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


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.


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


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)


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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

stereoisomerism (tacticity) - chemsci.kku.ac.thchemsci.kku.ac.th/choosak/polymer/handout mech prop...

Documents