lysfølsomme, tilsettes da svarte stoffer (carbon black (= ”sot”) eller grafitt) 34

35 Polymerer, kategorier •Generelle parametere: Molekylvekt, molekylvektfordeling (M min, M max, M snitt, M median, standardavvik, OBS: monomerantalls- eller massefraksjonsberte tall ! ) •Lineære, amorfe •Forgrenede (amorfe) •Krystallinske (lineære), krystallinitetsgrad •Rettede molekylkjeder, fibere •Flytende krystall polymerer •Kryssbundne, tetthet i kyssbindinger •Kopolymerer •Polymerblandinger 35

36 komposittmaterialer •Partikkelkompositter •Fiberkompositter •Laminater, sandwich •Partikkel og fiberkompositter har en kontinuerligfase, kalles matriks (matrisen) Generelt: •Metallmatriks, MMC •Kerammatriks, bla. betong •Plastmatriks 36

37 Plastkompositter Partikkelfylte •Kalk, andre mineraler, trespon •Bedre slitasjesegenskaper, høyere E-modul •nedsatt strekkstyrke – brukes ofte i kraftig gods •Gummipartikler gir lavere E-modul, bedret seighet og økt slagfasthet 37

38 Firberarmert plast, AP, (GRP og CFRP) Fibertyper •Strukne termoplaster –E-modul GPa, lav densitet •E-glass, R-glass, S-glass –E-modul GPa, høy densitet 2500 kg/m 3 •Karbonfiber –E-modul GPa, lav densitet, sprø fiber, anisotrop •Aramid (”kevlar”) –E-modul 130 GPa, lang bruddtøyning 38

39 Plastkompositt, matriks •Termoplaster – må impregneres på fiberen. Fiberen kan veves (rowing) og materialet oppstår ved sammenpressing og varming •Herdeplaster –Umettet polyester. Smøres eller sprøytes på fiberen mot en form. Fiberen kan også hogges og sprøytes sammen med polyesteren. Herding starter med det samme. –Epoxy. Kan smøres på, fiberen kan trekkes gjennom et epoxy-bad og vikles på formen, eller epoxy kan være for-impregnert på fibermatten (”prepreg”). Må varmes til herding. (Prepreg varmes til 160  C) 39

40 Fiberarmert plast, egenskaper •Høy E-modul •Sterkt i ønsket retning, fibrene kan legges det er ønskelig •Overordnet dimensjoneringskriterium: max tøyning ca 0,2% pga faren for mikroriss og fiberslipp •Matriks bestemmer –Stivhet og fastheter ut av planet, brukstemperatur og kjemikaliefasthet •Fibre bestemmer –Stivhet og fastheter i planet –Forskyvningsegenskaper –Varmeutvidelser •Laminater legges opp for eksempel 0/90 , ±45 , -60/0/60  ut fra ønskede egenskaper •Profiler kan lager ved “pultrusion” •Sammenføyninger er alltid en utfordring –det er vanlig å lime, limen er alltid mye mykere enn kompositten, det er viktig å designe med lave spenninger I sammenføyningene 40

41 Sandwichkonstruksjoner •To tynne hudplater holdes i en viss avstand av fyllmateriale, ”kjerne”. •Hud: Metall, GAP-plater, trefiber etc •Kjerne: skum, ”honeycomb” (6-kanter i aluminium eller papp), balsa •Kritisk: Alle spenninger ut av planet, dvs. innfestinger, hjørner og alle sidelaster. 41

42 42

43 – 1500  C, inert gass 2000 – 3000  C, inert gass og strekk 1000 – 1500  C, inert gass og strekk

44 44

45 Fiberkompositter i rommet 45

46 Rommiljø som virker på polymerer •200 – 800 km (LEO) –10 -6 Torr (10 -4 Pa) –Atomær oksygen (O, O + ) –Begrenset solspektrum (grense v.  = 300 nm) –Høy kinetisk temperatur (1200 K) •6500 – km (GEO) – Torr ( Pa) –Fullt solspektrum (høyenergisk UV) –Partikkelstråling, e - 50 keV – 1 MeV, p + > 5MeV •Regner ut strålinsdose i rad •Skjerming gjøres med 2-3 mm Al eller tynnere gull-film Dauphin, ESA, 1984 – Conley, P.L.: (ed.) Space Vehicle Mechanisms, Wiley 1998 (Dallimore Ch 9) 46

47 Nedbryting av Polymermaterialer Polymer T h (  C) (massehalvering etter 5 min varming og 30 min. vakuum) K 350 (nedbryting %/min.v 350  C) PTFE5090, poly-p-xylen4320,002 PP3870,069 PMMA3275,2 PVC Brydson p. 97 Termisk, 47

48 •Fotokjemisk nedbryting, særlig UV-lys (”VUV-eksponering”, vakuum + UV) (regn ut foton-energi) •”klipper” i primærkjedene (bindingsenergi 1,2 – 1,5 eV) •mottiltak: metallfilm eller metallisering, pigmenttilsats •vanskeligheter: utsatte stoffer i termiske duker har bestemte farger ut fra ansorpsjon/emmisjon av varmestråling Nedbryting av Polymermaterialer 48

49 •Atomært oksygen (LEO-bane, km) O-atomer /cm 2 -sek m. 3-7 eV. (regn ut kin. energi ut fra ”vind”-hastighet) •hydrogen-uttrekking •innfangning med –OH dannelse og videre til hydrolyse •Skader: misfarging av termiske duker •hull i termiske duker •Mottiltak: silikonbaserte malinger •Problemer: mange belegg er sprø, termiske duker må ofte ha en viss bevegelighet (når?) Nedbryting av Polymermaterialer 49

50 Vakuumavdampning, ”Outgassing” •Alle materialer har en viss avdampning •Tiltar i vakuummiljøet •Metaller: en sublimering, merkbar for Mg •Polymerer (plast, maling). Avhenger av additiver •Fører til belegg, kontaminering, på solpaneler og optiske instrument •Karbonfiberepoxyer vil absorbere vann i jord-miljø og avgi det i rommer, kan gi strukturelle deformasjoner •Tap av oksidbelegg på ledd i rustfritt kan gi galling (Griffin / French) 50

51 Outgassing Cruise et. al. Principle of… 51

52 Fluoropolymer, eks.: PTFE ( Du Pont: ”Teflon”, 3M: ”Dyneon”, Saint Gobin: ”Chemfluor”) •Meget kjemiske motstandsdyktige (C-F –bindingen er meget stabil) •Tåler høye temperaturer •ubetydelig avgassing •tåler en viss mengde atomært oksygen, må dog beskyttes med metallfilm i det lange løp •Tåler dårligere UV og VUV, Sterk UV fører til kjedeklipping •Har god varmegjennomgang og varmeutstråling •Molekylvekt – (ICI – ”Fluon”) •Relativt høy densitet (2,2 – 2,3) •Tg ved  C, men opprettholder bøybarhet i tynne filmer ned til kryogene temperaturer •Bruddstyrke 6-25 MPa ved 100 – 300% tøyning, lav friksjonskoeffisient •Meget god el. isolator •meget lav vannabsorbsjon •Lav friksjonskoeffisient •transformerer til høyviskøs væske ved 327  C •Må formpresses eller ekstrudere, og evt. sintres ved 15 – 50 MPa, 380  C, krymper ved avkjøling • tonn/år (<0,05% av all plast) •Det finnes en rekke andre fluoropolymerer, ETFE, PCTFE, PVF etc, hvorav merkenavn kan gå igjen (eks. Du Pont ”Teflon FPA”, ”Teflon EPE”) Brydson, Du Pont, 3M, Saint Gobil, Grossman and Gouzman NIMB 208 (2003) 52

53 Silikoner (Siloksaner) Silan-monomer Oksygen-kobling til silikon-polymer (siloksaner) n  1000 R kan være ammin, carboksy, hydroksy etc. Kryssbindinger er mulig til elastomerer (silikongummi) 53

54 Silikoner •Har større temperaturområde enn vanlige polymerer •Hydrofobe (og dermed vanntette), men ikke gasstette •Må avgasses i vakuum før bruk i rommet 54

55 Adhesiver •Epoxy adhesiver –Varmeherdende film eller to-koponent pasta –oftest OK -50 – 90  C –Mange typer – El. Isolerende, el. ledende, termisk ledende etc. samt høytemperatur-tolerante (170  C) •Silikon –For adhesiver og tetting –Må bruke ”Space Grade” (Vakuum behandlet) –Tg -75  C (dimetyl-silikoner) -120  C (metyl-fenyl- silikoner) •Polyuretan –To-komponent pasta adhesiver, herder ved 80  C –Finnes i høy- og lav Tg 55

56 Regler ved liming •Rene limflater, renere jo høyere styrke limet har •Metallflater må etses, evt. ha helt ny anodisering (Al) •Plastflater må vaskes med løsemiddel •Gummeflater må vaskes med løsemiddel som ikke gir svelling av gummitypen •Malte flater bør normalt renses for maling •Limskjøter virker i skjær (buttskjøter er dårlig løsning) 56

57 Pakninger •Kun epoxy’er kan brukes ved krav om høy gastetthet •Dernest hydrokarbon-gummier (etylen-propylen- gummi) •Silikon-gummier er mest fleksible, men lite gasstette, de har lavest Tg. Må vakuumbehandles. 57

58 Smøremidler (lubrikanter) •Ved bevegelige deler der friksjonen er for høy, men også ved andre metall-metall kontakt som ikke må kaldsveise (”galling”) – f.eks. på rustfrie stål som mister oksidhinna i vakuum •Outgassing må alltid vurderes – det finnes høymolekyre, fluorerte typer som er godkjente •Temperatursykling må vurderes – det er store temperaturvariasjoner på ubeskyttede steder •Det finnes faste smøremidler –MoS 2 er vanlig brukt og har gode temperaturegenskaper, men er fuktfølsomt (pre-launch) –PTFE (flere typer) er et annet godt alternativ (glatt overflate) 58


Laste ned ppt "Polymermaterialer •”Plast- og gummimaterialer” •Relativt stort spekter av egenskaper •Ofte i blandinger, kombinasjoner med fyllstoffer, armeringsstoffer,"

Liknende presentasjoner


Annonser fra Google