Polymera Material!!! Konstruktionsmaterial, 4H1068 Introduktion till Polymera material. Polymera material Cirkapriser (1999)

Transkript

1 Konstruktionsmaterial, 4H1068 Introduktion till Polymera Material!!! Vad är polymera material? Ordet polymer härstammar från grekiskan, poly (=många) och mer (=enhet) En polymer är en molekyl sammansatt av många små molekylenheter (monomerer) som kemiskt är bundna till varandra så att de tillsammans bildar en makromolekyl (polymer) Granulat av polymert material (råmaterial) Monomer Polymer Adjunkt Anders Eliasson KTH/Metallernas gjutning Historia Cirkapriser (1999) Bulkplaster*, dvs de plaster som tillverkas i stora volymer ligger relativt lågt i pris, medan konstruktionsplaster är betydligt dyrare. Produktgrupper Val av Material Produktgrupper för polymera material Plast» Termoplast» Härdplast Gummi» Naturgummi» Syntetgummi Film Fibrer» T.ex nylon- och polyesterfibrer Lim Bestrykningsmedel och Bindemedel» målarfärg Egenskaper för polymera material kännetecknas generellt av: Fördelar» Låg densitet» God el/värmeisolationsförmåga» God ljud/stötdämpning» God korrosionsbeständighet Nackdelar» Hög värmeutvidgning» Dålig värme-/uv-/kemikaliebeständighet» Viskoelastisitet» Statisk uppladdning

2 Generell indelning Produktgrupper Plast - gummimaterial Plaster - Elaster Termoplaster» Polyeten (PE)» Polypropen (PP)» Polystyren (PS)» Polyvinylklorid (PVC) Plastmaterial Materialen är mer eller mindre hårda och formbeständiga vid användningstemperaturen. Härdplaster: Nätverkspolymerer Termoplaster: Linjära och grenade polymerer Gummimaterial (Elaster) Gummimaterial är mycket elastiska. De töjs vid belastning och återfår sin ursprungliga dimension efter avlastning. Härdplaster» Fenolplast, Fenolformaldehyd (PF), Bakelit» Aminoplast, Ureaformaldehyd (UF)» Esterplast, Omättad polyester (UP)» Epoxiplast (EP)» Polyuretanplast (PUR) Elaster (gummimaterial)» Naturgummi» Syntetgummi» Termoelaster Plastmaterial Plastmaterial Amorf-, kristallin struktur Plastmaterial är mer eller mindre hårda och formbeständiga vid användningstemperaturen. Plastdetaljer formas vid förhöjd temperatur genom t.ex. pressning, sprutning eller gjutning. Termoplast Termoplaster innehåller linjära och grenade polymerer. Detaljer kan omformas vid förhöjd temperatur och återigen bli formstabila efter nedkylning. Ex Polyeten (PE), Polystyren (PS) Härdplast Härdplaster bildar ett nätverk genom kemiska tvärbindningar mellan molekylerna. Nätverket är irreversibelt vid förhöjd temperatur. Detaljen kan därför ej formas om utan molekylär (kemisk) nedbrytning. Ex melamin-formaldehyd (MF), polyester (UP), polyuretan (PUR), epoxiplast (EP). Termoplaster är amorfa eller delkristallina Vid höga temperaturer kan polymerkedjorna lätt ändra konformation (som nykokt spagetti). När en polymer svalnar och övergår i fast fas, kan det molekylärt ske som: A) Amorf polymer struktur B) Polymer kristallisation En schematisk bild av en polymerkedjas morfologi a) amorft tillstånd b) kristallint tillstånd Elaster Den polymera molekylen En makromolekyl Ett gummimaterial (elaster) är mycket elastiskt. Det töjs då det belastas och återfår sin ursprungliga dimension efter avlastning. Naturgummi Ett polymert material vars råvara kan utvinnas ur en mängd växter, t.ex. gummiträdet. Naturgummi vulkaniseras (tvärbinder) med hjälp av svavel och därmed erhålls ett gummielastiskt material. Syntetgummi Syntetiskt framställt gummimaterial, t. ex. Nitrilgummi, silikongummi etc. Termoelaster Uppvisar både termoplastiska och gummielastiska egenskaper. Består av två ickeblandbara polymerkomponenter, varav den ena stelnar till en hård fas och den andra till en mjuk fas, t.ex styrenbutadientermoelast (skosulor). En makromolekyl bildas då ett stort antal mindre enheter kopplas samman genom kemiska reaktioner, sk polymerisation. Monomer Polymer En polymerkedja kan liknas vid ett pärlhalsband, där varje pärla representerar en monomerenhet. Det finns repeterande enheter i varje kedja. Polymermolekylerna kan vara linjära, grenade, tvärbundna eller bilda tredimensionella nätverk.

3 Den polymera molekylen Den polymera molekylen Intermolekylära krafter Polymerkedjemorfologi Van der Waalskrafter (Londonkrafter) Dipolkrafter Vätebindningen Små molekyler har få intermolekylära krafter. En polymerkedja bestående av många atomer gör att summan av dessa ändå blir betydande. En polymerkedja har en tredimensionell arkitektur: A) Linjär polymerisation. B) Grenad polymer. C) Blocksampolymer. D) Kampolymer. E) Stjärnpolymer. F) Tvärbunden. Amorfa polymerer och begreppet glastransition Gummi och gummielasticitet Glastransitionstemperaturen - T g Den temperatur (vid uppvärmning) vid vilken kedjesegment om atomer i huvudkedjan börjar röra sig samordnat. Gummielasticitet a) b) Tillstånd hos gummielastiskt nätverk a) hopvecklat b) utsträckt En fullständig amorf polymer smälter aldrig. Smältning är en process förbehållen kristallina ämnen. Amorfa polymerer smälter inte, då de inte innehåller några kristaller, amorfa polymerer genomgår en glastransition. Snabb och stor töjningsförmåga vid dragpåkänning (5-10x ursprunglig längd) Låg dämpning (värmeförlust) Hög styrka och styvhet i sträckt tillstånd Snabb och fullständig återhämtning efter avlastning Gummi och gummielasticitet Naturliga Polymerer Biopolymerer Gummielasticitet Högmolekylära material i naturen Många högmolekylära material återfinns i naturen Proteiner, är uppbyggda av 20 olika aminosyror Polysackarider, är uppbyggda av kolhydrater Lipider (fettsyror) Nukleinsyror (Humus, Bärnsten, Terpener, Asfalt) Teoretiskt och experimentellt spännings-töjningsdiagram vid sträckning av gummiband. Hög molekylvikt Hög kedjerörlighet (amorf struktur) Måttlig tvärbindning av kedjorna Förmåga att kristallisera i sträckt tillstånd (ger styrka) Ved och dess polymerer Cellulosa Hemicelluloser Lignin

4 Naturliga Polymerer Ved och dess polymerer Ved består av polymererna cellulosa, hemicellulosa och lignin: Utmärkande för polymera materials egenskaper är att de är kraftigt temperatur och tid beroende. Hemicellulosa Cellulosa Lignin Viskoelasticitet Årsringar i ved Ljusa vårvedsceller och mörka sommarvedceller E-modul påverkan I biokompositen ved utgör cellulosa fibern, hemicellulosan fungerar som matris och lignin limmar samman cellulosan och hemicellulosan. förändrar sina mekaniska egenskaper under olika yttre betingelser som tid, temperatur, belastning, bearbetning mm Viskoelasticitet En polymers styrka s mekaniska egenskaper är både tidsberoende och tidsoberoende Mekanisk hållfasthet PAN: Polyakrylnitril, PE: Polyeten. En plastdetaljs deformation under belastning. Då ett polymert material belastas sker både en momentan (elastisk) töjning och en viskös (plastisk) deformation. Efter avlastning återgår en del av deformationen, den elastiska, medan den viskösa delen kvarstår. En polymers styrka, kohesion, beror av summan av de intermolekylära krafterna. Dessa ökar med: Tätpackning av kedjorna Kedjelängd (densitet) (Kedjeintrassing) Spänning-Töjning Spänning-Töjning Dragprovning av polymera material Segt och sprött σ y : Flytspänning σ b : Brottspänning ε y : Flyttöjning ε b : Brottöjning Hög E-modul: styvt material Hög σ b : hög hållfasthet Hög ε b : segt material

5 E-modul påverkan Bearbetningsmetoder Temperaturen Molekylvikten Tvärbindningar Kristallinitet Efter avslutad polymerisation måste man forma sin polymer till den produkt man vill ha. Problem Tvärbundna polymerer (härdplaster) kan inte formas när de väl tvärbundits Termisk nedbrytning pga uppvärmning till flytande tillstånd Lösning Additiv (tillsatser för att underlätta bearbetning)» mjukningsmedel» Värmestabilisatorer» Släppmedel Additiv Bearbetningsmetoder Additiv tillsätts för att förbättra materialets egenskaper, antingen under bearbetning eller i den slutliga produkten. Värmestabilisatorer» Hindrar nedbrytning under bearbetning Smörjmedel Mjukningsmedel» Gör materialet mjukare och lättare att bearbeta Antistatmedel Antioxidanter Ljusstabilisatorer Flamskyddsmedel Antiblockmedel Fyllmedel Armeringsmedel Med bearbetning avses här formning med värme och tryck Intermittenta processer (satsvis) Formsprutning (termoplaster) Formpressning (härdplaster) Sprutpressning Formblåsning Rotationsgjutning Vakuumformning Kontinuerliga processer Strängsprutning (termoplaster) Filmblåsning Kalandrering s bearbetning Formsprutning s bearbetning Formpressning Formsprutning (injection moulding) Formpressning (compression moulding) Maskinen består av två delar: sprutenhet, där polymeren bearbetas till en homogen massa av en skruv och formlåsningsenheten som låser formrummet. Används huvudsakligen för termoplaster och ger även en fördelaktig struktur av polymeren. Polymeren placeras mellan en fast och en rörlig formdel. Polymern värms av formhalvorna, formen stängs och polymeren flyter ut och fyller formrummet. Används huvudsakligen för härdplaster.

6 s bearbetning Formblåsning s bearbetning Rotationsgjutning Formblåsning Rotationsgjutning Varmt material förs in i formen mha av en form-, eller strängspruta. Med hjälp av tryckluft trycks plasten mot formens väggar och en hålkropp bildas. Formblåsning är en metod för framställning av ihåliga detaljer av termoplaster. En uppvärmd form fylls med plast i pulverfom och får rotera. Pulvret smälter och fördelar sig jämnt över formens väggar. Rotationsgjutning är en billig och enkel metod att framställa stora hålkroppar (rör) och hålkroppar i korta serier av termoplaster och vissa härdplaster. s bearbetning Vakuumformning s bearbetning Strängsprutning Vakuumformning Strängsprutning (extrusion) Vakuumformning av plast innebär att skivor i olika termoplaster som tex polykarbonat (PC), ABS, styren-plast (PS) och akrylplast utsätts för upphettning till mellan 100 C och 160 C beroende på plastsort för att därefter formas över ett verktyg (varmformningsmetod). Strängsprutning är en kontinuerlig formningsprocess. Detaljer som tillverkas genom strängsprutning är rör, slang, profiler och film. Används för termoplaster. s bearbetning Filmblåsning s bearbetning Kalandrering Filmblåsning (blowing) Kalandrering (calendering) Genom att förse en strängsprutningsmaskin med ett blåshuvud med en ringformig spalt kan film tillverkas i en kontinuerlig process. Används för termoplaster. En kontinuerlig process för att tillverka folie och film. Materialet smälter och häftar mot valsarna och matas in mot spalten. Polymermassan matas vidare och får en väldefinierad tjocklek medan det svalnar och bildar en film. Används för termoplaster.