Kursinformation. Materiallära för Maskinteknik, 4H1063, 4p. Repetion: De vanligaste korrosionstyperna. Repetion: Korrosionscell

Transkript

1 Materiallära för Maskinteknik, 4H1063, 4p kristallina amorfa Adjunkt Anders Eliasson KTH/ITM/Metallernas gjutning Schematisk uppbyggnad av delkristallin polymer Föreläsning 12: Polymerer och polymera material Förstå material Välja material Utveckla material Kursinformation Kontakta Matilda Tehler, vid ej gk labtest. Testet är en del av laborationen och både lab+test måste vara gk för att få gk på labmomentet. Kontakta Matilda Tehler, om du inte har gjort en lab, av någon anledning... Kontrollskrivningen: Resultat av KS anslås senast på Teknologexpeditionen, MSE, BR23, (jag tar även med listan till min sista föreläsning 8/12, om jag är klar med rättningen då). Kurslitteratur, W.D. Callister, Fundamentals of Materials Science and Engineering: An Integrated Approach, 2nd Ed, John Wiley and Sons, Inc. (2005), får ni köpa via en vanlig eller en internet-bokhandel. Både bok och medföljande CD- ROM, ca pris: 450 kr. Schema med angivande av föreläsningsinnehåll och pdf-filer av föreläsningar finns på kursens hemsida: Obs: Hemsidan är inte statisk utan uppdateras kontinuerligt. Repetion: Korrosionscell 4 Repetion: De vanligaste korrosionstyperna Anodreaktion: M M e - 2. Katodreaktion: 2H + + 2e - H 2 3. Elektronledare (metallen) 4. Jonledare (vattenlösningen) Repetion: Elektrodpotential En metall (M) omges av en vattenlösning innehållande joner av metallen (M n+ ). Ett utbyte sker mellan metallen och lösningen M M n+ +ne - varvid metallen antar en elektrodpotential Repetion: Redoxpotential Mått på det korrosiva mediets oxiderande/reducerande förmåga. Hög redoxpotential: Mediet innehåller ämnen (tex Fe 3+ ), som tar emot elektroner från metallen så att metallens elektrodpotential höjs. Låg redoxpotential: Mediet innehåller ämnen (tex Fe 2+ ), som avger elektroner till metallen så att metallens elektrodpotential sänks. 1

2 Repetion: Korrosionsskydd - Val av optimalt material - Val av rätt design - Ändring av miljön - Ändring av elektrodpotential -Beläggning med skyddande organisk eller oorganisk film Föreläsning 12 Polymerer och polymera material Viktigt... Vilka är mikrostrukturens viktigaste kännetecken? Hur påverkar dessa de mekaniska egenskaperna? Hur är det med anisotropi, härdning och värmebehandlingar för polymerer? Hur tillverkas polymera material? Vad är polymera Material? Polymera material - Historia 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 (en polymer) Polymera material har under längre tid använts av människan (Bitumen, rågummi etc) men i syntetisk raffinerad form började det användas kring 1800-talets mitt. Monomer Polymer Polymera material - Cirkapriser (1999) Bulkplaster*, dvs de plaster (termo plaster) som tillverkas i stora volymer ligger relativt lågt i pris, medan konstruktionsplaster (härdplaster) är betydligt dyrare. Produktgrupper för Polymera material Plast Termoplast Härdplast Gummi Naturgummi Syntetgummi Film Fibrer T.ex nylon- och polyesterfibrer Lim Bestrykningsmedel och Bindemedel målarfärg 2

3 Egenskaper för polymera material Polymera material - Generell indelning 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 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. Plastmaterial Gummimaterial (Elaster) Termoplaster Polyamid (PA), Amidplast (Nylon) Polyeten (PE), Etenplast Polypropen (PP), Propenplast Polystyren (PS), Styrenplast Polyvinylklorid (PVC), Vinylkloridplast Härdplaster Fenolplast, Fenolformaldehyd (PF), Bakelit Aminoplast, Ureaformaldehyd (UF) Esterplast, Omättad polyester (UP) Epoxiplast (EP) Polyuretan (PUR), Uretanplast Elaster (gummimaterial) Naturgummi Syntetgummi Termoelaster Termoplaster och härdplaster (I) 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 och härdplaster (II) T lättflytande smälta kristallin viskös smälta Callister, gummi Fig hårdplast Tsmält Tglas delvis kristallin Amorfa och delkristallina termoplaster (I) 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 Molekylvikt Härdplaster: -- Stor andel tvärbindningar (10 till 50% av mererna) -- Hårda och spröda -- Mjuknar INTE vid värmning -- Vulkaniserat gummi, epoxy, polyester, fenolhartser Termoplaster: -- Få tvärbindningar -- Duktila -- Mjuknar vid värmning -- Polyeten Polypropen Polykarbonat Polystyren A B En schematisk bild av en polymerkedjas morfologi a) amorft tillstånd b) kristallint tillstånd 3

4 Amorfa och delkristallina termoplaster (II) Polymera material - Elaster kristallina amorfa Exempel: ABS-plast % Kristallisation (% av materialet som är kristallint) -- σ B och E-modul ökar med ökande kristallisation. -- Uppvärmning medför att kristallisationen ökar (större rörlighet). 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. Nitril-gummi, silikongummi etc. Termoelaster Uppvisar både termoplastiska och gummielastiska egenskaper. Består av två icke-blandbara polymerkomponenter, varav den ena stelnar till en hård fas och den andra till en mjuk fas, t.ex styrenbutadientermoelast (skosulor). Gummi och gummielasticitet (I) Gummi och gummielasticitet (II) Tillstånd hos gummielastiskt nätverk a) hopvecklat b) utsträckt Obs, det är tvärbindningarna som ger elasticiteten!!! Teoretiskt och experimentellt spänningstöjningsdiagram vid sträckning av gummiband. 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 Hög molekylvikt Hög kedjerörlighet (amorf struktur) Måttlig tvärbindning av kedjorna (ett krav för elasticitet) Förmåga att kristallisera i sträckt tillstånd (ger styrka) Elektriskt ledande gummi Det är metall, det är gummi, det är... Företaget Nanosonics, har tagit fram elektriskt ledande gummi som är böjligt, elektriskt och har god ledningsförmåga. Materialet har utvecklats av Prof. Claus på Virginia Tech. Det är inte riktig gummi, utan en kombination av polymerer och metalliska molekylkluster. Det är ett material som tillverkar sig själv!!!. Atomer och molekylgrupper kombinerar sig självmant, under rätt omständigheter, till det nya materialet. Det tar ca en timme innan materialet blir 1 mm tjockt. Materialet beskrivs som extremt slitstarkt. Det tål kyla, hetta och slag. Det kan tänjas till 200 eller 300 procent av sin längd. Ett gummiliknande elektriskt ledande material har många användnings. Vanliga elektriska ledningar kan göras elastiska, eftersom de inte behöver innehålla koppartråd. Man kan också tänka sig böjliga kretskort, antistatiskt gummi och sensorer som tål hårda påkänningar. Nanosonic nämner också artificiella nerver och föremål som kan ändra form. Naturliga Polymerer - Biopolymerer 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) Ved och dess polymerer Cellulosa Hemicelluloser Lignin 4

5 Ved och dess polymerer Ved består av polymererna cellulosa, hemicellulosa och lignin: Hemicellulosa Cellulosa Lignin Årsringar i ved Ljusa vårvedsceller och mörka sommarvedceller Naturliga Polymerer - Trämaterial Olympus utvecklar digitalkamera i trä Kameratillverkaren Olympus har börjat undersöka trä som material till elektroniska produkter. Genom en komprimeringsteknik blir trä:et väldigt slitstarkt samtidigt som det är får ett estetiskt tilltalande utseende. Komprimeringstekniken (three-dimensional compression molding) gör att man kan tillverka tunna träbitar mycket starkare än med exempelvis ABS-plast eller polykarbonater (plexiglas), vilket gör dem mycket lämpliga som höljen för digitalkameror. I biokompositen ved utgör cellulosa fibern, hemicellulosan fungerar som matris och lignin limmar samman cellulosan och hemicellulosan. Från träbit till kameraskal - En prototyp av en digitalkamera. Den polymera molekylen - En makromolekyl En makromolekyl bildas då ett stort antal mindre enheter kopplas samman genom kemiska reaktioner, sk polymerisation. Polymera molekylens egenskaper Intermolekylära krafter Van der Waalskrafter (Londonkrafter) Dipolkrafter Vätebindningen Monomer Polymer Små molekyler har få intermolekylära krafter. 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. Enpolymerkedja bestående av många atomer gör att summan av dessa ändå blir betydande. Polymerkedjemorfologi Polymerers mikrostruktur och egenskaper Polymer = många merer mer mer mer H H H H H H H H H H H H H H H H H H C C C C C C C C C C C C C C C C C C H H H H H H H Cl H Cl H Cl H CH3 H CH3 H CH3 Polyeten (PE) Polyvinylklorid (PVC) Polypropen (PP) Olika merer ger olika egenskaper Kovalenta bindingar i kolkedjan ger styrka: En polymerkedja har en tredimensionell arkitektur: A) Linjär polymerisation. B) Grenad polymer. C) Blocksampolymer. D) Kampolymer. E) Stjärnpolymer. F) Tvärbunden. sekundär bindning Linjär Förgrenad Tvärbunden Nätverk Ökande hårdhet 5

6 Amorfa polymerer och glastransition En polymers styrka Glastransitionstemperaturen - T g Den temperatur (vid uppvärmning) vid vilken kedjesegment om atomer i huvudkedjan börjar röra sig samordnat. PAN: Polyakrylnitril PE: Polyeten. 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. En polymers styrka, kohesion, beror av summan av de intermolekylära krafterna. Dessa ökar med: Tätpackning av kedjorna Kedjelängd (densitet) (Kedjeintrassing) Dragprovning av polymera material σ y : Flytspänning ε y : Flyttöjning σ b : Brottspänning ε b : Brottöjning Nära brott Spröda och plastiska polymerer utgångsstruktur parallell tvärbunden polymer nätverkspolymer σ(mpa) sprödbrott 60 x midjebildning duktilt brott 40 x delkristallin polymer avlast/pålast amorfa regioner förlängs 8 ε kristallina rätas ut kristallina glider nära brott Dragprov för elaster (t.ex. gummi) σ(mpa) start: amorfa kjedjor är hoptrasslade, tvärbundna 60 xsprödbrott Duktilt brott x elastomer ε 8 Deformationen är reversibel! Brott: : kedjorna är raka, fortfarande tvärbundna Jämfört med andra typerna av polymerer: --sprött brott (utdragna, tvärbundna och nätverkspolymerer) --duktilt brott (semikristallina polymerer) x Mekaniska egenskaper Tid/Temperatur Utmärkande för polymera materials egenskaper är att de är kraftigt temperatur och tidsberoende. Viskoelasticitet E-modul påverkan Polymera material förändrar sina mekaniska egenskaper under olika yttre betingelser som tid, temperatur, belastning, bearbetning mm 6

7 Polymera material - Viskoelasticitet Polymera materials mekaniska egenskaper är både tidsberoende och tidsoberoende Mekaniska egenskaper - E-modul påverkan Temperaturen En amorf plastdetaljs deformation under belastning. Molekylvikten 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. Mekaniska egenskaper - E-modul påverkan Tvärbindningar Kristallinitet Elasticitetmodulens temperaturberoende Figuren visar hur relaxationsmodulen för några olika varianter av polystyren (PS) beror på temperaturen. Övergången mellan område I och II är glasomvandlingen. Amorf PS s E-modul minskar kraftigt för temperaturer över glasomvandlingen. Tvärbunden (crosslinked) PS är elastisk för högre temperaturer medan ej tvärbunden PS mjuknar och smälter. De kristallina a i delkristallin PS smälter vid 230 o C. Log E (Pa) 10 8 I Semicrystalline 6 II Amorphous III Crosslinked IV 4 V Low M High M Temperature ( C) Logaritmen av relaxtionsmodulen efter 10s som funktion av temperaturen för semicrystalline (isotactic) polystyrene och helt amorf (atactic) polystyrene i tre olika versionser: tvärbunden (crosslinked) och ej tvärbunden med låg resp hög molarvikt. Fördeformation genom dragning Polymera material - Bearbetningsmetoder Efter avslutad polymerisation måste man forma sin polymer till den produkt man vill ha. Dragning... --genom att dra ut polymeren före användning --blir kedjorna parallella med dragriktningen Effekt av dragningen: --elasticitetsmodulen (E) ökar i dragriktningen. --brottspänningen (s B ) ökar i dragriktningen. --duktiliteten (%EL) minskar i dragriktningen. Uppvärmning efter dragning... --minskar parallelliseringen --motverkar effekten av dragningen. Jämförmed kallbearbetning/rekristallisation i metaller! 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 7

8 Polymera material - Additiv 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 Polymera material - Bearbetningsprocesser Intermittenta processer (satsvis) Formsprutning (termoplaster) Formpressning (härdplaster) Sprutpressning Formblåsning Rotationsgjutning Vakuumformning Kontinuerliga processer Strängsprutning (termoplaster) Filmblåsning Kalandrering Med bearbetning avses här formning med värme och tryck 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. 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. 8

9 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. 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, väv 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. Sammanfattning Polymerer har många unika egenskaper som gör dem mycket användbara i olika konstruktioner. De är ofta inte så dyra att tillverka, men råmaterialet (oljebasmaterial) är relativt dyrt. Det är viktigt att inse att det temperaturområde som de kan användas inom är begränsat. Egenskaperna förändas också snabbare med tiden än för metaller och keramer. Läsanvisningar Kapitel 4 Sidor: , , Typtal: 4.13, 4.22 Kapitel 11 Sidor: Kapitel 13 Sidor: Kapitel 14 Sidor: Typtal: