Presentasjon lastes. Vennligst vent

Presentasjon lastes. Vennligst vent

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

Liknende presentasjoner


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

1 Polymermaterialer •”Plast- 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 1

2 Generelt om konstruksjonsmaterialer •Metaller –Høy E-modul, ganske høy fasthet, er oftest duktile (bøyelige, brekker ikke), tåler sterk kulde (unntak karbonstål som får sprøbrudd), mange metaller tåler høy temperatur over lang tid (herdet Aluminium dog maks 150  C) –er krystallinske (har kornstruktur) •Polymerer –gjennomgås i det følgende •Glasser og keramer –Alltid sprø, noen er meget harde og slitesterke, noen tåler høy temperatur over lang tid –glasser er amorfe, keramer er krystallinske •Kompositter –En kombinasjon av materialer for å bedre egenskapene, eks. glassfiber armert plast, betong armert med stål, vevplast (to typer polymer), tre (naturlig kompositt) 2

3 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 mange er selvslukkende når de brenner alene) •de blir stive og glassaktige under en viss temperatur (som varierer avhengig av type) 3

4 Polymer •bygget opp av monomer-enheter, som er koblet sammen i store molekyler, ofte kjeder •monomerene er organiske stoffer •dvs. har de karbon som grunnlagsatomer •alltid kovalente bindinger internt i molekylene •alle unntatt PTFE har hydrogen •det er også vanlig med oksygen •PVC har også klor •Forkortelsene er standardiserte for mange av plastene. Eks.: –PE: polyetylen, PP: polypropylen, PVC: polyvinylklorid, PTFE: polytetrafluoretylen som er generiske navn •I tillegg har plastene handelsnavn: ”Lakovyl” (PVC fra Elf Atochem), ”Geon” (PVC fra PolyOne), 4

5 Polymer, et enkelt eksempel 5

6 •Polyetylen, forkortelse: PE •lange, lineære eller forgrenede kjeder (lages i flere varianter) •høymolekylært, eks. på molekylvekt 28∙10000 = •stor spredning i molekylvekt ( er gj.snitt) •gjennom reaktorprosessen søker man å regulere –middelmolekyvekt –spredningen av molekylvekten (standardavviket) –graden av forgreninger •dette av hensyn til produktets –reologiske egenskaper (under utstøping) –mekaniske egenskaper – som produkt 6

7 Polymertyper, kjemisk •Funksjonelle grupper 7

8 Polymertyper, kjemisk •Funksjonelle grupper 8

9 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 9

10 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* 10

11 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

12 Kjemiske bindinger i polymerer •Internt i molekylkjedene er bindingen: –kovalent –evt. varianten polar kovalent •Fra molekylkjede til molekylkjede (eller til et annet sted på seg selv – ved buktninger, er det: –Van der Waalske krefter, bindinger, molekylbindinger –evt. forsterkede molekylbindinger pga. polarkovalente bindinger –evt. hydrogenbindinger (når det er H og N, O eller F) 12

13 Kjemiske bindinger i polymerer (Eks. PE) 13

14 Bindingsmorfologi To hovedtyper av polymerer •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 14

15 Termoplast, herdeplast og elatostomer T. Meland 15

16 Herdeplast, et eksempel 16

17 Omvandlingstemperaturer for polymerer •Avhengig av temperaturen kan polymermolekyler –gli mot hverandre, hvis de ikke er kryssbundne –gli begrenset dersom det er kryssbindinger –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 (termoplaster). •Nedbrytingstemeperaturen, dvs. ødeleggelse av polymerkjedene •T m angis som smelteindeks, dvs. den temperaturen som gir en viss viskositet (termoplaster) 17

18 E-modulen og glassomvandling i polymerer E-modulen faller kraftig ved T g 18

19 •Over T g øker varmeutvidelsen. Molekylene har bevegelighet og kan rotere om enkeltbindinger. •E-modulen faller kraftig ved overskridelse av T g •Harde plaster (eks. plexiglass – PMMA – brukes ved temp. under sin T g. •Herdeplaster benyttes kun ved temp. under T g •Myke plaster og gummi brukes ved temp. over sin T g •Maling og lakk har også T g, de befinner seg under sin T g etter herding / stivning Påvisning av T g ved endringer i spesifikt volum, Hurtig og meget langsom avkjøling (T.Meland) 19 Glassomvandling i polymerer Termiske endringer avslører indre prosesser

20 Et eksempel, Omvandlingstemperaturer PMMA Ashby & Jones PMMA, ”plexiglass” (en termoplast) 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 20

21 En moderne termoplast 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? 21

22 22

23 Plast i bygg 23

24 Variasjoner i polymerer. Kjedelengde 24

25 Variasjoner i polymerer, grad av Krystallinitet •Polymermaterialer er –Enten 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 (High Density PE, ganske lange, uforgrenede kjeder) 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 25

26 Hva er krystallinitet? sfærulitter i blanding av PVDF og PHB (Prof. Herve Marand, VPISU) 26 ikke krystall i egenlig forstand

27 Variasjoner i polymerer. Flere forskjellige monomerer i samme polymerer, ”kopolymer” •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.. 27

28 Edward Goo, USC 28

29 Kopolymerer gir mulighet for å ”skreddersy” egenskapene •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 29

30 Mange polymermaterialer har tilsatsstoffer •Stabilisatorer (antioksidanter = oksygenfangere, UV-filtre) •Pigmenter (farge og lys/UV-beskyttelse) •Antistatika •Friksjonsreduserende •Myknere (plasticisers – 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 30

31 PVC uten mykner 31

32 PVC er i praksis alltid tilsatt mykner 32

33 Polymerer har viskoelastisitet, gir siging, belastningstiden må tas i betraktning 33

34 Skadeutvikling i polymerer ”Crazing” = krakelering, plasten blir hvit-matt, eller gråhvit 34

35 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. Utnyttes i fibere (fiskesnøre, tauverk, vevplast) 35

36 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) 36

37 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 •Svarte eller fargede rør, avløpsrørsystemer, bøtter, kar (PE eller PP kopolymer). Grunnmursplast (ABS). Gulvbelegg (PVC – overtrukket med PE-hinne) 37

38 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 •Mekanismer, motordeler – obs: skal ikke stå med varig last! 38

39 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) •El-kontakter og komponenter, ”finere” plastkopper/tallerkener, taper dog terreng til nyere termoplaster 39

40 Elastomerer •Meget lav T g, typisk -80  C, har kryssbindinger •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) •Det lages nå en del elastomerer med reversible kryssbindinger, dvs. de er smeltbare (særlig polyuretan, PU, eks. skosåler, slanger, pakninger, ruller/valser. 40

41 Polymerer, kategorier - oppsummering •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 •Spesialvariant: kryssbundet PE (PEX), for eksempel i vannledninger (rør i rør) 41

42 Polymerers egenskaper, oppsummering •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 (silikoner -100  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 42

43 komposittmaterialer •Partikkelkompositter •Fiberkompositter •Laminater, sandwich •To faser: den diskontinuerlige (fiber, kort fiber, partikler) og den kontinuerlige fasen, ”matriks” (matrisen) Generelt: •Metallmatriks, MMC •Kerammatriks, bla. betong •Plastmatriks 43

44 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 44

45 Firberarmert plast, AP, (GRP og CFRP) Fibertyper •Strukne termoplaster –E-modul GPa, lav densitet –Brukseksempel: vevplast •E-glass, R-glass, S-glass –E-modul GPa, høy densitet 2500 kg/m 3 –Bruk: plastbåter, industritanker, ski, bokser – ikke spesielt dyrt •Karbonfiber –E-modul GPa, lav densitet, sprø fiber, anisotrop fiber –Bruk: ”Avanserte” kompositter, flydeler, spesielle seilbåter, romteknologi, fiskestenger. Dyre ting. •Aramid (”kevlar”) –E-modul 130 GPa, lang bruddtøyning –Bruk: Slagfaste kompositter, dyre ting 45

46 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) 46

47 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 •Fibere 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, limet er alltid mye mykere enn kompositten, det er viktig å designe med lave spenninger I sammenføyningene 47

48 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 •Virkemåte: Økt steghøyde gir bøye- og vridningsstivhet •Kritisk: Alle spenninger ut av planet, dvs. innfestinger, hjørner og alle sidelaster. 48

49 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. t/sandwichbase/principlesofsandwiches.htm 49 Honeycomb

50 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) 50

51 Silikoner •Har større temperaturområde enn vanlige polymerer •Hydrofobe (og dermed vanntette), men ikke gasstette 51

52 Adhesiver (lim) •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 –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 52

53 Bestandighet av polymerer •Nedbryting av lys, særlig UV-lys –Epoxy er spesielt utsatt. Plaster brytes ned kjemisk av fotonets energi. Molekylkjedebrudd gir svakere materiale. Det kan også oppstå økt antall kryssbindinger, som fører til økt sprøhet. –Motvirkes av pigmenter, jfr. carbon black i gummi eller en pigmentrik hinne av mer bestandig plast –Det finnes også egen UV-absorberende stoffer 53

54 •Nedbryting av oksygen og ozon –Bryter molekylkjeder gjennom oksidasjon. Ozon, O 3, er mye kraftigere enn vanlig oksygen, O 2. En del gummiarter er spesielt utsatt når de er utstrekte. •Temperatur, degradering ved oppvarming –Generelt øker alle kjemiske rasjoner med en 2-3 faktor for hver 10 grader økt temperatur. I tillegg kommer den økte viskoelastisiteten, dvs. siging. Bestandighet av polymerer 54

55 •Nedbryting pga. av vann –Bryter ned plaster ved hydrolyse, dvs. spalting av molekylkjeder. –Rent alifatiske plaster (PE, PP) er hydrofobe og tar ikke til seg vann. De er også diffusjonstette. –Plaster med polare bindinger (polyestere, PVC mfl.) er mer hydrofile og brytes ned av ved hydrolyse. De er dessuten ikke diffusjonstette. •Kombinasjon ”vær og vind” kan gi akselererte effekter, synergieffekter. Bestandighet av polymerer 55

56 Andre forhold •Nedbryting av løsemidler: –PE og PP er meget bestandige. –PVC, PS og gummier påvirkes sterkt (”sveller”) av f.eks. xylen (”tynner”, ”lynol”) og aceton, men langt mindre av alifatiske løsemidler (som ”white sprit”) eller alkoholer (”rødsprit”). PVC er tilsatt myknere, som kan vaskes ut, hvoretter materialet blir sprøtt. •Gasser. NOx vil over tid gi kjemiske nedbrytning •Smuss. Mange partikler forsterker virkningen av UV-lys •Sopp og bakterier. Kan ikke nyttiggjøre seg de vanlige plaststoffene, men stoffskifteprodukter kan gi kjemiske nedbryting. Bestandighet av polymerer 56

57 •Polyetylen, PE –Har meget god bestandighet mot vann, løsemidler og betong. –Brytes dog ned over tid av UV-lys. Beskyttes gjerne med carbon black. –Brukes i diffusjonssperre, vannrør, takrennesystemer mm. •Polypropylen, PP –Mer utsatt for UV-lys. Meget god bestandighet mot vann og løsemidler –Brukes i avløpssystemer Bestandighet av polymerer 57

58 Plast og brann 58

59 Hva med dette? Under diskusjon: ”Bruk av skumplastisolasjon på korrugert stålplatetak, kan benyttes dersom stålplatetaket tolkes dekt av veiledningens krav til ”ubrennbart underlag”…” 59

60 Erstatning for tre? Hvilken plast? Benytt ”Plastic-lumberyard” og sammenlign med tre: Mekaniske egenskaper? (1000 psi = 1 ksi = MPa) Temperaturfasthet? Værbestandighet?Brannmotstand? Vekt / tyngde? Pris? 60


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

Liknende presentasjoner


Annonser fra Google