Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

3.2 Kristályos és amorf hőre lágyuló polimerek, elasztomer és duromer polimerek dinamikus mechanikai analízise és feldolgozástechnikája közti kapcsolat

3.2 Kristályos és amorf hőre lágyuló polimerek, elasztomer és duromer polimerek dinamikus mechanikai analízise és feldolgozástechnikája közti kapcsolat

A feldolgozástechnika logikáján alapuló csoportosítás legjellemzőbb tulajdonság-függvényét a dinamikus mechanikai analízis (DMA) adja. Ahogy azt a Polimer anyagszerkezettan [3.1] bemutatta, a DMA görbéket azért tekinthetjük a legkorszerűbb mechanikai igénybevétel – válaszfüggvénynek, mert

  • a polimerek szokásos, kismértékű deformáció tartományában megjelenő válaszokat tükrözi,

  • ismételt igénybevétellel kapcsolt, dinamikus terheléssel vizsgál,

  • a hőmérséklet széles tartományában adott válaszokat jeleníti meg, s

  • az igénybevétel sebességétől, frekvenciájától való függést is bemutatja.

A DMA függvény tehát a polimer anyagvizsgálat legkorszerűbb eszköze, mert bemutatja a polimerek kettős, viszko-elasztikus arculatának legfontosabb vonásait, és ezzel jellemezhetjük a legfontosabb funkcionális tulajdonságokat is, mint a rugalmassági moduluszt és a csillapítás képességéhez kapcsolódó veszteségi tényezőt (tan δ).

A 3.2 ábra bemutatja egy korszerű, nagy értékű DMA berendezés (Perkin-Elmer DMA 7, értéke több mint 100 000 DM) keresztmetszetét. A berendezés lényege tehát az érzékelő legalsóbb pontján csatlakoztatott húzó-, hajlító- vagy nyomó igénybevételt biztosító próbatest mérőfej, amely egy programozott hőmérséklet-emelkedést nyújtó termosztátba merül. A hőmérsékleti program a szokásos esetben a cseppfolyós nitrogén (–177 °C) hőmérsékletétől max. +500 °C-ig terjed. A mérés legfontosabb információit: a komplex rugalmassági modulusz összetevőit (pl. a G nyírási moduluszt és a d mechanikai veszteségi tényezőt) számítógép dolgozza fel. A következőkben technológiai szempontú csoportosításunk négy polimer alaptípusának DMA típusgörbéit a 3.3 – 3.6 ábrákon mutatjuk be.

A Perkin-Elmer DMA 7-es készülék metszete

3.2 ábra: A Perkin-Elmer DMA 7-es készülék metszete [3.18]

Kristályos hőre lágyuló polimerek DMA görbéje (G: dinamikus (tárolási) nyírási modulusz, d: mechanikai veszteségi tényező)

3.3 ábra: Kristályos hőre lágyuló polimerek DMA görbéje (G: dinamikus (tárolási) nyírási modulusz, d: mechanikai veszteségi tényező) [3.7]

A kristályos hőre lágyulók tipikus feldolgozási tartománya természetesen a Tm olvadási hőmérséklet feletti, ömledékhőmérséklet. A felhasználás tipikus tartománya az a széles plató, amely közelítőleg változatlan értékű G moduluszt tükröz a Tm olvadási hőmérséklet alatt, a Tg üvegesedési hőmérséklet felett. A kristályos hőre lágyulók fő képviselőinél, a polietilénnél és a polipropilénnél a Tg alatt – az üveges, rideg törés veszélye miatt – nem javasolható a felhasználás. Más esetekben a felhasználás átnyúlhat a Tg alá is.

A leggyakoribb kristályos hőre lágyulók Tg és Tm határhőmérsékleteit a következő adatok mutatják:

3.1. táblázat - A leggyakoribb kristályos hőre lágyulók Tg és Tm határhőmérsékletei

PolimerTg (°C)Tm (°C)
HDPE-110+130
LDPE-110+110
PP-10+168
PAN+104+317
PA-6+50+228
PEEK+113+340
POM–60+168
PET+73+255

Az amorf, hőre lágyuló polimerek Tg átmeneti hőmérséklet tartománya szélesebb, mint a kristályos hőre lágyulóké, és sokkal jelentősebb, nagyságrendi moduluszváltozással jár. Ennek is következménye, hogy a tipikus felhasználási tartomány az amorf hőre lágyulók esetében Tg alatti. A 3.4 ábrán is látható, hogy a Tg alatt található az a széles modulusz plató, ami a műszaki alkalmazáshoz szükséges GPa nagyságrendű rugalmassági moduluszt biztosítja.

Amorf, hőre lágyuló polimerek DMA görbéje ( G: dinamikus (tárolási) nyírási modulusz, d: mechanikai veszteségi tényező)

3.4 ábra: Amorf, hőre lágyuló polimerek DMA görbéje ( G: dinamikus (tárolási) nyírási modulusz, d: mechanikai veszteségi tényező) [3.7]

A leggyakoribb amorf hőre lágyulók Tg és Tm határhőmérsékleteit a következő adatok mutatják:

3.2. táblázat - A leggyakoribb amorf hőre lágyulók Tg és Tm határhőmérsékletei

PolimerTg (°C)Tm (°C)
kPVC+80+165
PMMA+110+210
PC+140+270
PS+90+240
ABS+110+250

A 3.5 ábra, az elasztomerek tipikus DMA görbéje bemutatja, hogy a ritka térhálós elasztomer mint például egy személygépkocsi gumiabroncsa, nagyságrendileg a MPa tartományban igen széles hőmérséklettartományban gyakorlatilag állandó rugalmassági moduluszt mutat, és itt ugyanúgy állandó mechanikai veszteségi tényező jellemző rá.

Ritka térhálós elasztomerek DMA görbéje (G: dinamikus (tárolási) nyírási modulusz, d: mechanikai veszteségi tényező) [3.7]

3.5 ábra: Ritka térhálós elasztomerek DMA görbéje (G: dinamikus (tárolási) nyírási modulusz, d: mechanikai veszteségi tényező) [3.7]

Az elasztomerek DMA görbéjéből kiderül, hogy ezek az anyagok magasabb hőmérsékleten sem olvadnak meg. A legmagasabb eltűrt hőmérséklet-határ Tz (ld. ábra) után nem olvadás, hanem termikus bomlás (megpörkölődés, elszenesedés) következik be. A konstruktőr által felhasználható széles hőmérséklettartományt felülről ennek a bomlási hőmérsékletnek a biztonságos elkerülése határolja be. Az alsó határ ugyanígy nem kerülhet a Tg alá – sőt közelébe se, - mivel az üvegesedés hőmérsékletén az elasztomerek rugalmassági modulusza akár három nagyságrenddel is megváltozik. Ez azt jelenti, hogy ez alatt a hőmérséklet alatt az elasztomer hirtelen rendkívül rideggé, törékennyé válik, és így alkalmatlan a rendszerint csillapító karakterével összefüggő funkcióinak betöltésére. Szerencsére a tipikus elasztomerek esetében ezek a Tg értékek messze a 0 °C alatti tartományba esnek.

Tipikus elasztomerek:

  • természetes gumi (NR)

  • szintetikus gumi (SR)

  • és a széles tartományban térhálósítható poliuretánok (PUR)

A termoplasztikus elasztomer (TPE) család nem tipikus elasztomer (ld. 83. oldal, 4.1.3.2 fejezet). Ez az anyag ugyanis a felhasználás hőmérsékletén gumiszerűen viselkedik, mintha térhálós lenne, de magasabb hőmérsékleten megolvasztható, és így fröccsönthető is. Technikai előnyei miatt egyre nagyobb teret nyer az elasztomerek között.

Sűrű térhálós duromerek DMA görbéje (G: dinamikus (tárolási) nyírási modulusz, d: mechanikai veszteségi tényező)

3.6 ábra: Sűrű térhálós duromerek DMA görbéje (G: dinamikus (tárolási) nyírási modulusz, d: mechanikai veszteségi tényező) [3.7]

A duromerek DMA görbéjéből látszik, hogy ezek az anyagok sem olvadnak meg magasabb hőmérsékleten. A legmagasabb eltűrt hőmérséklet-határ után itt sem olvadás, hanem termikus bomlás következik be. A különbség az elasztomerekkel szemben az, hogy a Tg itt nem okoz nagy változást a moduluszban és emiatt a felhasználás hőmérséklettartománya igen széles, Tg alatti és feletti területeket egyaránt felölel.

A 3.5 és a 3.6 ábrák összevetéséből az is kikövetkeztethető, hogy a térhálós polimerek Tg feletti modulusz-platója a térhálósság fokával – a térháló-sűrűség növelésével emelhető. Ez jól tükröződik azoknak a technikai polimereknek a DMA görbéin, amelyek térhálósságát gyakorlatilag „fokozatmentes” finomsággal, tetszőleges térháló-sűrűségre állíthatjuk be, mint pl. a poliuretánok, vagy az utólagosan térhálósított polietilén eseten.

Tipikus duromerek a PF, UF, MF, kondenzációs gyanták, a telítetlen poliészterek (UP), az epoxigyanták (EP).

A DMA-hoz hasonló görbéket kreálhatunk a szakítószilárdság, a szakadási nyúlás, az ütésállóság, sőt: akár a termikus dilatáció hőmérsékletfüggéséből is. Hasonló görbéket találunk a 11. Melegalakítás fejezetben (11.1 és 11.2 ábra, 292–293. oldal) Technikai csoportosításunk alapelve tehát sokoldalúan indokolt.