background image

 

PODSTAWY  NAUKI  O  MATERIAŁACH 
 
Ć

wiczenie: B2-016 

Miejsce ćwiczenia laboratoryjnego:

  

                                    pawilon B2 niski parter  pok. 016 

Temat ćwiczenia:  

POMIAR WŁAŚCIWOŚCI 

LEPKOSPRĘŻYSTOSTYCH POLIMERÓW 

 
Prowadz
ący ćwiczenia: dr inż. Marcin Kot – pawilon B2 niski parter pok. 016 
                                                                  Tel. 012  617  3420 
   

 

Cel ćwiczenia:   

Analiza właściwości lepkosprężystych polimeru PTFE  

i  kompozytów na osnowie PTFE w temperaturach 20 i 80

o

C. 

 
1. Wprowadzenie: 

 

Odkształcenia materiałów konstrukcyjnych wywołanych przez obciążenia zewnętrzne 

obliczamy wykorzystując liniową zależność tych dwóch wielkości. Gdy odkształcenia są małe 
to  możemy  powiązać  je  z  naprężeniami  przy  użyciu  stałych  sprężystości  takich  jak  moduł 
sprężystości podłużnej E, poprzecznej G. Dla materiałów lepkosprężystych moduły te zależą 
od  czasu,  a  istota  tej  zależności  stanowi  podstawowy  przedmiot  fenomenologicznych  badań 
lepkosprężystości.  Bardzo  ważnym  parametrem  jest  także  temperatura,  ponieważ  dla 
polimerów  stałe  sprężystości  zmieniają  się  w  znaczący  sposób  po  przekroczeniu  
charakterystycznych temperatur: mięknięcia i płynięcia.  

Tworzywa  sztuczne  termoplastyczne  (elestomery)  wykazują  w  porównaniu  do  innych 
materiałów  np.  metali  znacznie  wyższą  zdolność  do  odkształceń.  Ogólnie  ujmując 
odkształcenie  sumaryczne  zachodzące  w  tworzywie  sztucznym  jest  sumą  trzech  rodzajów 
odkształceń:  

pl

vis

spr

c

ε

+

ε

+

ε

=

ε

   

 

 

 

(1)

 

Z  podanego  wyrażenia  wynika,  że  w  tworzywach  sztucznych  mogą  występować 
odkształcenia sprężyste 

spr

ε

, lepkosprężyste 

vis

ε

 i plastyczne 

pl

ε

.  

Odkształcenia  sprężyste  są  odkształceniami,  które  zanikają  po  usunięciu  obciążenia, 
natomiast odkształcenia lepkosprężyste również mają charakter odkształceń powrotnych czyli 
sprężystych, przy czym ich nie jest natychmiastowy lecz opóźniony, zachodzi w określonym 
czasie, zwanym czasem relaksacji - t

rel

 

RT

U

rel

e

t

t

=

0

 

 

 

 

 

 

(2) 

gdzie: 

 - energia aktywacji zmiany miejsca atomu, R - stała gazowa, T - temperatura,  

t

o

 - stała charakterystyczna dla danego tworzywa. 

background image

 

   

 

Czas relaksacji zależy wykładniczo od temperatury. Wynika stąd, że w niskich temperaturach, 
gdy   

,  czas   

  ,  zaś  w  wysokich  temperaturach,  gdy   

  czas  

  .  

Istnieje  wiele  modeli  mechanicznych  obrazujących  własności  reologiczne  tworzyw 
sztucznych – ciał lepkosprężystych. 

 

  Rys.1.  Modele mechaniczne ciał o złożonych właściwościach reologicznych.  

        a) Kelvina-Voigta   b) Maxwella 

c) Binghama 

 

 

Typowy  przebieg  krzywej  odkształcenia  polimeru  przy  obciążeniu  stałą  siłą  przedstawia 
rys.2.  Z  przebiegu  krzywej   wynika,  że  po  natychmiastowym  odkształceniu  sprężystym  
o wartości równej odcinkowi OA następuje z biegiem czasu, przy stałym naprężeniu, dalsze 
odkształcenia  odpowiadające  odcinkowi  AB.  Na  odcinku  tym  krzywa  zbliża  się 
asymptotycznie  do  linii  płynięcia  PP

1

,  co  świadczy  o  przekształceniu  odkształcenia 

elastycznego  (inaczej  sprężystego  opóźnionego  )  w  płynięcie  czyli  odkształcenie  plastyczne  
(trwałe). Odkształcenie na odcinku AB jest zatem sumą ε

el

 i ε

vis.

.  

 

Rys. 2. Odkształcenia występujące w polimerach liniowych 

ε

= f(t)  

background image

 

 
Po  upływie  czasu  t

usunięte  zostaje  obciążenie  i  próbka  dąży  do  osiągnięcia  stanu 

pierwotnego,  zgodnie  z  krzywą  BCD.  Proces  ten  przebiega  w  dwóch  etapach.  Najpierw 
następuje  powrót  natychmiastowy  (odcinek  BC)  czyli  zanik  odkształcenia  sprężystego 
natychmiastowego ( ε

sp

 ), a po nim powrót opóźniony (odcinek CD), czyli zanik odkształcenia 

elastosprężystego  (  ε

el

  )  w  określonym  czasie  reakcji.  Próbka  nie  odtwarza  jednak  swej 

pierwotnej  długości,  gdyż  w  czasie  działania  naprężenia  odkształcającego  wystąpiło  jego 
płynięcie (według  prostej PP

)

 

, wywołując odkształcenie plastyczne (ε

pl

).  

 

Dzięki  występowaniu  w  tworzywach  sztucznych  o  strukturze  liniowej  odkształcenia 

elastycznego  wykazują  one  tzw.  pamięć  formy  (  kształtu  pierwotnego  ),  które  to  zjawisko 
wykorzystywane  jest  w  technice  i  medycynie.  Określony  element  z  tworzywa  możemy 
odkształcić    elastycznie  np.  dla  umieszczenia  w  nim  aparatury  badawczej,  a  następnie  po 
podgrzaniu przyjmuje on ponownie pierwotną formę ( kształt ). 

Każde 

tworzywo 

sztuczne 

posiada 

określoną 

wartość 

tzw. 

temperatur 

charakterystycznych. Pierwsza z nich to temperatura mięknienia - T

m

, która jest uważana za 

najważniejszą,  gdyż  oddziela  od  siebie  tzw.  stan  szklisty  od  stanu  wysokoplastycznego. 
Temperatura  mięknienia  jest  dlatego  też  w  niektórych  podręcznikach  zwana  temperaturą 
zeszklenia  -  T

z

  (  poniżej  tej  temperatury  tworzywo  przechodzi  w  stan  szklisty  ).  Drugą 

charakterystyczną  temperaturą  jest  temperatura  płynięcia  -T

p

  (rys.  3),  w  odniesieniu  do 

tworzyw o przewadze struktury bezpostaciowej ( amorficznej ) lub  temperatura topnienia w 
odniesieniu  do  tworzyw  o  przewadze  struktury  krystalicznej.  Trzecią  temperaturą 
charakterystyczną  jest  temperatura  kruchości  T

oddzielająca  w  stanie  szklistym  (  lub 

twardym  dla  tworzyw  o  znacznej  krystaliczności  )  podstan  wymuszonej  elastyczności  od 
stanu kruchego (nieciągliwego ). 

W  zależności  od  stanu  fizycznego  w  jakim  znajduje  się  tworzywo  wykazuje  ono  różną 
zdolność  do  odkształceń  co  ilustrują  uzyskane  wykresy  rozciągania  przedstawione  
na rysunku 3. 

 

2. Organizacja cwiczeń: 

- ćwiczenie trwa 90minut, 
- ćwiczenie obywać się będzie w laboratorium 016-B2 
- obecność na ćwiczeniu jest obowiązkowa. 

 
3. Zaliczanie ćwiczenia: 

Warunkami zaliczenia ćwiczenia są: 
-  obecność na ćwiczeniach. 
-  poprawne odpowiedzi na pytania z zakresu ćwiczenia 
-  opracowanie sprawozdania z ćwiczenia 

background image

 

   

 

Rys. 3.  Stany fizyczne w powiązaniu z krzywymi rozciągania na przykładzie tworzywa  

o strukturze liniowej i małym stopniu krystaliczności  

 
4. Pomiar modułu relaksacyjnego badanych materiałów 

 
Pomiar  odbywa  się  metodą  wciskania  stalowej  kuli  w  powierzchnię  badanego  materiału. 
Podczas  pomiaru  mierzona jest  z  dużą  dokładnością  siła  nacisku  (dokładność  0,15mN)  oraz 
głębokość penetracji (0,3nm). Cały cykl obciążenia w czasie przedstawiono na rys. 4.  

Rys. 4. Przebieg czasowy obciążenia  
 
Interesującym ze względu na pomiar płynięcia próbki jest zakres czasu w którym obciążenie 
jest  stałe  –  czyli  zakres  120s  po  osiągnięciu  maksymalnego  obciążenia.  W  trakcie  trwania 
tego  okresu  czasu  przy  stałym  obciążeniu  kula,  która  jest  wciskana  w  powierzchnię  próbki 

P [N] 

t [s] 

120 

background image

 

(rys.  5),  coraz  bardziej  się  zagłębia.  Wartość  początkowa  modułu  sprężystości  próbki  może 
być obliczona z teorii Hertza (zakładamy małe odkształcenia w porównaniu ze średnicą kuli).  
W  miejscu  styku  dwóch  ciał  sprężystych  (zakładamy,  że  w  czasie  pierwszych  5  sekund 
pojawiają  się  tylko  takie  odkształcenia),  dociśniętych  do  siebie  pewną  siłą,  pojawią  się  na 
niewielkim  obszarze  wzajemnego  zetknięcia  się  ciał  naprężenia,  które  nazywa  się 
kontaktowymi lub stykowymi. Występują one zwykle na małych powierzchniach stykających 
się  ciał  i  osiągają  znaczne  wartości.  Podstawowe  teoretyczne  zagadnienia  wyznaczenia 
naprężeń kontaktowych opisuje teoria Hertza. 

2a

2

a

1

2

x

p

m

a

x

r

2

 = oo

r

1

 = r

r

P

y

 

 
Rys. 5. Zagadnienie naprężeń stykowych dla geometrii kula-płaszczyzna 
 
Głębokość penetracji h jest związana z siłą P oraz właściwościami sprężystymi dociskanych 
ciał E

1

 i E

2

 zależnością: 

3

2

2

1

2

1

1

775

0





+

=

E

E

r

P

,

h

 

 

 

 

 

(3) 

gdzie: r – promień wciskanej kuli – 0,5mm 
 

E

1

 – moduł Younga materiału kuli – 210.000MPa 

1 i 2 – indeksy oznaczające stykające się ciała; 

Mając  w  sposób  ciągły  mierzone  głębokość  penetracji  oraz  siłę  możemy  przekształcając 
zależność  (3)  obliczyć  w  każdej  chwili  czasowej  moduł,  który  nazywa  się  modułem 
relaksacyjnym
  (zależnym  od  czasu)  badanego  polimeru  czy  kompozytu  polimerowego. 
Zmiany tego modułu w czasie przybliża się zależnością  

ret

t

t

r

e

E

E

=

0

 

 

 

 

 

 

(5) 

gdzie: E

0

 to moduł obliczony dla t=0s, 

t

ret

  –  stała  czasowa  wyznaczana  dla  materiałów  polimerowych  nazywana  czasem 

retardacji. 

 
 
 
 

background image

 

4.

  Opis stanowiska badawczego 

 
Badania  zostaną  przeprowadzone  na  stanowisku  Micro-Combi-Tester  (MCT)  (rys.  6),  które 
umożliwia  pomiar  głębokości  penetracji  oraz  siły  obciążającej  z  wymaganą  dokładnością. 
MCT  szwajcarskiej  firmy  CSEM  jest  precyzyjnym  urządzeniem  przeznaczonym  do 
wyznaczenia  mikromechanicznych  właściwości  materiałów  oraz  cienkich  warstw.  Jest 

wyposażony  w  system  zbierania  i  archiwizacji 
wyników pomiarowych. 
 

Badaną  próbkę  umieszcza  się  na  stole 

roboczym.  Następnie  przeprowadza  się  pomiar 
polegający  na  wciskaniu  wgłębnika  w  próbkę  z 
zadanym  obciążeniem  i  szybkością  obciążania  w 
dowolnym cyklu czasowym. 
  
 
 
 
Rys. 6. Widok urządzenia MCT 
 
 

 
 
 
 

 

4.1. Badane materiały 
 
Próbkę  stanowi  odpowiednio  przygotowany  walec  o  średnicy  10mm  wykonany  z  polimeru 
bądź  kompozytu  polimerowego,  natomiast  przeciwpróbkę  -  wgłębnik  ze  stalową  kulką  
o średnicy r = 1 mm (E

2

 = 210 GPa, ν

2

 = 0,3). 

Przedmiotem  badań  są  kompozyty  tarflenowe,  których  producentem  są  Zakłady  Azotowe  
w Tarnowie: 

  Polimer PTFE – Tarflen 
  Kompozyt PTFE+40%brązu 
  Kompozyt PTFE+30% grafitu 

PTFE (teflon) – jest to tworzywo termoplastyczne o budowie krystalicznej. 
Wyróżnia  się  dużą  odpornością  na  działanie  wszelkich  rozpuszczalników,  chemikaliów  
i  wody,  jest  niepalny,  zachowuje  własności  mechaniczne  w  zakresie  temperatur  od  -100  
do 300 °C. Jedną z podstawowych zalet tego tworzywa jest bardzo mały współczynnik tarcia 
(µ = 0,04 – 0,10). 

 

4.2. Przygotowanie próbek  
 
Próbki  do  badań  powinny  być  odpowiednio  przygotowane.  Należy  je  wcześniej  dokładnie 
oczyścić  z  wszelkich  zanieczyszczeń,  które  mogły  powstać  np.  podczas  kontaktu  próbki  z 
palcami.  Ważne  również  jest  aby  przygotowana  próbka  posiadała  jak  najmniejszą 
chropowatość powierzchni, która również wpływa na wynik pomiaru. 
 
 
 

background image

 

4.3. Przebieg badania 
 
Próbkę po wstępnym oczyszczeniu należy zamocować na stole roboczym twardościomierza, 
który  należy  uruchomić  na  pół  godziny  przed  przeprowadzeniem  pomiaru.  Wartości 
maksymalnego  obciążenia  i  prędkości  jego  narastania  są  zadawane  z  komputera  poprzez 
program służący do obsługi mikrotwardościomierza  Pomiaru zagłębiania w cyklu czasowym 
przedstawionym na rys. 4 i maksymalnej sile P=1N dokonujemy w dwóch temperaturach – 20 
i  80

o

C.  Wyniki  pomiarów  głębokości  penetracji  i  siły  będą  przekazane  po  zakończeniu 

ć

wiczenia w postaci plików *.dat. 

 
5.

  Opracowanie wyników badań 

 

Na  podstawie    danych  oraz  znając  dodatkowo  promień  wgłębnika    r  [µm],  wartość 

modułu Younga E

2

 [MPa] i współczynniki Poissona ν

1

 i ν

2

 można wyznaczyć charakterystyki 

obrazujące  odkształcenia  jakie  zachodzą  w  badanym  polimerze  w  dwóch  temperaturach. 
Wartość modułu Younga E

1

 badanego polimeru wyznacza się z zależności: 

 

                   

3

2

2

2
2

1

2

1

2

1

1

775

0



+

=

E

ν

E

ν

r

P

,

h

 

 

gdzie:  r = 0,5 [mm] , ν

1

 =0,4 , ν

2

 =  0,3 , E

2

 =210 [GPa] . 

 
Przykładowy wykres uzyskany z dla polimeru PTFE w dwóch temperaturach przedstawiono 
na rysunku 7. 

 
Rys. 7. Wykres zależności  E

r

=f(t) dla PTFE w temperaturze 20 i 80

°

C. 

 
Aby  poddać  analizie  właściwości  lepkosprężyste  w  różnych  temperaturach  sporządzono 
wykres 8, na którym pokazano zmiany modułu relaksacyjnego normalizując oś y do wartości 
E(t=0s) 

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0

20

40

60

80

100

120

140

Czas [s]

M

o

d

u

l r

e

la

ks

a

c

y

jn

y

 [M

P

a

]

T 20C

T 80C

background image

 

 

 
Rys. 7. Unormowane zmiany  E

r

=f(t) dla PTFE w temperaturze 20 i 80

°

C.

 

 
Sprawozdanie powinno zawierać: 
 
Sprawozdanie powinno zawierać: 
  Wykresy z przebiegami czasowymi głębokości penetracji i siły działającej na wgłębnik, 
  Wykresy zależności zmian modułu relaksacyjnego E

r

(t) dla wszystkich badanych, 

materiałów przy temperaturze 20 i 80

o

C, 

  Dla wszystkich badanych materiałów należy sporządzić wykres zmian unormowanego 

modułu relaksacyjnego dla różnych temperatur 20 i 80

o

C, 

  Analizę wyników badań oraz wnioski 

 
 
 
Literatura: 
1.  Ferry J. D.: Lepkosprężystość polimerów. WNT. Warszawa 1981 
2.  Szlezyngier  W.:  Podstawy  reologii  polimerów.  Wydawnictwo  Uczelniane  Politechniki 

Rzeszowskiej 1994 

3.  Nielsen  L.  E.,  Landel  R.  F.:  Mechanical  properties  of  polymers  and composites.  Marcel 

Dekker Inc. New York 1994  

4.  Grupta R. K.: Polymer and composite reology. Marcel Dekker Inc. New York 2000  

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0

20

40

60

80

100

120

140

Czas [s]

M

o

d

u

l r

e

la

ks

a

c

y

jn

y

 [

M

P

a

]

T 20C

T 80C