Odredivanje deformacijskog ponašanja polimera uz djelovanje medija na primjeru poliamida 6
Determination of Medium Influenced Polymer Deformational Behaviour for Polyamide 6
O. Španiček1, Z. Smolčič Žerdik, Fakultet strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Zagrebu
Prejem rokopisa - received: 1995-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1995-12-22
Za pračenje deformacijskog ponašanja u uvjetima trajnog statičkog opterečenja konstruiran je uredaj koji omogučuje i istovremeno djelovanje medija. Ispitivani su materijali iz skupine poliamida 6 tj. iste kemijske osnove (e kaprolaktam), ali različitih svojstava zbog različitih morfoloških struktura uvjetovanih postupcima dobivanja i kondicioniranja. Snimljene krivulje puzanja na zraku i u vodi ukazuju da medij, usprkos srodnosti ispitivanih materijala, različito djeluje na pomak krivulja puzanja. Uredaj omogučuje ponovljivost rezultata i razlikovanje razmjerno finih promjena svojstava uslijed mehaničkih i kemijskih opterečenja.
Ključne riječi: deformacijsko ponašanje, puzanje, djelovanje medija, poliamid 6
For monitoring the polymer deformation behaviour under the conditions of the permanent static load and simultaneous action of medium a special device has been designed. Materials studied were of the same chemical basis fe caprolactam) but with various properties due to the variety of morphological structures resulting from material preparation and conditioning. Creeping curves obtained in the air and the water indicated that the medium, in spite of similarity of tested materials, had different affects on changes of creeping curves. The device makes possible the reproducibility of results and the distinction betvveen slight changes in properties caused by mechanical and chemical loads.
Key words: deformational behaviour, creep, media effects, polyamide 6
1	Uvod
Relaksacijski proces, koji slijedi elastičnu deformaciju u uvjetima trajnog statičkog opterečenja, naziva se, zbog postepene, vrlo polagane prirode, puzanje. Zbog strukturnih karakteristika polimera do pojave puzanja dolazi več pri sobnoj temperaturi. Ponašanje polimernih materijala u uvjetima, u ko-jima se javljaju takve promjene obično se opisuje krivuljama puzanja. Tijek krivulje jako je ovisan o materijalu, primjen-jenom opterečenju i temperaturi, te o okolnom mediju, koji di-fundira u materijal i mijenja njegova svojstva. Zbog toga je bitno odredivanje svojstava i karakteristika polimera koje točno odreduju trajno ponašanje i uz djelovanje medija, jer matema-tički izrazi, kojima se aproksimiraju obično takove krivulje, ne obuhvacaju sve navedene utjecaje1.
2	Opis metode
U cilju odredivanja ponašanja polimernih materijala u uvjetima trajnog savojnog opterečenja konstruiran je jed-nostavan uredaj (slika 1), koji omogučuje izlaganje ispitivanog materijala raznim utjecajima okoline. Pripremljene i izmjerene
Dr. Durdica ŠPANIČEK
Svcučiiišle u Zagrebu Fakultet strojarstva i brodogradnje
HXX> Zagreb, I. Lučica 5. Croalia
epruvete dimenzija 50 x 4 mm umecu se u nosače i opterečuju u sredini šilom, koja se postiže postavljanjem odgovarajučih utega. Izmedu nosača utega i epruvete smješten je precizan mjerni sat, na kojem se direktno očitava nastali progib/. Uredaj je načinjen od nehrdajučeg čelika, tako da se zajedno s postavljenim i opterečenim epruvetama, uranja u staklene kade napunjene odgovarajučim medijem. Staklene stijenke omogu-čuju direktno očitavanje nastalih progiba. Uz odgovarajuče osiguranje brtvljenja spremnika za medij moguče je ispitivanje i pri povišenim temperaturama. Na osnovi dobivenih podataka o progibu_/(mm) i poznate debljine epruvete a(mm) primjenom izraza:
e = f a 0.375
može se odrediti veličina rubnog istezanja e izražena u pošto tku.
Opterečenje na savijanje, uz koje su provedena ispitivanja opisana u ovom radu, je složeno opterečenje, te je u cilju dobivanja uvida u raspodjelu naprezanja prevedeno fotoelas-ticimetrijsko ispitivanje2 (slika 2).
3 Ispitivani materijali
Da bi se ispitala osjetljivost i ponovljivost opisane metode za snimanje krivulja puzanja korišteni su srodni materijali iste
Slika 1: Shematski prikaz uredaja za odredivanje deformacijskog ponašanja polimera Figure 1: Shematic representation of the device for determination of polymers deformational behaviour
kemijske osnove (e kaprolaktam), ali različitih svojstava zbog različitih morfoloških struktura uvjetovanih postupcima dobivanja (ekstrudiranje, lijevanje) i kondicioniranja. Ispitivani su slijedeči materijali: poliamid 6 ekstrudirani (PA 6E), poliamid 6 lijevani (PA 6G) i poliamid 6 lijevani uz dodatak fino disper-giranih kapi ulja (PA 6G+ulje). Ekstrudirani poliamid je prije ispitivanja kondicioniran do optimalnog sadržaja vlage od 3% uz naknadnu toplinsku obradu u cilju napuštanja zaostalih naprezanja. Relativno male dimenzije epruveta, koje se izrezuju iz posebno pripremljenih i kondicioniranih ploča, od-abrane su zbog jednolične raspodjele apsorbiranog medija kroz presjek, što pojednostavljuje analizu utjecaja pri ispitivanju uz istovremeno mehaničko i kemijsko djelovanje.
4 Rasprava i ocjena rezultata
Ispitivanim materijalima snimljene su krivulje puzanja uz djelovanje savojnog opterečenja od 12 N/mm2 na zraku i vodi kao okolnom mediju. Voda je odabrana kao medij zbog poznate osjetljivosti poliamida na vodu3. Odredene krivulje puzanja prikazane su na slici 3.
Deformacijsko je ponašanje odraz strukturnih karakteristika ispitivanih poliamida, tako da su, usprkos istog kemijskog sastava i srodne morfološke strukture, te iste veličine opterečenja ustanovljeni različiti tijekovi krivulja puzanja. PA 6E pokazuje veče puzanje u vodi, dok PA 6G i PA 6G+ulje pokazuju veče puzanje na zraku. To je usko povezano s mogučnošču difuzije medija obzirom na morfološku struktura ispitivanih poliamida. Poliamidi su djelomično kristalasti plas-tomeri sa sferulitnom nadmolekulnom strukturom, pa veličina i raspodjela sferulita znatno utječe na prisutnost slobodnih
---1-•--1-'-1-1 -
C	200	400	600	800
Vrijeme r/sati
Slika 3: Krivulje puzanja ispitivanih poliamida na zraku i u vodi Figure 3: Creeping curves of the tested polyamides in air and water
volumena i njihovo premještanje u materijalu. Mehanička opterečenja djeluju na veze izmedu, ali i u makromolekulama, a difundirani medij pojačava to djelovanje. Iako su snimke, do-bivene svjetlosnim mikroskopom u polariziranoj svjetlosti, pokazale gotovo istu sferulitnu nadmolekulnu struktura anali-zom tih slika analizatorom LEČO 2001, ustanovljen je različiti raspored sferulita po veličini2. Maksimum krivulje raspodjele veličine sferulita za PA 6G pomaknut je u odnosu na PA 6E prema manjim vrijednostima, što povoljnije utječe na svojstva. Zbog povoljnije morfološke strukture koeficijent difuzije manji je kod lijevanog poliamida bez i sa dodatkom ulja nego li za ekstrudirani poliamid. Razlika u vrijednostima PA 6G i PA 6 G+ulje posljedica je prisutnosti kapljica ulja, koje smanjuju di-fuziju. Osim toga lijevani poliamidi nisu prije ispitivanja kon-dicionirani, pa voda kod tih materijala izaziva još i pozitivni efekt napuštanja naprezanja u početnom periodu djelovanja4.
5	Zaključak
Rezultati ispitivanja provedenih na srodnim materijalima iste kemijske osnove pokazuju da primjenjeni uredaj za odredivanje deformacijskog ponašanja polimera uz djelovanje medija mogučuje ponovljivost i razlikovanje razmjerno finih promjena svojstava uslijed mehaničkog i kemijskog opterečenja.
6	Literatura
' J. Indof, D. Španiček. Z. Smolčic Žerdik, Š. Husic, Jednostavna metoda ispitivanja dugotrajnih mehaničkih svojstava polimera i polimernih kompozita, Zbornik radova FSB XVI, 85, 1992
2	D. Španiček, Utjecaj medija na deformacijsko ponašanje poliamida 6, Doktorska diseracija, Sveučilište u Zagrebu 1994
3	G. W. Ehrenstein, Kunststoff-Schadensanalyse, Carl Hanser Verlag, Munchen 1992
4	H. A. Stuart, Physikalische Ursachen der Alterung von Kunststoffen, Alterung und Korrosion von Kunststoffen, Verlag Chemie, Weinheim 1967
Slika 2: Stvarna raspodjela naprezanja u fotoelastičnom modelu Figure 2: Real stress distribution in a photoelastic model
PA 60, voda PA 6E, zrak