高分子材料の引張試験

ソース: ロベルト ・ レオン、ブラックスバーグ, バージニア バージニア工科大学土木環境工学科

高分子材料は、用途で水および廃水システムでより堅い管非常に柔らかいシーリング材に至る土木構造物で広く使用されます。高分子の最も基本的な定義は、サブユニットを繰り返すと分子構造です。"Poly"が多くのことを意味ここに、ギリシャ語から来ている言葉高分子と"-mer"基本単位を意味します。モノマーまたは単一の mers は、特定の繰り返しの単位です。ポリマー、炭素バックボーンとさまざまな柔軟性の長さを含め、構造はポリマーの特性を定めます。ポリマーは 3 のサブカテゴリに分類されます: プラスチック、エラストマー、そして剛直高分子。プラスチックを行う加熱し、冷却の強化を和らげるか暖房と熱可塑性樹脂、軟化しない熱硬化性樹脂にさらに細分されます。さらに、熱可塑性樹脂、主に線形熱硬化性樹脂 3 D 構造を展示し、広範な架橋があるに対し、ほとんどない架橋高分子を分岐または。エラストマーやゴムが長いコイル状のチェーンと、元の長さを 2 倍に伸ばすことができるが、剛直ポリマー伸縮せず、強力に対し、結晶構造をリリース元のサイズに戻る契約が。

この研究所の幅広さと応力-ひずみの多様性を理解するために、高密度ポリエチレン (HDPE)、塩化ビニル (PVC)、ナイロン、メタクリル酸メチル (アクリル) を含むいくつかの異なる高分子材料になりますこれらの材料とその機械的特性が彼らのパフォーマンスにどのように影響するかの曲線です。

ポリマーは、特徴的な側鎖を有する炭素バックボーンから成っています。炭素展示四面体の結合、従って債券が回転、することができますストレート、ねじれて、ツイスト、チェーンの結果や曲がっていることができます。社債の柔軟性は、サイド チェーン グループの文字と同様に、二重結合、架橋結合の数によって決定されます。ダブル、架橋結合の回転が制限されます。小さい側鎖のグループより多くの自由回転が可能、嵩高い側グループでは、回転が制限されます。

各種ポリマーの構造の違いを知るガイド アプリケーションを使用できます。熱可塑性樹脂には、接続されていないが、代わりに弱いファンデルワールス力、過去の互いにスライドするチェーンを有効にすることによってまとめられるチェーンがあります。このプロパティにより、容易に変形する熱可塑性樹脂と、それも簡単にそれらをリサイクルします。その一方で、熱硬化性プラスチックは強い共有結合があるし、クロスリンクされている互いに接続されているか。この特性は熱硬化性プラスチックをリサイクルすることは困難になります。通常、材料は千切りや充填材として再利用します。

接合型と共に 1 つは特定のアプリケーション用のポリマーを選択するとき考慮すべきもう一つの特徴は、結晶化度です。高分子の非晶質することができます (非注文) または結晶 (順序よく)、しかしどこか間で一般に、準結晶と呼ばれます。結晶化度は、冷却、チェーンの構成、および分子化学のレートに依存します。高結晶化度は、高い強度、ヤング係数 (E) と温度抵抗が発生する傾向があります。その一方で、重合度を判断するには、さまざまな長さのチェーンになります現実のアプリケーションのように、鎖の平均分子量を決定する必要が 1 つ。N、重合度は、単にモノマーの分子量で割る鎖の分子量です。高分子材料の応力-ひずみ挙動は非常に変数です。熱可塑性樹脂は、熱硬化性樹脂の脆性挙動を示す傾向があるが、延性・脆性挙動を表示します。その一方で、エラストマーは、しばしば低ヤング率・非線形挙動を表示します。ポリマーの物性のどこか、Hookean とニュー トン材料のひずみ、時間、および温度に依存。Hookean 材質はひずみ速度に依存するニュートンの材料特性、株とは異なります。 引張試験の下でいくつかのポリマーはくびれ、材料がひずみことができ、荷重を引張試料を延長を受けます。各種高分子引張試験の伸びの失敗したの異なった形態が行われます。 結果の失敗は、チェーン uncoiling, クラッキング, たり結晶ブロックの分離をすることができます。

温度は、ポリマーの動作に重要な役割を果たしています。T_Mは材料の溶融温度、T_Gがガラス転移温度。主に、もし T > T_M材料は液体のようなまたは粘性。しかし、もし T < T_G素材はガラスと脆性になります。場合 T ~ T_G素材はゴムで、もし T > T_G材料は流れるとより延性。図 Y は、この動作を示しています。

1. アクリル、ナイロン、PVC HPDE の典型的な引張試験片を得る高分子材料。
2. マイクロメータを使用して、測定の幅と厚さ平均断面寸法を決定する各試験片の軸に沿っていくつかの場所で。レコードの平均幅とデータ シートに各試験片の厚さを測定しました。
3. グリップに供試体を配置します。両端の少なくとも 80% は読み込み操作中にずれに対してようにグリップにしっかりと接続されていることを確認します。サンドペーパーがありますサンプルの握りを改善する (粒サンプル側) を使用します。
4. グリップ間試験体の長さを測定します。この値は、ゲージの長さ、ひずみを計算するために使用されます。
5. 製造元の仕様に従って試料を安全に電子の伸縮計を取り付けます。メモ: 伸縮ブレード ゲージ マーク、試料上に正確に配置する必要はありませんが、試料のほぼ中央が。
6. 試験片に引張荷重を適用するを開始、コンピューターのディスプレイの応用負荷のライブ読書を観察します。測定負荷が向上しない場合、試料はグリップをすり抜けてとを再アタッチする必要があります。このインスタンスで、講師はテストを停止し、ステップ 2 から手順を繰り返します。
7. 読み込み中の変位グラフ対コンピューターで生成された負荷の形状を観察すること、ゆっくりと引張荷重の適用を続行します。
8. いつかサンプル失敗の前に試料をアンロードせずテストを自動的に一時停止されます。この時点で、伸縮計を削除します。供試体は、場所で、伸縮計と中断したら、伸縮計、大変高価な機器を破壊します。
9. 障害まで試料をロードします。最大負荷と障害への荷重を記録します。
10. 壊れたマシンから取り外します。観察し、ドキュメントの場所および破壊の文字。
11. 幅および障害の各試験片の厚さを測定し、最終的な測定を記録します。

これらの材料の典型的な障害は図 4 に図 1 のとおりです。図 1 は、最初のくびれと高分子鎖を伸ばすように、供試体上下ネッキングの後の進行、ポリエチレンで障害の進行を示しています。高密度ポリエチレン素材徐々 に読み込まれている場合は、数回の初期の長さ (図 2) に伸ばすことができます。PVC は、その一方で、同様の障害の進行を示していますが、はるかに低い延性 (図 3)。この図も変形能力にひずみ速度の典型的な影響を示してください。速くより低い延性とわずかに高い強度。対照的に、アクリル標本は、基本的には (図 4) 非線形変形することがなく失敗します。

図 1: 試験片の短い HDPE くびれの A. 進行。* クローズ アップ グリップ、元の標本の比較を示す近くのくびれの。

図 2: 大変形、HDPE で開けなかった。写真は、全体の標本が図 1 b に示すように。

図 3: ひずみ速度の影響を示すポリ塩化ビニール片失敗します。

図 4: アクリル標本に失敗しました。

4 つの材料の応力-ひずみ曲線の結果は、図 5 から図 8 のとおりです。

図 5: HDPE の応力-ひずみ曲線です。

図 6: PVC の応力-ひずみ曲線です。

図 7: ナイロンの応力-ひずみ曲線です。

図 8: アクリルの応力-ひずみ曲線です。

重要です図 5 から図 8 すべては水平および垂直のスケールが非常に異なる。図 9 50% ひずみ応力-ひずみ曲線の比較を示しています。 これらの実験のテスト結果はテーブル 1 と 2 にまとめます。伸長率 (表 2) の違いは、打っているし、高分子材料の力学的挙動の間大きな変化を示します。強度変化は、有意に低い値を示す HDPE だけ幾分より小さいです。非常に延性と HDPE の軟化に弾性アクリル脆性から行動範囲。

表 1: 生データのサマリーです。

図 9: 応力-ひずみの比較曲線、テストすべてのポリマーのための 50% のひずみにします。

表 2: 結果の要約。

図 9 は、いくつかのポリマーの荷重-変形特性の大きい変化を示します。 動作範囲から純粋に強い弾性と脆性アクリル標本のソフト、高粘弾性、HDPE のため非常に延性。 これらは熱可塑性 (HDPE、ナイロン、塩ビ) に熱硬化性樹脂 (アクリル) の極端な特性を反映します。頻繁に使用されている PVC 終了私たちのビルや家屋のパイし、強さ、粘弾性・靭性の良いバランスを示して ことに注意してくださいに興味深いものです。

土木工学では、ポリマー、コーティング、シーリング材、接着剤、サイディング、パイプ、pipeliners、ジオテキ スタイル、ジオグリッド、ジオメンブレン、内装仕上材、修理、修復、要素と同様外装構造の使用されます。アメリカ合衆国におけるプラスチック産業が非常に大きいと 2014年中をほぼ 100 万ジョブおよび $ 3080 億工業出荷に占めます。木材、ゴム、綿、革などの商業分野だけでなく、生物学、タンパク質、酵素、澱粉などの分野で使用される多くの自然なポリマーもあります。タッパーとテイクアウト食品容器の 1 つを使用して、外食時もはポリマーから成っています。