Stereoisomerism (tacticity) - chemsci.kku.ac.thchemsci.kku.ac.th/choosak/polymer/handout mech prop...
Transcript of Stereoisomerism (tacticity) - chemsci.kku.ac.thchemsci.kku.ac.th/choosak/polymer/handout mech prop...
343353 Polymer Science เทอมปลาย 2558 (Apr-May 2559) ผศ.ดร.ชศกด พนสวสด
1
สมบตเชงกลของพอลเมอร (Mechanical Properties)คณสมบตเชงกลของวสด เชน ความแขง (Hardness) ความแขงแรง (Strength) ความสามารถในการเปนเสน (Ductility) ความเหนยว (Toughness) ความคงรป (stiffness) แขงเปราะ (Brittle) ฯลฯ เปนสงทจะบอกวาวสดนนๆ สามารถทจะรบหรอทนทานแรงหรอพลงงานเชงกลภายนอกทมากระท าไดดมากนอยเพยงใด
ความเคน (Stress)
1. ความเคนแรงดง (Tensile Stress) 2. ความเคนแรงอด (Compressive Stress)3. ความเคนแรงเฉอน (Shear Stress)
แสดงลกษณะของแรงกระท าชนดตางๆ
ปกตunloaded
ดงStretched(Tension)
อดSqueezed
(Compression)
บดTwisted
(Torsional shear)
เฉอนCut
(Simple shear) = F/A
Stress = ForceCross-sectional area
ความเครยด (Strain) = extensionOriginal length
= LL0
Modulus = stressstrain
E =
Linear elastic deformation for
loading and unloading cycles.
Hooke’s law
E : modulus of elasticity or
Young’s modulus (GPa or psi)
ใชกบการดง การกดอด
= E
343353 Polymer Science เทอมปลาย 2558 (Apr-May 2559) ผศ.ดร.ชศกด พนสวสด
2
เสยรป (deform) อยางถาวร
การเฉอน (Shear)
S = F//
A0
= tan = X / Y
F// : instantaneous force // (N or lbf)
A0 : surface area (m2 or in2)
G : shear modulus = G
Y
X
การหด/ขยาย (Dilation) โดย hydrostatic stress หรอ mean stress
P = K V/ V
K = Bulk ModulusP = Hydrostatic or mean stressV / V = Volumetric strain
l
a
แรงเคนอดทเทากนในทกทศทาง, เหมอนแรงอดของน า
B E = 2 (1+ ) G = 3 (1-2 ) K
= Poisson’s ratio = l / a = lateral strain / axial strain
ความสมพนธระหวาง elastic moduli E, G และ K
= 0 for cork = 0.25 for hookian material (isotropic, elastic) = 0.20-0.40 for plastics (0.3 brittle) 0.5 for rubber
l
a
y
x
The stress-strain curve for 6,6-nylon, a typical thermoplastic polymer.
Necks are not stable in amorphous polymers, because local alignment strengthens the necked region and reduces its rate of deformation.
343353 Polymer Science เทอมปลาย 2558 (Apr-May 2559) ผศ.ดร.ชศกด พนสวสด
3
Deformation
โลหะ
Offset Line 0.2% for metals, 2% for plastics
Offset lineNON-LINEAR ELASTIC DEFORMATION
พอลเมอร
2% secant modulus
ยด 2%
Initial tangentmodulus
343353 Polymer Science เทอมปลาย 2558 (Apr-May 2559) ผศ.ดร.ชศกด พนสวสด
4
Tensile strength คาการตานทานแรงดงCompressive strength คาการตานทานแรงกด
Flexural (bending) strength คาการตานทานแรงหกงอImpact strength คาการตานทานแรงอดเฉยบพลน
วดคาความเหนยว
Fatigue strength คาการตานทานแรงทกระท าอยางตอเนอง
อลาสตกมอดลส, E วดคาการคงรป (stiffness)คา E สง วสดจะ .............
E = /ทนแรงดงสง
เปรยบเทยบ คา Modulus
For ideal elastic,Compliance, J = 1/E หาคา softnessCompressibility, = 1/K
Universal Tensile Testingการทดสอบ Impact Test
Charpy
Izod
Hardness วธวดresistance to indentation, resistance to scratch, rebound efficiency
Brinell Hardness NumberVickers, Knoop (Diamond indentor , )
ISO 868.
Low modulus, rubber, plasticized PVC shore Ashore DRockwell (R, L)
High modulus, PS, PMMA Rockwell (M, E)
343353 Polymer Science เทอมปลาย 2558 (Apr-May 2559) ผศ.ดร.ชศกด พนสวสด
5
DEFLECTION TEMPERATURE UNDER LOAD (DTUL)
or HEAT DEFLECTION (DISTORTION) TEMPERATURE (HDT)
อณหภมทแทงทดสอบเบยงไป 0.25 mm เมอใหน าหนกกด
455 kPa (66 psi) หรอ 1820 kPa (264 psi) ทอตราการให
ความรอน 2 0.2oC/min
weightthermometer
polymer
sample
weightthermometer
polymer
sample
POLYMERS DTUL@66 psi DTUL@264psi
(oC) (oC)
THERMOPLASTICS
HDPE 60 - 88 43 - 54
PP (GP) 93 - 110 52 - 60
THERMOSETS
EPOXY(glass filled) - 121 - 260
MELAMINE(glass filled) - 204
T = 23, 60 C เพม T -elastic modulus -tensile strength -ductility
ลดลงลดลง
เพมขนpolymethyl methacrylate (PMMA)
plexiglass
FRACTURE OF POLYMERS
Modes of Fracture (ประเภทของการแตกหก)
พจารณาจากความสามารถของวสดวาจะเกดการเสยรปพลาสตกหรอไม
1. Brittle fracture (แบบเปราะ): ไมมการเสยรปพลาสตกหรอมเพยงเลกนอย และ
ดดซบพลงงานเพยงเลกนอย (พท.ใตกราฟทนอย)
2. Ductile fracture (แบบเหนยว) : มการเสยรปพลาสตก และ
ดดซบพลงงานมาก (ดจากพท.ใตกราฟทมาก)
Ductility is a measure of the degree of plastic
deformation that has been sustained at fracture.
It can be expressed as either
percent elongation (%EL)
or percent reduction in area (%RA).
Failure
343353 Polymer Science เทอมปลาย 2558 (Apr-May 2559) ผศ.ดร.ชศกด พนสวสด
6
a combined ductile/brittle failure. (75-80% brittle failure, rest is ductile)
a ductile fatigue failure. crack moved from the upper right toward the lower left
Craze = load bearing fibrilsเกดจากการเชอมตอของชองวางขนาดเลก เกดเปนเสนใยทชวยรบแรงไดเกดใน glassy polymer เชน PS, PMMA
เมอเกดการรวมกนของ craze เมอแรงดงเพมขนท าใหเกด การแตกหก (Crack)
CRAZING (การราน)
A phenomenon that frequently precedes fracture in some glassythermoplastics. Associated with crazes are regions of very localized yielding, which lead to the formation of small and interconnected microvoids.
A craze showing microvoids and fibrillar bridges
A craze followed by a crack
สมบตหยนหนด (viscoelasticity)
viscous ไหลหนด
ยดหยนแบบยาง
การไหลหนด = การตานทานการไหลของพอลเมอร
แรงเฉอน อตราการเลอนไหล หรอ อตราเฉอน shear rate
xs v
s s = = ความหนด
ประเภทของความหนด1. Absolute Viscosity (Dynamic or Shear Viscosity) ;
2. Kinematic Viscosity ; ν ความหนด ความหนาแนน
s
ความชน =
ของ >
พฤตกรรมการไหลแบบนวโตเนยน
Flow in material
,F
StressA
dShear Rate
dt
h
L
ForceArea
LStrain
h
343353 Polymer Science เทอมปลาย 2558 (Apr-May 2559) ผศ.ดร.ชศกด พนสวสด
7
พฤตกรรมการไหล ไมขนกบเวลา
s
Shear rate
Shear stress
NewtonianShear stress
Shear rate
ของเหลวทวไป
Pseudoplastic (Shear thinning)
Shear stress
Shear rate
Polymer meltPolymer solutionหมกพมพ, เลอดน าผลไมเขมขนสลล CMC
Dilatant
Shear stress
Shear rate
ชอคโกเลตสลล น าแปง
ยาสฟนซอสมะเขอเทศ
BinghamShear stress
Shear rate
CassonFilled polymer บางชนดHeavy crude oil
viscoelastic property ของ linear amorphous polymer
1
2
3
45
พฤตกรรม 5 แบบ
1. พฤตกรรมคลายแกว (glassy region)
โมเลกลสนและหมนในชวงสนๆ โมเลกลพฤตกรรมคลายกบการถกแชแขงคา E สงมาก 3 x 109 Pa
หา K ได K = 8.04 CEDCED = cohesive energy density
พลงงานทใชในการแยกโมเลกลพอลเมอรใหกลายเปนไอ(คาทางทฤษฎ)
log E
T
12 3 4
52. พฤตกรรมทจดคลายแกว (glass transition region)
คา E ลดลงอยางรวดเรวพอลเมอรจะแขงเหนยวคลายหนงสตวโมเลกลเรมเคลอนท (ไหล) และสนมากขน
3. พฤตกรรมคลายยาง (rubbery plateau region)
คา E คงท 2 x 106 Pa แสดงสมบตของยางจดสดทายของชวงจะเปน Tm
log E
T
12 3 4
5
343353 Polymer Science เทอมปลาย 2558 (Apr-May 2559) ผศ.ดร.ชศกด พนสวสด
8
log E
T
12 3 4
5
กรณ linear polymerความกวางของชวง 3 ขนกบ MW
log E
T
Mv
1.0 x 105
1.5 x 105
2.0 x 105
มการเกาะเกยวของเสนพอลเมอรมากขน (entanglement) หนดขนกรณ crosslink polymerการยดหยนดขน เกดการคบ (creep) นอยลง
log E
T
E = 3nRTn = จ านวน crosslink
log E
T
12 3 4
5กรณ semi-crystalline polymerความสงของชวง 3 ขนกบ % ความเปนผลก
log E
T
ผลกท าหนาทเปนทงสารเตมเตม (filler) และตวชวยเชอมขวางทางกายภาพ (physical crosslinker) ท าใหความแขงแรงมากกวาพอลเมอรอสณฐาน
ผลกมาก สงมาก
4. พฤตกรรมการไหลแบบยาง (rubbery flow region)
พอลเมอรแสดงพฤตกรรมทง rubber elasticity และ flowขนกบ เวลาทท าการทดลอง
log E
T
12 3 4
5
ท าทเวลาสนๆแสดงสมบต rubbery ยงคงมการเกาะเกยวของเสนพอลเมอร
ท าท เวลา ยาวๆ เกดการไหล ของเสนพอลเมอรการไหล ขนกบน าหนกโมเลกล
ตวอยางพอลเมอรทมพฤตกรรมแบบน เชน กอนยางธรรมชาต
5. พฤตกรรมไหลหนด (liquid flow region)
เกดการไหลหนด อยางรวดเรว เหมอนกากน าตาลไมมการเกาะเกยวของสายพอลเมอร โมเลกลไหลอยางอสระหาความหนดไดจาก สมการ นวโตเนยน
log E
T
12 3 4
5
s = = ความหนด
สมบตเชงกลแบบพลวต (Dynamic mechanical property)
สมบตทเกดจากการกระท าอยางตอเนอง
เชน การตอบสนองตอคลนความถในการสนของยาง
E* = E– iE
E*= complex Young’s modulusE = storage modulusE = loss modulusi = -1
E
E
343353 Polymer Science เทอมปลาย 2558 (Apr-May 2559) ผศ.ดร.ชศกด พนสวสด
9
E พลงงานทไดรบและรกษาไวในรปของ elasticE พลงงานทสญเสย ในรปความรอน
tan = EE
Loss tangent
51
Temperature
Terminal Region
Rubbery Plateau
Region
Transition
Region
Glassy Region
Loss Modulus (E" or G")
Storage Modulus (E' or G')
tan มาก มความเปน viscous มากกวา elasticityมการสญเสยพลงงานสงกวา
Williams-Landel-Ferry (WLF) Equation
แสดงความสมพนธของสมบตเชงกลและเวลา(Time -Temperature Superposition)
วดคา มอดลสทเวลาและอณหภมตางๆ
PMMA
ต าแหนงเรมของสคอมความชนเทากน
theoretical extrapolation
เชอมโยงและขยายขอมลแตละเสน
343353 Polymer Science เทอมปลาย 2558 (Apr-May 2559) ผศ.ดร.ชศกด พนสวสด
10
time scale: 10-10,000 secs (~2 hrs 45 mins) Temperature: -83 C to -40 C
เมอน ากราฟมาตอกนสามารถไดขอมลในชวงเวลา 10 - 1,000,000,000,000 secs
Master curve
Glassy Rubbery
a single curve which represents the stress relaxation behaviour of material at a reference temperature Master curve: WLF
Reference T = 115 C
ขอมลท T สง t สนๆ สามารถใชอธบายขอมลท T ต า t กวางๆ ได
shift factoraT = t /tg = / g
วสดใดๆ C1 = 17.4 and C2 = 51.6
g
g
17.44( )log
51.6T
T Ta
T T
Valid from Tg to Tg+100
viscoelastic master curve for PIB at 25 °C
343353 Polymer Science เทอมปลาย 2558 (Apr-May 2559) ผศ.ดร.ชศกด พนสวสด
11
Tr = Tg = 112°C, เลอกพจารณาท E = 100 MNm-2
จะได tr = 10-2 h
หาคา t ท E = 100 MNm-2 ท 100°C
log t = log tr - log aT
= -2 + (17.4 (100-112))/(51.6 -(100-112))= 3.27
t = 1000 h
Determine time of PMMA at 100°C which has same modulus at certain time at 112°C
You are a chief in charge of a PS drinking cup manufacturing unit. Normally you process the material at 160 C, wherethe viscosity is 1.5 x 103 poise at Mw = 800.Today your PS has Mw = 950. What change in processing temperature will bring the viscositydown to 1.5 x 103 again?Tg = 100 C, (viscosity) = K M3.4
หาคาคงท K: K = 1.5 x 103 = 2.02 x 10-7
8003.4
วตถดบวนน ม MW = 950ความหนด = 2.02 x 10-7 x 9503.4
= 2.69 x 103 Poise
ท 160 C: log (2.69 x 103)= -17.44 (60)n g 51.6 + 60
ท T ใหม: log (1.5 x 103)= -17.44 (T-373)6.39 x 1012 51.6 + (T-373)
ตองปรบอณหภมเปน 436.6 K = 163.6 C
ความหนด
อณหภม
Viscoelasticity Experiments
• Static Tests
– Stress Relaxation test
– Creep test
• Dynamic Tests
– Controlled strain
– Controlled stress
343353 Polymer Science เทอมปลาย 2558 (Apr-May 2559) ผศ.ดร.ชศกด พนสวสด
12
การคลายความเคน (Stress Relaxation)
การลดลงของความเคนเมอเวลาผานไป ณ จดทมการเปลยนแปลงรปรางคงท
วสดทม stress relaxation ต า แสดงถงความยดหยน (elastic ) ทคอนขางมาก
Force sensor
การดง
การอด
การคลายความเคนเกดจาก
1. Viscous flow2. การขาดของสายโซ (Chain scission)
มกเกดจากปฏกรยาออกซเดชน หรอไฮโดรไลซส3. Bond interchange4. Thirion relaxation
Stress Relaxation Test: ใหระยะคงท วดแรงทลดลง เมอเวลาผานไป
Strain
Time, t
Elastic
Viscoelastic
Viscous fluid
0
Stress
Viscous fluidViscous fluid
การเพมขนของการเปลยนแปลงรปราง (deformation) ภายใตแรงกระท าคงท เมอเวลาเปลยนแปลงไป
ยางทม creep ต า แสดงถงความยดหยน (elastic ) มาก
การคบ (Creep)
Creep Test: ใหแรงคงท วดระยะทลดลง เมอเวลาผานไป
Newtonian fluid
แรง อตราเฉอน
แทนดวย dashpotลกสบ
วตถจะไหล (flow) เมอมแรงมากระท า การไหลจะชาหรอเรวขนกบความตานทานภายในของวตถเรยกวา ความหนด(viscosity)
1. พฤตกรรมไหลหนด Viscous Behavior
(stress)
timeto=0
(strain)
timeto=0
o
0
consto
Stress relaxation ของของไหลหนด
(strain)
timeto=0 ts
o
dt
dslope
so t
(stress)
timeto=0 ts
o
Creep ของของไหลหนด
343353 Polymer Science เทอมปลาย 2558 (Apr-May 2559) ผศ.ดร.ชศกด พนสวสด
13
2. พฤตกรรมยดหยน Elastic (Hookean) Behavior
เมอมความเคน () วตถจะเกด ความเครยด () แบบทนททนใดเมอแรง หายไป กจะหายไปดวย
โดย ทเกดขนจะเปนสดสวนโดยตรงกบ
Stress (s)
Strain (e)
σs
e
แทนดวย สปรง
• Creep Experiment
(stress)
timeto=0 ts
o
(strain)
timeto=0 ts
o/G
• Stress Relaxation experiment
(stress)
timeto=0
(strain)
timeto=0
o
• Maxwell Model
• Kelvin-Voigt Model
Used for stress relaxation tests
Used for creep tests
3. พฤตกรรม viscoelastic อธบายโดยใชแบบจ าลองตอไปน
(strain)
time
(stress)
timeto=0 to=0
oGoo ( /t
oo e G)t(
1) Stress Relaxation Experiment: If the mechanical model is suddenly extended to a position and held there (=const., =0)
/t
oeGG(t)
(stress)
timeto=0
timeto=0ts ts
o
o/G
oslope
o/G
so t
Elastic Recovery
Permanent
Set
2) Creep Experiment: If a sudden stress is imposed, an instantaneous stretching of the spring will occur, followed by an extension of the dashpot. Deformation after removal of the stress is known as creep recovery:
tG
)t( oo
creep compliance
t
G
1)t(J
G
dashpotspring
dashpotspring
Viscoelastic Reponse – Voigt-Kelvin Element
343353 Polymer Science เทอมปลาย 2558 (Apr-May 2559) ผศ.ดร.ชศกด พนสวสด
14
(stress)
timeto=0
timeto=0ts ts
o
o/G
oslope
/to e
G)t(
)e1(G
1)t(J /t
.)e1(
G)t( /to
or )e1(
G
1)t(J /t Creep experiment
When remove stress /to e
G)t(
Four Element model
Generalized Maxwell Model
The Maxwell model is
qualitatively reasonable, but
does not fit real data very
well.
1 2 3
n
Instead, we can use the
generalized Maxwell model
G(Pa)
Generalized Maxwell Model
The relaxation of every element is:
N
1i
/t
i
o
ieG)t(
)t(G
( e G)t( i/t
oii
The relaxation of the generalized model is:
eG)t()t(n
1i
/t
io
n
1i
ii
3
12
4
n
where Gi is a weighting constant or “relaxation strength” and l1 the “relaxation time”
Generalized Voigt-Kelvin Model
Similar arguments can be applied for a generalized Voigt-Kelvin model.
n
1i
/t
i
o
n
1i
/t
io
/t
ioi
)e1(J)t(
)t(J
)e1(J)t(
)e1(J)t(
i
i
i