INŻYNIERIA POLIMERÓW –EGZAMIN
(I) W stanie szklistym-kruchym(nie zależne od v)
II Stan wymuszonej sprężystości(troche zależne od v)
III Zakres wysokoelastyczny.
Krzywe (IV) i (V) odnoszą się do stanu ciekłego.
2. Jako modele mechaniczne polimerów lepkosprężystych stosuje się układy złożone ze sprężynek i tłumików. Scharakteryzuj pojęcie lepkosprężystości. Co charakteryzuje w modelach sprężyna, a co tłumik? Narysuj wykresy zależności naprężenia od czasu dla sprężyny i tłumika połączonych szeregowo i równolegle.
Polimery mają właściwości ciała lepkosprężystego, tzn. że pod wpływem sił zewnętrznych odkształcają się sprężyście (odwracalnie) i niesprężyście (nieodwracalnie), zależnie od czasu — płynięcie.
Sprężyna –ciało Hooka
Tłumik – ciało Newtona
Modele ciał lepkosprężystych:
a) Voigta-Kelvina
b) Maxwella
3. Opisz przemiany stanu fizycznego polimerów w zależności od temperatury.
4. Porównaj znane ci metody modyfikacji warstwy wierzchniej tworzyw polimerowych.
Z neta:
-metody chemiczne (Podstawowymi
wadami takich technik s1: (a) korozyjne oddzia3ywanienstosowanych cieczy na urz1dzenia, wktorych prowadzinsie procesy modyfikowania, (b) du.e zu.ycie wody wykorzystywanej podczas p3ukania materia3u modyfikowanego, (c) znaczne zanieczyszczenie oerodowiska
agresywnymi cieczami, (d) ma3a wydajnooea procesow modyfikowania oraz (e) wysokie koszty procesu.)
-metody fizyczne (Do fizycznych metod modyfikowania zalicza się nastepuj1ce oddzia3ywania na modyfikowany materia 3: (a) mechaniczne — polegaj1ce na odpowiednim
kszta3towaniu struktury geometrycznej powierzchni materia3u, (b) plazm1 niskotemperaturow1 generowan 1 w warunkach niskiego cioenienia w atmosferze ro.-
nych gazow, (c) plazm1 niskotemperaturow1 generowan 1 w warunkach normalnego cioenienia w atmosferze powietrza lub w atmosferze ro.nych gazow, (d) p3omieniowe, (e) elektronami o du.ej energii, (f) promieniami gamma, (g) oewiat3em laserowym, (h) jonami
ro.nych pierwiastkow.)
Z wykładów(to chyba nie to):
Do podstawowych środków umożliwiających modyfikację charakterystyki powierzchniowej tworzyw sztucznych należą:
•antystatyki (Zadaniem anty(elektro)statyków jest wytworzenie przewodzącej warstwy powierzchniowej na nieprzewodzącym materiale polimerowym, umożliwiającej odprowadzenie gromadzącego się na powierzchni tworzyw statycznego ładunku elektrycznego)
•promotory adhezji (to środki zmniejszające napięcie powierzchniowe na granicy mer-polimer i polimer-napełniacz, co prowadzi do wzrostu adhezji międzyfazowej. Środki te odgrywają ważną rolę przy sporządzaniu mieszanin polimerowych oraz polimerów napełnianych.)
•środki poślizgowe, antypoślizgowe, antyblokingowe i antyfogingowe. (Środki antyblokingowe zapobiegają „zbrylaniu” się płyt lub folii poddanych zwiększonemu ciśnieniu lub temperaturze. Z tego względu są one bardzo podobne do środków poślizgowych i razem z nimi stosowane. „Zbrylanie” często występuje w zwojach i stosach poddanych działaniu ciśnienia.)( Środki antyfogingowe zmniejszają napięcie międzyfazowe na powierzchni folii, powodując rozpływanie się powstających na folii kropelek wody w ciągłą warstewkę.)
5. W jakich przypadkach jedynie modyfikacja plazmowa może efektywnie doprowadzić do pożądanej modyfikacji powierzchni wyrobu wykonanego z tworzywa sztucznego?
Włókna?
Możliwość modyfikowania cienkich folii polimerowych bez powodowania ich uszkodzen.?
6. Jakie są efekty modyfikowania warstwy wierzchniej ? (2 pkt)
Poprawa zwil.alnooeci i w3aoeciwooeci adhezyjnych
Efektami modyfikowania sa, przede wszystkim: oczyszczenie i poprawa chropowatosci powierzchni, zwiekszenie swobodnej energii powierzchniowej, a takze zmiany struktury fizycznej i chemicznej WW materialow.
7. Jakie są szczególne cechy polimerów w porównaniu do innych materiałów (metali, ceramiki)?
Polimer jest rozciągany ze stałą szybkością. W początkowym okresie naprężenie jest proporcjonalne do wywołanego odkształcenia, do momentu osiągnięcia granicy plastyczności. Naprężenie maleje, a polimer nadal odkształca się — płynie na zimno, przy stałym naprężeniu, co powoduje tworzenie się przewężenia.
Przedstawione płynięcie na zimno jest podobne do zachowania się polimerów w stanie kauczukopodobnym i jest skutkiem deformacji sieci krystalicznej, pękania fizycznych węzłów. Po przekroczeniu granicy plastyczności sieć przestaje być stabilna.
Głównymi właściwościami koligatywnymi są:
• obniżenie temperatury zamarzania
• podwyższenie temperatury wrzenia (roztworu)
• obniżenie ciśnienia pary
• ciśnienie osmotyczne.
Wraz ze zwiększaniem się masy cząsteczkowej M polimeru rośnie jego wytrzymałość na rozciąganie,
twardość, odporność na uderzenie. Po przekroczeniu wartości granicznej Mgr
dalszy wzrost masy
cząsteczkowej nie powoduje wzrostu właściwości mechanicznych
Kompatybilizator obniża napięcie powierzchniowe na granicy faz proporcjonalnie do swego stężenia według następującego równania: Napięcie powierzchniowe na granicy faz wpływa na wielkość cząstek fazy rozproszonej.
7. Jeśli struktura tego samego polimeru w jednej próbce charakteryzuje się dużą ilością małych sferolitów, a w innej mniejszą ilością dużych sferolitów, to czym mogło być to spowodowane?
W przypadku powolnej krystalizacji (małej szybkości chłodzenia) formują się sferolity dobrze rozwinięte, złożone z dużych lamel, natomiast gdy krystalizacja zachodzi szybko sferolity mają budowę dendrytu.
W semikrystalicznych polimerach handlowych sferolity są małe, gdyż ich wzrost jest ograniczony dużą liczbą centrów nukleacji, do których zalicza się również zanieczyszczenia znajdujące się w polimerze.
8. Podaj przykłady polimerów, które w warunkach użytkowania występują w stanie szklistym oraz takich, które wystepują w stanie wysokoplastycznym.
np. polistyren, poli(chlorek winylu), poli(metakrylan metylu), poliwęglany, których zakres temperatur użytkowania znajduje się w obszarze szklistym.
Stan wysokoelastyczny jest dla niektórych polimerów, np. kauczuków wulkanizowanych, ostatecznie możliwym stanem fizycznym. + poliformaldehyd, polipropylen izotaktyczny.
9. Jakie środki pomocnicze stosować należy przy wytłaczaniu opakowaniowej folii z polietylenu?
Antyutleniacze i antyozonanty(witaminę E, stosowaną w ostatnich latach do produkcji rozdmuchiwanych folii przeznaczonych na opakowania żywności, która jest bardzo wydajna i pozwala zachować smak produktów, eliminując aldehydy powstające w wyniku starzenia PE.)
Środki poślizgowe, antypoślizgowe i antyblokingowe
1. Na czym polegają szczególne właściwości elastomerów? Jakie znasz elastomery?
ELASTOMERY są to polimery (np. kauczuki), które przy małych naprężeniach wykazują duże odkształcenie (do 1000%).
Polepszanie udarności : Wprowadzenie zdyspergowanej fazy elastomeru (mała krystaliczność, niska temp. zeszklenia, dobra kohezja do matrycy — ewentualnie kompatybilizacja)
Poliuretany, kauczuki, EPDM(etylen-propylen-dien)
8. Jak odróżnić polimery amorficzne od krystalicznych?
Są optycznie anizotropowe i można je oglądać w świetle spolaryzowanym, pod mikroskopem między skrzyżowanymi nikolami, tzw. krzyż Maltański.
Polimery amorficzne wykazują duże, a polimery krystaliczne i usieciowane małe relaksacje naprężeń i małe pełzanie.
9. Jakie właściwości fizyczne polimerów ulegają dużej zmianie przy przejsciu ze stanu szklistego do stanu lepkosprężystego, co jest wykorzystywane dla oznaczenia temperatury zeszklenia?
W określonej temperaturze, zwanej temperaturą zeszklenia (Tg lub Tz) właściwości polimeru ulegają zmianie. Zmieniają się prawie wszystkie jego cechy, np.
przewodnictwo cieplne
objętość właściwa
rozszerzalność termiczna
moduł elastyczności.
CIEPŁO WŁASCIWE
Umownie przyjęto za Tg temperaturę połowy tego zakresu.
1. Scharakteryzuj istotę zasady rownoważnosci czasowo-temperaturowej. (2 pkt)
W stanie szklistym procesy relaksacyjne zachodzą w bardzo długim czasie (zbliżonym do nieskończoności), w stanie plastycznym natomiast w bardzo krótkim (zbliżonym do zera).
Równoważność temperaturowo-czasowa jest słuszna przy założeniu liniowego lepkosprężystego zachowania polimeru .
Właściwości układów lepkosprężystych zależą od ruchliwości segmentów łańcucha, którą obrazuje czas relaksacji lub lepkość zmieniająca się wraz z temperaturą w sposób wykładniczy.
Na podstawie zachowania się polimeru relaksacyjnego w danej temperaturze można przewidzieć zachowanie się polimeru w innej temperaturze jedynie przez zmianę czasu.
Zasadę tę opisuje równanie:
gdzie:
aT- współczynnik przesunięcia (redukcji),
t - czas relaksacji w temperaturze T i T0,
h - lepkość w temperaturze T i T0.
8. Krzywa na rysunku stanowiąca miejsce geometryczne punktów odpowiadających wspólnym pierwszym pochodnym DGm względem stężenia nosi nazwę binodali (krzywa prowadzona linią grubą). Natomiast zbiór punktów odpowiadających zerowej wartości drugiej pochodnej nosi nazwę spinodali (krzywa narysowana linią cienką). Jakie jest znaczenie binodali i spinodali? (4 pkt)
Pozostawienie roztworu w temperaturze odpowiadającej położeniu punktu C (rys. b) prowadzi do nieuchronnego podziału układu na dwie fazy o składach wyznaczonych dwoma punktami na wykresie AGm-F w tej temperaturze, o wspólnej stycznej.
W obszarze ograniczonym krzywą spinodali roztwór ulega dekompozycji spinodalnej.
1. Scharakteryzuj pojęcia sprężystości energetycznej i sprężystości entropowej polimerów.
Poniżej temperatury zeszklenia łańcuchy polimerowe wykazują bardzo małą ruchliwość.
W polimerze poddawanym deformacji w stanie szklistym mogą zachodzić jedynie stosunkowo niewielkie zmiany odległości międzyatomowych i odkształcenia kątów wartościowości bez zmiany konfiguracji makrocząsteczki jako całości.
Procesy te wpływają w pierwszej kolejności na zmianę energii wewnętrznej przy pomijalnie małych zmianach entropii.
Sprężystość polimerów w stanie szklistym związana z opisanymi procesami nosi nazwę sprężystości energetycznej.
W stanie kauczukopodobnym powyżej temperatury zeszklenia makrocząsteczki polimeru mają już znacznie większą ruchliwość i naturalną tendencję do skłębiania się, zwiększającą entropię układu.
Deformowanie polimeru w tych warunkach prowadzi z reguły do rozciągania (rozkłębiania) łańcuchów polimerowych, połączonego ze zmniejszeniem ich ruchliwości, co przede wszystkim wiąże się ze zmniejszeniem entropii układu przy pomijalnych zmianach jego energii wewnętrznej.
SPRĘŻYSTOŚĆ ENTROPOWA
Sprężystość polimerów w stanie wysokoelastycznym.
1. Wymień 3 sposoby modyfikacji chemicznej polimerów i podaj jakie właściwości ulegną zmianie oraz w jakim kierunku zajdą te zmiany w stosunku do polimeru nie modyfikowanego.
Modyfikacja chemiczna obejmuje:
• kopolimeryzację statystyczną, blokową i szczepioną,
• zmianę rozkładu ciężarów cząsteczkowych, średniego ciężaru cząsteczkowego oraz budowy makrocząsteczek, z włączeniem budowy i rozmieszczenia grup funkcyjnych, sieciowania oraz tworzenia wzajemnie przenikających się sieci.
1. W jakim celu wytwarza się mieszaniny polimerowe?
Środki pomocnicze w postaci dodatków przetwórczych wpływają na przebieg procesów przetwarzania, natomiast w postaci dodatków funkcjonalnych na właściwości użytkowe tworzyw.
Ponadto w obu przypadkach środki te mogą służyć zarówno stabilizacji, jak i modyfikacji właściwości przetwórczych lub użytkowych polimerów.
2. W jaki sposób osiąga się wymuszoną orientację polimeru i jaki ma to wpływ na właściwości.
3. Jakie są powody zmian właściwości polimerów w kompozycjach polimerowych, w porównaniu do ich właściwości w układach jednoskładnikowych.
Właściwości polimerów zmieniają się podczas sporządzania kompozycji,
m.in. z powodu degradacji mechanochemicznej oraz z powodu
oddziaływania pozostałych składników kompozycji na morfologię ich
struktur nadcząsteczkowych.
4. Kiedy polimery są mieszalne termodynamicznie.
5. Kiedy polimery nie są mieszalne termodynamicznie.
DGm=DHm – TD...
inzynieria.materialowa