聚合物拉伸试验

聚合物由具有独特侧链的碳骨干组成。碳具有四面体键合, 因此, 这些键能够旋转, 导致链, 可以是直, 纠结, 扭曲, 或弯曲。债券的灵活性取决于双键和交联债券的数量, 以及侧链组的性质。更多的双链和交联债券将限制轮换。虽然小的侧链组允许更多的自由旋转, 笨重的侧组限制旋转。

了解不同类型聚合物结构之间的差异有助于指导应用程序的使用。热塑性塑料有没有连接的链条, 而是由微弱的范德华力联合在一起, 使链条能够滑过彼此。该属性允许热塑性塑料容易变形, 也使其易于回收。另一方面, 热固性塑料具有强共价键, 相互联系, 或相互连接。这种特性使热固性塑料难以回收。通常, 材料被粉碎和重复使用作为填料材料。

随着键合类型的不同, 在为特定的应用选择聚合物时, 人们应该考虑的另一个特征是结晶度。聚合物可以是无定形的 (非有序的) 或结晶 (有序), 但一般在介于和称为半晶之间。结晶度取决于冷却速率、链构型和分子化学。较高的结晶度往往会产生更高的强度、杨氏模量 (E) 和耐温性。另一方面, 为了确定聚合的程度, 你必须确定一个平均分子量的链, 因为在现实生活中应用链将有不同的长度。聚合的程度, n, 只是一个链的分子量除以分子量的单体。聚合物的应力-应变行为是高度可变的。热塑性塑料显示韧性和脆性的行为, 而热固性往往只表现出脆性的行为。另一方面, 弹性体通常具有低杨氏模量和显示非线性行为。聚合物的性质介于 Hookean 和牛顿材料之间, 因为它们依赖于应变、时间和温度。Hookean 材料性质取决于应变, 而牛顿材料的性质取决于应变速率。 在拉伸试验中, 有些聚合物会进行缩口, 在施加拉伸力时, 材料可以应变和拉长试样。在拉伸试验中拉伸时, 各种聚合物类型将经历不同形式的失效。 由此产生的失效可以是链开卷、开裂或结晶块的分离。

温度对聚合物的行为也起着关键作用。t_M是材料的熔化温度, t_G是玻璃转变温度。主要是, 如果 t > t_M, 材料是液体状的, 或粘性。但是, 如果 t < t_G, 材料是玻璃的, 将是脆弱的。如果 t t_g, 材料是橡胶的, 而如果 t > t_g, 材料是流动和更加韧性的。图 Y 说明了此行为。

这些材料的典型故障如图1所示, 见图4。图1显示了聚乙烯中的失败的进展, 最初的缩进和随后的进展, 在标本中作为聚合链解开的缩进和向下。高密度聚乙烯材料, 如果加载缓慢, 可以伸展到几次它的初始长度 (图 2)。另一方面, PVC 表现出类似的失败进展, 但延性低得多 (图 3)。该图还说明了应变速率对变形能力的典型影响;速度越快, 延性越低, 强度略高。相比之下, 丙烯酸试样基本上没有任何非线性变形而失效 (图 4)。

图 1: a. 在短 HDPE 试样中缩颈的进展。b. 接近手柄的颈缩, 显示与原标本的比较.

图 2: 大变形可能在高密度聚乙烯装载慢慢地。照片显示了图1B 中显示的整个标本。

图 3: PVC 试样中出现应变率效应的故障.

图 4: 丙烯酸试样出现故障.

四材料的应力-应变曲线的结果如图5所示, 见图8。

图 5: 高密度聚乙烯的应力应变曲线.

图 6: PVC 的应力应变曲线.

图 7: 尼龙的应力应变曲线.

图 8: 丙烯酸的应力应变曲线.

重要的是要注意, 图5通过图8都有非常不同的水平和垂直尺度。这些实验的测试结果在表1和图2中进行了总结, 而无花果9则显示了应力-应变曲线与50% 应变的比较。伸长率 (表 2) 的差异显著, 表明高分子材料的力学性能有很大差异。强度的变化是有点小, 只有 HDPE 显示显着较低的价值。该行为范围从弹性脆性的丙烯酸到非常韧性和软化的 HDPE。

表 1: 原始数据摘要。

图 9: 对所有聚合物进行测试的应力-应变曲线的比较, 高达50% 的应变.

材料	Pvc	Hdpe	丙烯酸	尼龙
初始区域	0.0624	0.0633	0.0624	0.0628	在. 2
最终区域	0.0185	0.0076	0.0605	0.0528	在. 2
面积变化百分比	70.37	87.92	3.00	15.84	%
原量具长度	1.987	2.021	2.123	2.245	在.
最终量具长度	2.157	6.985	2.098	3.650	在.
伸长率	8.56	245.62	-1.18	62.58	%
初始刚度应变	0.012	0.019	0.020	0.020	in..。
初始刚度应力	8。0	2。5	7。0	8。0	ksi
初始模数	667	132	350	400	ksi
0.2% 强度应变	0.0090	0.0160	0.0165	0.0090	在.
屈服强度 (02% 偏置)	4。6	1。8	4。9	2。0	在.

表 2: 结果摘要。

图9显示了几种聚合物的载荷变形特性的大变化。 该行为范围从纯强, 弹性和脆性的丙烯酸试样对软, 高度粘弹性和非常韧性的 HDPE。 这些反映了热固性 (丙烯酸) 对热塑性塑料 (HDPE, 尼龙和 PVC) 的极端性质。值得注意的是, PVC, 这是经常使用的成品和馅饼在我们的建筑物和家庭, 显示了良好的平衡强度, 粘弹性和延性。

在土木工程应用中, 聚合物通常用于涂料、密封胶、粘合剂、壁板、管道、管道工人、土工布、土工格栅、土工、室内整理、修复、修复以及外部结构元素。美国的塑料工业非常庞大, 在2014期间, 它占到了近100万个就业岗位和3080亿美元的工业出货量。还有许多天然聚合物用于商业领域, 如木材、橡胶、棉花和皮革, 以及生物领域, 如蛋白质、酶和淀粉。即使是在吃东西时使用的特百惠和取出食品容器都是由聚合物组成的。