Prova di trazione di materiali polimerici

Fonte: Roberto Leon, Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Virginia Tech, Blacksburg, VA

I materiali polimerici sono ampiamente utilizzati nelle strutture civili, con usi che vanno dai sigillanti molto morbidi ai tubi più rigidi nei sistemi idrici e delle acque reflue. La definizione più basilare di un polimero è una struttura molecolare con subunità ripetute. Il termine polimero deriva dal greco, dove "poly" significa molti, e "-mer" significa unità di base. I monomeri, o singoli mers, sono le unità ripetitive specifiche. Con i polimeri, la struttura, compresa la lunghezza della spina dorsale in carbonio e la flessibilità variabile, determinerà le proprietà del polimero. I polimeri sono classificati in 3 sottocategorie: materie plastiche, elastomeri e polimeri a barre rigide. Le materie plastiche sono ulteriormente suddivise in termoindurenti,che non si ammorbidiscono al riscaldamento, e termoplastici,che si ammorbidiscono quando riscaldati e si induriscono al raffreddamento. Inoltre, i termoplastici sono per lo più polimeri lineari o ramificati con poca o nessuna reticolazione, mentre i termoindurenti presentano una struttura 3D e hanno un'ampia reticolazione. Gli elastomeri, o gomme, sono lunghe catene a spirale e possono essere allungate al doppio della lunghezza originale, ma si contrarranno di nuovo alle dimensioni originali quando rilasciate, mentre i polimeri a barre rigide non si allungano e sono strutture cristalline forti.

In questo laboratorio, esamineremo diversi materiali polimerici, tra cui polietilene ad alta densità (HDPE), cloruri di polivinile (PVC), nylon e metacrilato di metile (acrilico) al fine di comprendere l'ampiezza e la diversità delle curve stress-deformazione per questi materiali e come le loro proprietà meccaniche influenzano le loro prestazioni.

I polimeri sono costituiti da una spina dorsale in carbonio con catene laterali distintive. Il carbonio presenta un legame tetraedrico, quindi i legami sono in grado di ruotare, risultando in catene che possono essere diritte, attorcigliate, attorcigliate o piegate. La flessibilità dei legami è determinata dal numero di doppi legami e legami reticolati, nonché dal carattere dei gruppi di catene laterali. Più legami doppi e reticolati limiteranno la rotazione. Mentre i piccoli gruppi di catene laterali consentono una rotazione più libera, i gruppi laterali ingombranti limitano la rotazione.

Conoscere le differenze tra le strutture dei vari tipi di polimeri aiuta a guidare l'uso dell'applicazione. I materiali termoplastici hanno catene che non sono collegate, ma sono invece tenute insieme da deboli forze di van der Waals, consentendo alle catene di scivolare l'una sull'altra. Questa proprietà consente ai materiali termoplastici di deformarsi facilmente e li rende anche facili da riciclare. D'altra parte, le plastiche termoindurenti hanno forti legami covalenti e sono reticolate o collegate tra loro. Questa caratteristica rende le plastiche termoindurenti difficili da riciclare. Di solito, i materiali vengono triturati e riutilizzati come materiale di riempimento.

Insieme ai tipi di legame, un'altra caratteristica che si dovrebbe considerare quando si seleziona un polimero per una particolare applicazione è il grado di cristallizzazione. I polimeri possono essere amorfi (non ordinati) o cristallini (ben ordinati), ma sono generalmente da qualche parte nel mezzo e definiti semicristallino. Il grado di cristallizzazione dipende dalla velocità di raffreddamento, dalla configurazione della catena e dalla chimica molecolare. Un più alto grado di cristallizzazione tende a tradursi in una maggiore resistenza, il modulo di Young (E) e la resistenza alla temperatura. D'altra parte, per determinare il grado di polimerizzazione, è necessario determinare un peso molecolare medio per le catene, poiché nelle applicazioni reali le catene saranno di lunghezza variabile. Il grado di polimerizzazione, n, è semplicemente il peso molecolare di una catena diviso per il peso molecolare di un monomero. Il comportamento stress-deformazione dei polimeri è altamente variabile. I materiali termoplastici mostrano sia un comportamento duttile che fragile, mentre i termoindurente tendono a mostrare solo un comportamento fragile. D'altra parte, gli elastomeri hanno spesso un modulo di Young basso e mostrano un comportamento non lineare. Le proprietà dei polimeri si trovano da qualche parte tra un materiale hookeano e uno newtoniano, poiché dipendono dalla deformazione, dal tempo e dalla temperatura. Le proprietà del materiale hookeano dipendono dalla deformazione, mentre le proprietà del materiale newtoniano dipendono dalla velocità di deformazione. Durante i test di trazione, alcuni polimeri saranno sottoposti a collo, dove il materiale può sforzare e allungare il campione quando vengono applicate forze di trazione. Vari tipi di polimeri subiranno diverse forme di guasto quando allungati in una prova di trazione. Il fallimento risultante può essere lo srotolamento della catena, il cracking o la separazione del blocco cristallino.

La temperatura gioca anche un ruolo chiave nel modo in cui i polimeri si comporteranno. T_M è la temperatura di fusione del materiale e T_G è la temperatura di transizione vetrosa. Principalmente, se T > T_M, il materiale è liquido o viscoso. Tuttavia, se T < T_G, il materiale è vetroso e sarà fragile. Se T ~ T_G, il materiale è gommoso, mentre se T > T_G, il materiale è scorrevole e più duttile. Nella Figura Y viene illustrato questo comportamento.

1. Ottenere campioni di trazione tipici di materiali polimerici acrilici, nylon, HPDE e PVC.
2. Utilizzando un micrometro, misurare la larghezza e lo spessore in diverse posizioni lungo l'albero di ciascun campione per determinare le dimensioni medie della sezione trasversale. Registrare la larghezza e lo spessore medi misurati di ciascun campione sulla scheda tecnica.
3. Posizionare il campione nelle impugnature. Assicurarsi che almeno l'80% di ciascuna estremità sia saldamente attaccato alle impugnature, il che contribuirà a garantire contro lo slittamento durante l'operazione di carico. La carta vetrata può anche essere utilizzata (lato grana verso il campione) per migliorare la presa del campione.
4. Misurare la lunghezza del campione tra le impugnature. Questo valore è la lunghezza del misuratore e verrà utilizzato per calcolare la deformazione.
5. Collegare saldamente l'estensimetro elettronico al campione secondo le specifiche del produttore. Nota: le lame dell'estensimetro non devono essere posizionate esattamente sui segni del misuratore sul campione, ma devono essere approssimativamente centrate sul campione.
6. Iniziare ad applicare il carico di trazione al campione e osservare la lettura dal vivo del carico applicato sul display del computer. Se il carico misurato non aumenta, il campione sta scivolando attraverso le impugnature e deve essere riattaccato. In questo caso, l'istruttore interromperà il test e ripeterà la procedura dal passaggio 2.
7. Continuare ad applicare lentamente il carico di trazione, osservando la forma del grafico del carico generato dal computer rispetto allo spostamento durante tutto il carico.
8. Qualche tempo prima del guasto del campione, il test verrà automaticamente messo in pausa senza scaricare il campione. A questo punto, rimuovere l'estensimetro. Se il campione si rompe con l'estensimetro in posizione, distruggerai l'estensimetro, un'attrezzatura molto costosa.
9. Caricare il campione fino al guasto. Registrare il carico massimo e il carico in caso di guasto.
10. Rimuovere il campione rotto dalla macchina. Osservare e documentare la posizione e il carattere della frattura.
11. Misurare la larghezza e lo spessore di ciascun campione nella regione di guasto e registrare le misurazioni finali.

I guasti tipici per questi materiali sono mostrati in Fig. 1 a Fig. 4. La Fig. 1 mostra la progressione del fallimento in un polietilene, con una collo iniziale e una successiva progressione del collo su e giù per il campione mentre le catene polimeriche si srotolevano. Il materiale in polietilene ad alta densità, se caricato lentamente, può allungarsi fino a diverse volte la sua lunghezza iniziale (Fig. 2). Il PVC, d'altra parte, mostra una progressione del fallimento simile, ma con duttilità molto più bassa (Fig. 3). Questa cifra dimostra anche l'influenza tipica della velocità di deformazione sulla capacità di deformazione; più veloce è la velocità, minore è la duttilità e leggermente maggiore è la forza. Al contrario, il campione acrilico fondamentalmente fallisce senza alcuna deformazione non lineare (Fig. 4).

Figura 1: A. Progressione del collo in un campione corto di HDPE. B. Primo piano del collo vicino alla presa, mostrando il confronto con il campione originale.

Figura 2: Grandi deformazioni possibili in un HDPE caricato lentamente. La foto mostra l'intero esemplare la cui estremità è mostrata in Fig. 1B.

Figura 3: Guasto in un campione di PVC che mostra gli effetti della velocità di deformazione.

Figura 4: Guasto in un campione acrilico.

I risultati delle curve stress-deformazione per i quattro materiali sono mostrati in Fig. 5 fino alla Fig. 8.

Figura 5: Curva stress-deformazione per HDPE.

Figura 6: Curva stress-deformazione per PVC.

Figura 7: Curva stress-deformazione per nylon.

Figura 8: Curva stress-deformazione per un acrilico.

È importante notare che dalla Fig. 5 alla Fig. 8 hanno tutte scale orizzontali e verticali molto diverse. I risultati dei test per questi esperimenti sono riassunti nelle tabelle 1 e 2, mentre la Fig. 9 mostra un confronto delle curve stress-deformazione fino al 50% di deformazione. Le differenze nelle percentuali di allungamento (Tabella 2) sono sorprendenti e mostrano la grande variazione tra il comportamento meccanico dei materiali polimerici. La variazione di resistenza è leggermente più piccola, con solo l'HDPE che mostra un valore significativamente inferiore. Il comportamento varia da elastico fragile per acrilico a molto duttile e ammorbidente per HDPE.

Tabella 1: Riepilogo dei dati grezzi.

Figura 9: Confronto delle curve stress-deformazione, fino al 50% di deformazione, per tutti i polimeri testati.

Tabella 2: Sintesi dei risultati.

La Fig. 9 mostra la grande variazione delle caratteristiche di deformazione del carico per diversi polimeri. Il comportamento varia da puramente forte, elastico e fragile per il campione acrilico a morbido, altamente viscoelativo e molto duttile per l'HDPE. Questi riflettono le proprietà estreme dei termoindurenti (acrilico) al termoplastico (HDPE, nylon e PVC). È interessante notare che il PVC, che viene spesso utilizzato in finiti e torte nei nostri edifici e nelle nostre case, mostra un buon equilibrio di resistenza, viscoelasticità e duttilità.

Nelle applicazioni di ingegneria civile, i polimeri sono comunemente usati per rivestimenti, sigillanti, adesivi, rivestimenti, tubi, tubazioni, geotessili, geogriglie, geomembrane, finiture interne, riparazione, restauro e elementi strutturali esterni. L'industria delle materie plastiche negli Stati Uniti è molto grande e rappresenta quasi 1 milione di posti di lavoro e 308 miliardi di dollari di spedizioni industriali nel corso del 2014. Ci sono anche molti polimeri naturali utilizzati in campo commerciale, come legno, gomma, cotone e pelle, così come nel campo della biologia, come proteine, enzimi e amidi. Anche i Contenitori per alimenti da a susso e da aseo che si usano quando si mangia fuori sono costituiti da polimeri.