20/07/54

1

วชา 313 351 เคมพอลเมอรเบองตน (Elementary to Polymer Science)

โดย ผศ.ดร.ชศกด พนสวสดSC 4502-2, 4203

choosak@kku.ac.thhttp://chemsci.kku.ac.th/choosak

เอกสารอางอง

1. Sperling, L.H., Introduction to Physical Polymer Science: 2nd Ed., John Wiley & Sons, 1992.

2 Billmeyer, F.W. Jr., Textbook of Polymer Science: 3rd Ed., John Wiley & Sons, 1984.

3. Cowie, J.M.G., Polymers: Chemistry & Physics of Modern materials: 2nd Ed., Blackie Academic & Professional, 1996.

4. Allcock H.R. and Lampe F.W., Contemporary Polymer Chemistry: 2nd Ed., Prentice Hall, 1990.

5. http://www.pslc.ws/macrog/index.htm6. ปรชา พหลเทพ, วชา CH 462 โพลเมอร (High Polymers)

ส านกพมพมหาวทยาลยรามค าแหง พมพครงท 10, 2546

สมบตเชงกลของพอลเมอรMechanical property of polymer

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)

20/07/54

2

= 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

เสยรป (deform) อยางถาวร

1. Tension tests (ทดสอบแบบดง) =

FA0

= =li - l0l0

ll0

F : instantaneous force (N or lb)

A0 : original cross-section (m2 or in2)

li : instantaneous length

l0 : original length

20/07/54

3

2. Compression tests (ทดสอบแบบกดอด)

F is taken to be negative

li < l0

= FA0

= =li - l0l0

ll0

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

โจทยตวอยาง

แทงพอลเอธลนซงมความยาวเทากบ 105 ม.ม. ถกดงตามแนวยาวดวยความเคน (stress) ขนาด

25 เมกกะปาสคาล (MPa) ถาการดงนเปนแบบยดหยน (elastic) แทงพอลเอธลนน

จะมความยาวเปนเทาใดภายหลงการดง

ก าหนดให คายงกมอดลส (E) ของพอลเอธลน มคาเทากบ 1.08 จกะปาสคาล (GPa)

= E = E l

l0

l = l0

E

(25 MPa)(105 mm)

(1.08 x 103 MPa)= = 2.43 mm

ภายหลงการดง แทงพอลเอธลนนจะมความยาวเทากบ 105 + 2.43 = 107.43 mm\

Room Temperature Elastic and Shear Moduli, and

Poisson’s Ratio for Various Materials

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

20/07/54

4

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.

Deformation

20/07/54

5

โลหะ

Offset Line 0.2% for metals, 2% for plastics

Offset line

20/07/54

6

NON-LINEAR ELASTIC DEFORMATION

พอลเมอร

2% secant modulus

ยด 2%

Initial tangentmodulus

20/07/54

7

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)

20/07/54

8

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 Tensile Tensile Impact Max. use DTUL DTUL

strength modulus strength temp,oC at at

(103 psi) (105 psi) Izod (no load) 66 psi 264 psi

(ft-lb/in)

Thermoplastics

PC 9 3.45 12-16 121 132-143 129-140

PET 10.4 - 0.8 80 115 85

HDPE 2.9-5.4 - 0.4-14 79-121 60-88 43-54

LDPE 0.9-2.5 0.2-0.27 - 82-100 38-49 32-40

PP (GP) 4.5-6.0 1.6-3.0 0.4-1.2 107-148 93 -110 52-60

PS (GP) 6.07-7.3 4.5 0.3 65-77 - 82-104

PVC (Rigid) 5-8 3-5 0.5-20 65-79 57-82 54-79

PVC (Flexible) 1.4 - 0.5-20 60-79 - -

Thermosets

Epoxy(No filler) 4-13 2.15-5.2 0.2-1.0 121-260 - 46-260

Epoxy(Glass filled) 10-30 30 10-30 149-260 - 121-260

Melamines(Glass filled) 5-10 24 0.6-18 149-204 - 204

Phenolics(Glass filled) 5-18 19-33 0.3-18 177-288 - 148-315

P.L.Mangonon, The Principles of Materials Selection for Engineering Design, Prentice- Hall, Upper Saddle River, 1999

ตวอยางคา DTUL ของพอลเมอร

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

เพม T -elastic modulus -tensile strength -ductility

ลดลงลดลง

เพมขน

polymethyl 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).

20/07/54

9

Failure

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

Photograph of a craze in polyphenylene oxide.

Crazes form at highly stressed regions

associated with scratches, flaws, and

molecular inhomogeneities;in addition,

they propagate perpendicular to the

applied tensile stress, and typically

are 5 micron or less thick.

20/07/54

10

รอยขาวของ craze

เสนใดจะเปนพฤตกรรมทอณหภมสง