בדיקות מתח של פולימרים

פולימרים מורכבים מעמוד שדרה פחמני עם שרשראות צד ייחודיות. פחמן מציג מליטה tetrahedral, ולכן הקשרים מסוגלים סיבוב, וכתוצאה מכך שרשראות שיכולות להיות ישר, קינקי, מעוות, או כפוף. הגמישות של איגרות החוב נקבעת על פי מספר האג"ח הכפולות והאג"ח הצולבות, כמו גם על פי אופי קבוצות השרשרת הצדדית. יותר איגרות חוב כפולות ומקשרות יגבילו את הסיבוב. בעוד שקבוצות קטנות של שרשרת צד מאפשרות סיבוב חופשי יותר, קבוצות צד מגושמים מגבילות את הסיבוב.

לדעת את ההבדלים בין המבנים של סוגים שונים של פולימרים מסייע להנחות את השימוש ביישום. התרמופלסטיקה יש שרשראות שאינן מחוברות, אבל במקום מוחזקים יחד על ידי כוחות ואן דר ואלס חלשים, המאפשרים לשרשראות להחליק זה על פני זה. מאפיין זה מאפשר תרמופלסטיק לעיוות בקלות, וזה גם עושה אותם קלים למחזור. מצד שני, לפלסטיק תרמוגנט יש קשרים קוולנטיים חזקים והם מקושרים זה לזה, או מחוברים זה לזה. מאפיין זה מקשה על מיחזור הפלסטיק התרמו-מרגיז. בדרך כלל, החומרים גרוסים בשימוש חוזר כחומר מילוי.

יחד עם סוגי מליטה, מאפיין נוסף שיש לקחת בחשבון בעת בחירת פולימר עבור יישום מסוים הוא מידת ההתגבשות. פולימרים יכולים להיות אמורפיים (לא מסודרים) או גבישיים (מסודרים היטב), אך הם בדרך כלל איפשהו באמצע ומכונה חצי גבישי. מידת ההתגבשות תלויה בקצב הקירור, בתצורת השרשרת ובכימיה המולקולרית. רמה גבוהה יותר של התגבשות נוטה לגרום לכוח גבוה יותר, מודולוס של יאנג (E) ועמידות בטמפרטורה. מצד שני, כדי לקבוע את מידת פילמור, יש לקבוע משקל מולקולרי ממוצע עבור השרשראות, כמו בחיים האמיתיים שרשראות יישומים יהיו באורכים שונים. מידת הפולימר, n, היא פשוט המשקל המולקולרי של שרשרת חלקי המשקל המולקולרי של מונומר. התנהגות מתח-זן של פולימרים משתנה מאוד. תרמופלסטיק מציג התנהגות דביקה ושברינית, בעוד התרמוסטים נוטים להפגין רק התנהגות שבירה. מצד שני, אלסטומרים לעתים קרובות יש מודולוס נמוך של יאנג ולהציג התנהגות לא ליניארית. המאפיינים של פולימרים נמצאים איפשהו בין הוקיאן לחומר ניוטוני, כפי שהם תלויים מתח, זמן, וטמפרטורה. תכונות חומר Hookean תלויים במתח, בעוד תכונות החומר הניוטוני תלויות בקצב המתח. תחת בדיקות מתיחה, כמה פולימרים יעברו צוואר, שבו החומר יכול להתאמן ולהאריך את הדגימה כאשר כוחות מתיחה מוחלים. סוגי פולימרים שונים יעברו צורות שונות של כישלון כאשר נמתח במבחן מתיחה. הכשל הנובע מכך יכול להיות פירוק שרשרת, פיצוח, או הפרדה של בלוק גבישי.

הטמפרטורה גם ממלאת תפקיד מרכזי באופן שבו פולימרים יתנהגו. T_M היא טמפרטורת ההיתוך של החומר, ו- T_G היא טמפרטורת המעבר מזכוכית. בעיקרון, אם T > T_M, החומר הוא דמוי נוזל, או צמיג. עם זאת, אם T < T_G, החומר הוא מזוגג ויהיה שביר. אם T ~ T_G,החומר הוא גומי, בעוד אם T > T_G, החומר זורם וצינורי יותר. איור Y ממחיש התנהגות זו.

כשלים אופייניים לחומרים אלה מוצגים בתאנה א ' עד איור 4. תמונה 1 מראה את התקדמות הכישלון בפוליאתילן, עם צוואר ראשוני והתקדמות לאחר מכן של צוואר למעלה ולמטה הדגימה כמו השרשראות הפולימריות uncoil. חומר פוליאתילן בצפיפות גבוהה, אם נטען לאט, יכול להימתח עד פי כמה מאורכו ההתחלתי (איור 2). PVC, לעומת זאת, מראה התקדמות כישלון דומה, אך עם משיכות נמוכה בהרבה (איור 3). נתון זה מדגים גם את ההשפעה האופיינית של שיעור המתח על יכולת העיוות; ככל שהקצב מהיר יותר, כך הדביקות נמוכה יותר והכוח מעט גבוה יותר. לעומת זאת, דגימת האקריליק בעצם נכשלת ללא כל עיוות לא ליניארי (איור 4).

איור 1:א. התקדמות הצוואר בדגם HDPE קצר. ב. תקריב של הצוואר ליד האחיזה, מראה השוואה לדגימה המקורית.

איור 2: עיוותים גדולים אפשריים ב-HDPE נטענים באיטיות. התמונה מציגה את כל הדגימה שסופה מוצג בתאנה. 1ב.

איור 3: כשל בדגימה PVC המציגה השפעות על קצב המתח.

איור 4: כישלון בדגימה אקרילית.

התוצאות של עקומות מתח-זן עבור ארבעת החומרים מוצגות איור. 5 עד איור 8.

איור 5: עקומת מתח עבור HDPE.

איור 6: עקומת מתח עבור PVC.

איור 7: עקומת מתח לניילון.

איור 8: עקומת מתח לאקריליק.

חשוב לציין כי לתאנה 5 עד איור 8 יש סולמות אופקיים ואנכיים שונים מאוד. תוצאות הבדיקה לניסויים אלה מסוכמות בטבלאות 1 ו-2, ואילו איור 9 מראה השוואה בין עקומות זן הלחץ עד 50% זן. ההבדל באחוזי התארכות (טבלה 2) בולט ומראה את השונות הגדולה בין ההתנהגות המכנית של חומרים פולימריים. וריאציית החוזק קטנה במקצת, כאשר רק ה-HDPE מציג ערך נמוך משמעותית. ההתנהגות נעה בין שביר אלסטי עבור אקריליק מאוד רקיע וריכוך עבור HDPE.

טבלה 1: סיכום נתונים גולמיים.

איור 9: השוואות של עקומות מתח-זן, עד 50% זן, עבור כל הפולימרים שנבדקו.

חומר	PVC	HDPE	אקריליק	ניילון
אזור התחלתי	0.0624	0.0633	0.0624	0.0628	ב-2
אזור סופי	0.0185	0.0076	0.0605	0.0528	ב-2
% שינוי באזור	70.37	87.92	3.00	15.84	%
אורך גייג' מקורי	1.987	2.021	2.123	2.245	ב.
אורך גייג' סופי	2.157	6.985	2.098	3.650	ב.
% התארכות	8.56	245.62	-1.18	62.58	%
מאמץ עבור נוקשות ראשונית	0.012	0.019	0.020	0.020	ב. / ב.
מתח לנוקשות ראשונית	8.0	2.5	7.0	8.0	ksi
מודולוס ראשוני	667	132	350	400	ksi
מסננים לעוצמה של 0.2%	0.0090	0.0160	0.0165	0.0090	ב.
חוזק תשואה (קיזוז של 02% )	4.6	1.8	4.9	2.0	ב.

טבלה 2: סיכום התוצאות.

תמונה 9 מראה את השונות הגדולה במאפייני עיוות עומס עבור מספר פולימרים. ההתנהגות נעה בין חזק לחלוטין, אלסטי שביר עבור דגימת אקריל רך, ויסקו-אלסטי מאוד וצינורי מאוד עבור HDPE. אלה משקפים את המאפיינים הקיצוניים של תרמוסטים (אקריליק) תרמופלסטי (HDPE, ניילון ו- PVC). מעניין לציין כי PVC, אשר משמש לעתים קרובות סיים פשטידות בבניינים ובתים שלנו, מראה איזון טוב של כוח, צמיגות וקשיות.

ביישומי הנדסה אזרחית, פולימרים משמשים בדרך כלל עבור ציפויים, איטום, דבקים, ציפוי, צינורות, צינורות, geotextiles, geogrids, geomembranes, גימור פנים, תיקון, שיקום, כמו גם אלמנטים מבניים חיצוניים. תעשיית הפלסטיקה בארצות הברית גדולה מאוד, והיא אחראית לכמעט מיליון משרות ו-308 מיליארד דולר במשלוחים בתעשייה במהלך 2014. ישנם גם פולימרים טבעיים רבים המשמשים בתחום המסחרי, כגון עץ, גומי, כותנה ועור, כמו גם בתחום הביולוגיה, כגון חלבונים, אנזימים, עמילנים. אפילו הטאפרוור ומיכלי המזון ששימוש בהם בעת אכילה בחוץ מורכבים מפולימרים.