Polymers Characteristics, Applications and Processing

Polymers Characteristics, Applications and Processing

1 May 2020 Off By Sdbamie

15) Polymers Characteristics, Applications and Processing

 

15.2 Stress-Strain Behavior

The description of stress-strain behavior is similar to that of metals, but a very important consideration for polymers is that the mechanical properties depend on the strain rate, temperature, and environmental conditions.
The stress-strain behavior can be brittle, plastic and highly elastic (elastomeric or rubber-like).
1. Tensile modulus (modulus) and tensile strengths are orders of magnitude smaller than those of metals, but elongation can be up to 1000 % in some cases. The tensile strength is defined at the fracture point and can be lower than the yield strength.
Mechanical properties change dramatically with temperature, going from glass-like brittle behavior at low temperatures (like in the liquid-nitrogen demonstration) to a rubber-like behavior at high temperatures.
In general, decreasing the strain rate has the same influence on the strain-strength characteristics as increasing the temperature: the material becomes softer and more ductile.

 

15.3 Deformation of Semicrystalline Polymers

Many semicrystalline polymers have the spherulitic structure and deform in the following steps :

  • elongation of amorphous tie chains
  • tilting of lamellar chain folds towards the tensile direction
  • separation of crystalline block segments
  • orientation of segments and tie chains in the tensile direction

The macroscopic deformation involves an upper and lower yield point and necking. Unlike the case of metals, the neck gets stronger since the deformation aligns the chains so increasing the tensile stress leads
to the growth of the neck.

 

15.4 Factors that Influence the Mechanical Properties of Polymers

The tensile modulus decreases with increasing temperature or diminishing strain rate. Obstacles to the steps mentioned in 16.4 strengthen the polymer. Examples are cross-linking (aligned chains have more van der Waals inter-chain bonds) and a large mass (longer molecules have more interchain bonds). Crystallinity increases strength as the secondary bonding is enhanced when the molecular chains are closely packed and parallel. Pre-deformation by drawing, analogous to strain hardening in metals, increases strength by orienting the molecular chains. For undrawn polymers, heating increases the tensile modulus and yield strength, and reduces the ductility – opposite of what happens in metals.

 

15.5 Crystallization, Melting, and Glass Transition Phenomena

Crystallization rates are governed by the same type of S-curves we saw in the case of metals . Nucleation becomes slower at higher temperatures.
The melting behavior of semicrystalline polymers is intermediate between that of crystalline materials (sharp density change at a melting temperature) and that of a pure amorphous material (slight change in slope of density at the glass-transition temperature). The glass transition temperature is between 0.5 and 0.8 of the melting temperature.
The melting temperature increases with the rate of heating, thickness of the lamellae, and depends on the temperature at which the polymer was crystallized.
Melting involves breaking of the inter-chain bonds, so the glass and melting temperatures depend on:

  • chain stiffness (e.g., single vs. double bonds)
  • size, shape of side groups
  • size of molecule
  • side branches, defects
  • cross-linking

Rigid chains have higher melting temperatures.

 

15.6 Thermoplastic and Thermosetting Polymers

Thermoplastic polymers (thermoplasts) soften reversibly when heated (harden when cooled back) Thermosetting polymers (thermosets) harden permanently when heated, as cross-linking hinder bending and rotations. Thermosets are harder, more dimensionally stable, and more brittle than thermoplasts.

 

15.7 Viscoelasticity

At low temperatures, amorphous polymers deform elastically, like glass, at small elongation. At high temperatures the behavior is viscous, like liquids. At intermediate temperatures, the behavior, like a rubbery solid, is termed viscoelastic. Viscoelasticity is characterized by the viscoelastic relaxation modulus Er = s(t)/e0.
If the material is strained to a value e0.it is found that the stress needs to be reduced with time to maintain this constant value of strain.
In viscoelastic creep, the stress is kept constant at s0 and the change of deformation with time e(t) is measured. The time-dependent creep modulus is given by Ec = s0/e(t).

 

15.8 Deformation and Elastomers

Elastomers can be deformed to very large strains and the spring back elastically to the original length, a behavior first observed in natural rubber. Elastic elongation is due to uncoiling, untwisting and straightening of chains in the stress direction.
To be elastomeric, the polymer needs to meet several criteria:

  • must not crystallize easily
  • have relatively free chain rotations
  • delayed plastic deformation by cross-linking (achieved by vulcanization).
  • be above the glass transition temperature

 

15.9 Fracture of Polymers

As other mechanical properties, the fracture strength of polymers is much lower than that of metals. Fracture also starts with cracks at flaws, scratches, etc. Fracture involves breaking of covalent bonds in the chains. Thermoplasts can have both brittle and ductile fracture behaviors. Glassy thermosets have brittle fracture at low temperatures and ductile fracture at high temperatures.
Glassy thremoplasts often suffer grazing before brittle fracture. Crazes are associated with regions of highly localized yielding which leads to the formation of interconnected microvoids (Fig. 16.15). Crazing absorbs energy thus increasing the fracture strength of the polymer.

 

15.10 Miscellaneous Characteristics

Polymers are brittle at low temperatures and have low impact strengths (Izod or Charpy tests), and a brittle to ductile transition over a narrow temperature range.
Fatigue is similar to the case of metals but at reduced loads and is more sensitive to frequency due to heating which leads to softening.

15.11 Polymerization
Polymerization is the synthesis of high polymers from raw materials like oil or coal. It may occur by:

  • addition (chain-reaction) polymerization, where monomer units are attached one at a time
  • condensation polymerization, by stepwise intermolecular chemical reactions that produce the mer units.

15.12 Elastomers

In vulcanization, crosslinking of the elastomeric polymer is achieved by an irreversible chemical reaction usually at high temperatures (hence ‘vulcan’), and usually involving the addition of sulfur compounds. The S atoms are the ones that form the bridge cross-links. Elastomers are thermosetting due to the cross-linking.
Rubbers become harder and extend less with increasing sulfur content. For automobile applications, synthetic rubbers are strengthened by adding carbon black.
In silicone rubbers, the backbone C atoms are replaced by a chain of alternating silicon and oxygen atoms.
These elastomers are also cross-linked and are stable to higher temperatures than C-based elastomers.

15) पॉलिमर विशेषता, अनुप्रयोग और प्रसंस्करण

15.2 तनाव-तनाव व्यवहार

तनाव-तनाव व्यवहार का वर्णन धातुओं के समान है, लेकिन पॉलिमर के लिए एक बहुत महत्वपूर्ण विचार यह है कि यांत्रिक गुण तनाव दर, तापमान और पर्यावरणीय परिस्थितियों पर निर्भर करते हैं।
तनाव-तनाव व्यवहार भंगुर, प्लास्टिक और अत्यधिक लोचदार (इलास्टोमेरिक या रबड़ की तरह) हो सकता है।
1. तन्य मापांक (मापांक) और तन्यता ताकत धातुओं की तुलना में छोटे परिमाण के आदेश हैं, लेकिन बढ़ाव कुछ मामलों में 1000% तक हो सकता है। तन्य शक्ति को फ्रैक्चर बिंदु पर परिभाषित किया गया है और उपज ताकत से कम हो सकती है।
तापमान के साथ यांत्रिक गुणों में नाटकीय रूप से परिवर्तन होता है, उच्च तापमान पर कांच जैसे तरल पदार्थ (जैसे तरल-नाइट्रोजन प्रदर्शन) में भंगुर व्यवहार से।
सामान्य तौर पर, तनाव की दर कम होने से तापमान बढ़ने के साथ तनाव-शक्ति विशेषताओं पर समान प्रभाव पड़ता है: सामग्री नरम और अधिक नमनीय हो जाती है।

15.3 अर्धविराम पॉलिमर का विरूपण

कई अर्ध-क्रिस्टलीय पॉलिमर में गोलाकार संरचना और निम्न चरणों में विकृति है:

  • अनाकार टाई जंजीरों के बढ़ाव
  • लैमेलर श्रृंखला की झुकाव तन्यता दिशा की ओर मोड़ती है
  • क्रिस्टलीय ब्लॉक खंडों को अलग करना
  • तन्यता दिशा में सेगमेंट और टाई चेन का उन्मुखीकरण

मैक्रोस्कोपिक विकृति में एक ऊपरी और निचली उपज बिंदु और गरदन शामिल होती है। धातुओं के मामले के विपरीत, गर्दन मजबूत हो जाता है क्योंकि विरूपण श्रृंखलाओं को संरेखित करता है इसलिए तन्यता बढ़ने
से गर्दन का विकास होता है।

15.4 कारक जो पॉलिमर के यांत्रिक गुणों को प्रभावित करते हैं

बढ़ते तापमान या ह्रासमान तनाव दर के साथ तन्यता मापांक कम हो जाता है। 16.4 में उल्लिखित चरणों में बाधाएं बहुलक को मजबूत करती हैं। उदाहरण क्रॉस-लिंकिंग हैं (संरेखित जंजीरों में अधिक वैन डेर वाल्स अंतर-चेन बांड हैं) और एक बड़े द्रव्यमान (लंबे समय तक अणुओं में अधिक इंटरचिन बांड होते हैं)। क्रिस्टलीयता बढ़ जाती है क्योंकि आणविक जंजीरों को बारीकी से पैक और समानांतर होने पर द्वितीयक संबंध को बढ़ाया जाता है। ड्राइंग द्वारा पूर्व-विकृति, धातुओं में कठोर सख्त के अनुरूप, आणविक श्रृंखलाओं को उन्मुख करके ताकत बढ़ाती है। अपरिवर्तित पॉलिमर के लिए, हीटिंग तन्यता मापांक और उपज शक्ति को बढ़ाता है, और धातुओं में जो कुछ भी होता है, उसके विपरीत लचीलापन कम कर देता है।

15.5 क्रिस्टलीकरण, पिघलने, और ग्लास संक्रमण घटना

क्रिस्टलीकरण दर उसी प्रकार के एस-वक्रों द्वारा शासित होती हैं जिन्हें हमने धातुओं के मामले में देखा था। उच्च तापमान पर न्यूक्लिएशन धीमा हो जाता है।
अर्ध-क्रिस्टलीय पॉलिमर का पिघलने वाला व्यवहार क्रिस्टलीय सामग्रियों (पिघलने के तापमान में तेज घनत्व परिवर्तन) और शुद्ध अशुभ सामग्री (कांच-संक्रमण तापमान पर घनत्व के ढलान में मामूली परिवर्तन) के बीच का अंतर है। कांच के संक्रमण का तापमान पिघलने के तापमान के 0.5 से 0.8 के बीच होता है।
पिघलने का तापमान हीटिंग की दर के साथ बढ़ता है, लैमेला की मोटाई, और उस तापमान पर निर्भर करता है जिस पर बहुलक क्रिस्टलीकृत था।
पिघलने में अंतर-श्रृंखला बंधों का टूटना शामिल है, इसलिए कांच और पिघलने का तापमान इस पर निर्भर करता है:

  • श्रृंखला कठोरता (जैसे, एकल बनाम डबल बॉन्ड)
  • आकार, पक्ष समूहों का आकार
  • अणु का आकार
  • साइड ब्रांच, दोष
  • क्रॉस-लिंकिंग

कठोर जंजीरों में पिघलने का तापमान अधिक होता है।

15.6 थर्माप्लास्टिक और थर्मोसेटिंग पॉलिमर

थर्मोप्लास्टिक पॉलिमर (थर्मोप्लास्ट्स) गर्म होने पर उल्टा नरम हो जाते हैं (जब ठंडा हो जाता है तो कठोर) थर्मोसेटिंग पॉलिमर (थर्मोसेट्स) को जब स्थायी रूप से गर्म किया जाता है, तो क्रॉस-लिंकिंग बाधा झुकने और घुमाव के रूप में। थर्मोसैट कठिन हैं, अधिक मंद रूप से स्थिर हैं, और थर्माप्लास्ट की तुलना में अधिक भंगुर हैं।

15.7 विस्कोसिटी

कम तापमान पर, अनाकार पॉलीमर कांच के समान, छोटे बढ़ाव पर ख़राब हो जाते हैं। उच्च तापमान पर व्यवहार तरल जैसा होता है। मध्यवर्ती तापमान पर, एक रबर ठोस की तरह व्यवहार को विस्कोसैस्टिक कहा जाता है। Viscoelasticity viscoelastic विश्राम मापांक Er = s (t) / e0 द्वारा विशेषता है।
यदि सामग्री को मान 0 पर तनाव दिया जाता है। यह पाया जाता है कि तनाव के इस निरंतर मूल्य को बनाए रखने के लिए समय के साथ तनाव को कम करना होगा।
Viscoelastic रेंगना में, तनाव को s0 पर स्थिर रखा जाता है और समय e (t) के साथ विकृति के परिवर्तन को मापा जाता है। समय पर निर्भर रेंगना मापांक Ec = s0 / e (t) द्वारा दिया जाता है।

15.8 विरूपण और इलास्टोमर्स

इलास्टोमर्स को बहुत बड़े उपभेदों और वसंत में वापस मूल लंबाई में विकृत किया जा सकता है, एक व्यवहार पहली बार प्राकृतिक रबर में देखा गया था। लोचदार बढ़ाव तनाव की दिशा में uncoiling, untwisting और जंजीरों को सीधा करने के कारण होता है।
इलास्टोमेरिक होने के लिए, बहुलक को कई मानदंडों को पूरा करने की आवश्यकता होती है:

  • आसानी से क्रिस्टलीकृत नहीं होना चाहिए
  • अपेक्षाकृत मुफ्त श्रृंखला घुमाव हैं
  • क्रॉस-लिंकिंग (वल्कनीकरण द्वारा प्राप्त) द्वारा प्लास्टिक विरूपण में देरी।
  • कांच संक्रमण तापमान से ऊपर हो

15.9 पॉलिमर का फ्रैक्चर

अन्य यांत्रिक गुणों के रूप में, पॉलिमर की फ्रैक्चर ताकत धातुओं की तुलना में बहुत कम है। फ्रैक्चर भी खामियों, खरोंच आदि पर दरार के साथ शुरू होता है, फ्रैक्चर में जंजीरों में सहसंयोजक बंधनों का टूटना शामिल है। थर्माप्लास्ट में भंगुर और नमनीय दोनों फ्रैक्चर व्यवहार हो सकते हैं। ग्लासी थर्मोसेट में कम तापमान पर भंगुर फ्रैक्चर और उच्च तापमान पर तन्य भंगुरता होती है।
ग्लासी थरमोप्लास्ट अक्सर भंगुर फ्रैक्चर से पहले चराई करते हैं। Crazes अत्यधिक स्थानीय उपज वाले क्षेत्रों से जुड़े होते हैं जो परस्पर जुड़े माइक्रोवॉइड्स के गठन की ओर जाता है (चित्र। 16.15)। क्रैजिंग ऊर्जा को अवशोषित करता है जिससे बहुलक की फ्रैक्चर शक्ति बढ़ती है।

15.10 विविध लक्षण

पॉलिमर कम तापमान पर भंगुर होते हैं और इनमें कम प्रभाव शक्ति (इज़ोद या चारपी परीक्षण) होती है, और एक संकीर्ण तापमान सीमा से अधिक नमनीय संक्रमण होता है।
थकान धातुओं के मामले के समान है, लेकिन कम भार पर और हीटिंग के कारण आवृत्ति के प्रति अधिक संवेदनशील है जो नरम करने की ओर जाता है।

15.11 पॉलिमराइजेशन
पॉलिमराइजेशन तेल या कोयले जैसे कच्चे माल से उच्च पॉलिमर का संश्लेषण है। यह इसके द्वारा हो सकता है:

  • इसके अलावा (श्रृंखला-प्रतिक्रिया) पोलीमराइज़ेशन, जहां मोनोमर इकाइयां एक समय में एक से जुड़ी होती हैं
  • कंडेनसेशन पोलीमराइजेशन, स्टेपवाइज इंटरमॉलिक्युलर केमिकल रिएक्शन्स द्वारा जो मेर यूनिट्स का उत्पादन करता है।

15.12 इलास्टोमर्स

वल्केनाइजेशन में, इलास्टोमेरिक बहुलक के क्रॉसलिंकिंग को अपरिवर्तनीय रासायनिक प्रतिक्रिया द्वारा उच्च तापमान (इसलिए ‘वल्कन’) पर प्राप्त किया जाता है, और आमतौर पर सल्फर यौगिकों को शामिल किया जाता है। S परमाणु वे हैं जो पुल क्रॉस-लिंक बनाते हैं। क्रॉस-लिंकिंग के कारण इलास्टोमर्स थर्मोसेटिंग हैं।
रबर्स सख्त हो जाते हैं और सल्फर की मात्रा बढ़ने से कम होते हैं। ऑटोमोबाइल अनुप्रयोगों के लिए, कार्बन ब्लैक को जोड़कर सिंथेटिक घिसने को मजबूत किया जाता है।
सिलिकॉन घिसने में, बैकबोन सी परमाणुओं को वैकल्पिक सिलिकॉन और ऑक्सीजन परमाणुओं की एक श्रृंखला द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है।
ये इलास्टोमर्स भी क्रॉस-लिंक्ड हैं और सी-आधारित इलास्टोमर्स की तुलना में उच्च तापमान पर स्थिर हैं।
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