Fakultet kemijskog inenjerstva i tehnologijeZavod za polimerno inenjerstvo i organsku kemijsku tehnologiju

Struktura i svojstva polimernih materijalaVjeba 2. : Dinamiko-mehanika analiza (DMA)

Renata Avgustinovi20.11.2014

TEORIJSKI UVOD:Dinamiko mehanika analiza je metoda kojom se prati deformacija materijala ovisno o temperaturi ili vremenu. Daje nam uvid u reoloko ponaanje krutih polimernih materijala te opisuje njihovo dinamiko-mehaniko ponaanje. Instrument kojim provodimo ovu analizu zove se dinamiko mehaniki analizator. Primjena ove tehnike je u odreivanju viskoelastinih svojstava, tj. modula, pokretljivosti makromolekula, i u razvoju odnosa struktura-morfologija. Zbog primjene, esto su mehanika svojstva vanija od fizikalnih i kemijskih svojstava polimera pa nam je zato i bitna ova metoda kojom pratimo ponaanje polimera pri razliitim optereenjima. Primarne i sekundarne viskoelastine funkcije koje su vidljive preko DMA:Primarne viskoelastine funkcije:E'-modul pohrane(krutosti) -vezan za elastinu komponentu -sposobnost materijala da pohrani energijuE''-modul gubitka -vezan za viskoznu komponentu -mjera gubitka energije -energija izgubljena u obliku toplinetg -tangens kuta gubitka; omjer izmeu viskozne i elastine komponente

tg = Sekundarne viskoelastine funkcije:-puzanje i oporavak

DMA je 100 puta osjetljivija metoda za razliku od DSC, te se njome mogu odrediti:a)slabi relaksacijski prijelazib)efekti orijentacijec)stupanj ovrivanja

Osigurava znaajne informacije koje se mogu upotrijebiti pri odreivanju uporabnih svojstava materijala.

Na temelju DMA odreuje se:Staklite ( prijelaz)Sekundarni fazni prijelazi (, , )KristalnostMolekulna masa / umreavanjeFazna separacija (polimerne mjeavine, kopolimeri)Starenje (fizikalno i kemijsko)Umreavanje mreaOrijentacijaEfekt aditiva

ZADATAK:Primarne viskoelastine funkcije1) Na osnovu DMA spektara: PP, PS i HDPE-a oitaj temperature staklastog prijelaza, Tg na krivuljama modula gubitka, E''/T. Prodiskutiraj odgovarajue promjene na krivuljama modula pohrane, E'/T.2) Na osnovu vrijednosti modula pohrane E'/T, prodiskutiraj promjenu krutosti pojedinih polimera; usporedi krivulje E'/T i produskutiraj.Sekundarne viskoelastine funkcije1) Na osnovu izotermnih mjerenja promjene deformacije materijala, prodiskutiraj deformaciju (puzanje), te module puzanja za date polimere i promjenu s temperaturom; usporedi dobivene vrijednosti puzanja i modula puzanja za polimere i prodiskutiraj.2) Iz konstruiranih temeljnih krivulja, dobivenih mjerenjem puzanja i modula puzanja, procijeni stabilnost polimernog materijala i prodiskutiraj sa stajalita promjene krutosti materijala.

REZULTATI:DMA spektri za date uzorke:

Tablica 1. Vrijednost staklita, Tg i intenziteta modula gubitka, IE''UZORAKTg (C)IE'' (MPa)

PS = 107,01370

PP = -51,4377

= 28,72142

= 74,2696

HDPE = 61,35180

= -125,3237

Tablica 2. Puzanje homopolimera pri konstantnom optereenju na razliitim temperaturamaPOLIMERPUZANJE (%)

TEMPERATURA, C

2530354045

PS8,6319,41711,915,5720,81

PP36,7941,4343,2944,5246,69

HDPE82,269094,1797,7497.14

Tablica 3. Moduli puzanja homopolimera na razliitim temperaturama, prije i nakon optereenjaPOLIMERLog(Ec(Pa))Log(Ec(Pa))

Prije optereenjaPrije optereenja

TEMPERATURA, CTEMPERATURA, C

25303540452530354045

PS9,4949,5089,509,4919,489,469,479, 4519,4289,39

PP9,229,219,1659,129,069,089,50598,958,885

HDPE9,0359,038,958,898,828,778,738,658,598,52

Tablica 4. Poetne i krajnje vrijednosti modula puzanja (log) te pripadajue poetno i krajnje vrijeme, oitani iz temeljnih krivulja

POLIMERLog (Ec(Pa))VRIJEME, t (h)

PoetakKrajPoetakKraj

PS9,5089,3980,00062,3988

PP9,228,90,003225,1189

HDPE9,038,5220,00317,94

RASPRAVA :Iz DMA spektra za PS, vidimo da PS ima samo jedno temperaturu staklita , to znai da je u materijalu prisutna samo relaksacija, odnosno da se pri najveem intenzitetu pokree cijeli sustav makromolekula u materijalu.Iz DMA spektra za PP vidimo da PP ima tri relaksacije. Prema literaturi staklite, koje je na temperaturi 28,72C opisuje relaksaciju i predstavlja staklite PP . Temp. od -51,43C predstavlja relaksaciju, a na temp. 74,26 c relaksacija. c i relaksacija predstavljaju pokretanje segmenata makromolekule, a ne cijelog sustava. c relaksacija uzrokuje nizanje polimernih lanaca u kristalitu, dok relaksacija uzrokuje gibanje manjih lananih grupa u makromolekuli.HDPE ima dva relaksacijska maksimuma ( = 61,35 i = -125,3) . relaksacija povezana je sa pokretljivou segmenata u kristalnoj fazi najvjerojatnije reorganizacijom podruja defekata u kristalima. relaksacija odnosi se na pokretljivost malih segmenata lanaca (3-4 CH2 grupa) amorfnoj fazi. U literaturi se relaksacija opisuje kao staklite PE.Iz relaksacijskog spektra modula pohrane u ovisnosti o temperaturi, vidimo da modul pohrane pada s porastom temperature,iako ne za sva tri uzorka jednako. Kod PP i HDPE prisutan je lagani pad s porastom temp. ,to nije sluaj sa PS koji naglo pada s porastom temperature. Ako promatramo sva tri uzorka na istoj temp.(np. 50 C) , vidimo da najvei modul pohrane ima PS,zatim PP i na kraju HDPE,to znai da je PS najvri materijal i potrebna je najvea koliina energije da bi se deformirao.PP pokazuje odsutnost deformacije pri niskim temperaturama. Za deformaciju PP-a i HPDE-a potrebno je manje energije, i oni su manje otporni nego PS ( PP je otporniji od HDPE-a i potrebna je vea koliina energije za deformaciju).Kod krivulja koje prikazuju puzanje pri razliitim temperaturama za date uzorke,gdje je optereenje konstantno, uoavamo porast puzanja s porastom temperature i vremena. Najvee puzanje ima HDPE iz ega se zakljuuje da je HDPE ilav, elastian i najmanje vrst u odnosu na PS i PP. PS pokazuje najmanje poveanje postotka puzanja pri svim temperaturama- najvri je i najotporniji. PP se nalazi negdje izmeu PS-a i HDPE-a. S porastom temperature puzanje pri konstantnom optereenju raste jer makromolekule imaju vie energije da se pokrenu i promijene konformaciju.Pri referentnoj temperaturi modul puzanja se smanjuje. Za PS-a vidimo da je najmanja promjena izmeu vrijednosti puzanja prije i nakon optereenja. Krivulje imaju sve vee nagibe pada s poveanjem temperature i vremena. Poto je vrijeme procjene trajnosti materijala dosta kratko, moemo rei da nema veliku stabilnost homopolimera. Kod PP-a, s poveanjem temperature i vremena, krivulje gotovo linearno padaju, te imamo manju promjenu puzanja prije i nakon optereenja nego kod HDPE. Vrijeme procjene trajnosti materijala je najvee pa vidimo da je taj homopolimer najstabilniji to znai da ima veliku trajnost. Linearni pad krivulje ima i HDPE, a promjene prije i nakon optereenja za modul puzanja su najvee. Prema tome, najstabilniji je PP, zatim HDPE te PS.

ZAKLJUAK:Iz dobivenih rezultata vidimo da DMA analizom moemo odrediti slabe relaksacijske prijelaze, efekte orjentacije i stupanj ovrivanja materijala.