Fyzikální význam mechanických vlastností termoplastů

3.2.8 Fyzikální význam mechanických vlastností termoplastů

Ing. Richard Klement

Aby termoplasty vyhověly praktickým nárokům, musejí mít určité vlastnosti mechanické, tepelné, optické, elektrické, případně vzhledové. Ve většině případů hrají nejdůležitější roli právě mechanické vlastnosti. Mechanické charakteristiky rozhodují o spolehlivé funkci plastů prakticky ve všech aplikačních oblastech od konstrukčních dílů přes elektronické a lékařské aplikace až k nejmodernějším paměťovým médiím. Ve všech těchto oblastech může mechanické selhání znamenat značné škody a ztráty. Proto byly vyvinuty různé metody pro objektivní hodnocení mechanických vlastností.

Zatímco termín mechanické vlastnosti znamená soubor určitých číselných hodnot s určitou statistickou spolehlivostí, termínem mechanické chování se míní průběhy těchto hodnot a jejich závislosti na teplotě, čase, zkušební rychlosti, případně složení materiálu. Naproti tomu problematické je označit určité mechanické vlastnosti jako dobré, nebo špatné. To vždycky záleží na tom, pro jaký účel má být daný materiál použit. Často je zvýšení jedné vlastnosti dosaženo na úkor vlastnosti jiné a materiálový technolog pak musí tyto protichůdné vlastnosti vyvažovat za cenu nezbytného kompromisu.

Mechanické chování plastů závisí na jejich struktuře. Strukturu můžeme ovšem definovat na různých úrovních, počínaje úrovní molekulární přes nadmolekulární, fázové uspořádání až k mikroskopickým poruchám. Fyzika polymerů dnes nabízí celou řadu metod pro charakterizaci určitých strukturních útvarů. Některé z nich mají význam hlavně pro základní teoretický výzkum, avšak určité strukturní informace o používaném materiálu by měl mít v podstatě každý zpracovatel, výrobce i uživatel. To ovšem nemusí znamenat, že by v každém zpracovatelském provoze musela být nutně plně vybavená zkušebna. Je však řada dobrých důvodů pro to, aby praktický technolog spolupracoval se zkušeným polymerním fyzikem. Cílem této kapitoly je poskytnout základní srozumitelné informace o vztazích mezi důležitými užitnými vlastnostmi a jejich strukturní příčinou. Tak současně s rozvojem mechanických zkušebních metod byla už nyní shromážděna řada poznatků o vzájemných vztazích mezi strukturními parametry na jednotlivých úrovních a mechanickým chováním. V následující tabulce je uveden stručný přehled jednotlivých úrovní struktury polymerů a nejčastěji používaných metod hodnocení jejich významných parametrů. To dnes dovoluje tvorbu strukturních modelů na jedné straně a použití mechanických měření k strukturní analýze na straně druhé. Pochopení zákonitostí vztahů mezi strukturou a mechanickými vlastnostmi posléze vedlo i k vývoji speciálních polymerních materiálů, jejichž pevnost, houževnatost, životnost a spolehlivost je proti klasickým polymerům podstatně zvýšená. Proto je studium mechanických vlastností dnes důležitou a respektovanou součástí fyziky polymerů.

Základní strukturní úrovně termoplastů a příslušné fyzikální metody vhodné pro jejich charakterizaci:

Všimněme si nyní podrobněji mechanického chování termoplastů. Je důležité si uvědomit, že měření mechanických vlastností, případně mechanického chování může mít různé cíle.

a) Na prvním místě je hledisko technologie. Mechanické vlastnosti běžně slouží jako základní charakteristiky kvality daného materiálu a slouží při kvalitativní přejímce. K tomuto účelu je třeba, aby podmínky zkoušky byly co nejjednodušší a byly sjednoceny obecně přijatou normou.

b) Další důležité hledisko je získání číselných podkladů pro dimenzování konstrukčních částí. Také v tomto případě bývá průběh zkoušky normován, ale již nepostačuje jednoduchá krátkodobá zkouška tahem, ale je třeba materiál hodnotit podle předpokládaného provozního namáhání, získat informace o dlouhodobém chování materiálů a specifikovat teplotní interval, v němž může materiál spolehlivě sloužit.

c) Specifické mechanické zkoušky se používají pro hodnocení hotových výrobků. Tyto zkoušky mají napodobit skutečné provozní namáhání. Tak se plastové vědro podrobí pádu z určité výšky, brýlové sklo je vystaveno pádu ocelové kuličky, ochranná přilba musí vydržet definovaný náraz v padostroji.

d) Mechanické zkušební metody mají nezastupitelné místo také v badatelském výzkumu. V tomto případě už podmínky zkoušky nemusejí být svázány přísnými podmínkami normy, ale musejí být známy fyzikální podmínky zkoušky. Protože cílem fyzikálního výzkumu je pochopení strukturních mechanismů, které jsou skutečnou příčinou mechanického chování, je třeba mechanické měření kombinovat s dalšími strukturně citlivými metodami. Některé soudobé metody umožňují provádět mechanické a strukturní měření současně (on-line). Ze základního výzkumu však vyplynuly i prakticky důležité výsledky, které umožňují dlouhodobou prognózu vlastností, a tím i životnosti plastových součástí.

Základní pojmy

Každý výrobek z termoplastu vystavený mechanickému namáhání může reagovat dvojím způsobem: buď deformací, nebo porušením, případně lomem. Zatímco deformace obvykle zasahuje velkou část objemu materiálu, lom je více nebo méně lokalizován, mimo to se ještě rozlišuje mezi křehkým a tvárným porušením. V prvním případě se v materiálu vytvoří trhlina bez výraznější předchozí deformace, v druhém případě se před vrcholem trhliny vytvoří oblast plasticky změněného, orientovaného materiálu.

Aby bylo možno působení vnější síly na výrobky různého tvaru objektivně hodnotit, byl zaveden pojem mechanické napětí jako působící síly na jednotkovou plochu. V nejjednodušším případě tahového namáhání je napětí σ dáno jako podíl tahové síly F k příčnému průřezu A:

σ = F / A

Protože síla se měří v newtonech (N) a plocha v m², je jednotkou napětí 1 N/m² neboli 1 pascal (1 Pa). Tato jednotka je pro praxi příliš malá, proto se používají její násobky. Tisíc pascalů je 1 kilopascal (kPa), milion pascalů je jeden megapascal (1 MPa). Vzhledem ke starším jednotkám přibližně platí, že 1 MPa = 10 kp/cm². (Jeden pascal je ovšem také jednotka tlaku a všichni motoristé si už museli zvyknout na to, že tlak v pneumatikách se měří v pascalech, přičemž 1 atmosféra je přibližně 100 kPa neboli 0,1 MPa čili 1 kp/cm².) Vlivem vnějšího namáhání mění tělesa svůj tvar a rozměry.

Zůstaneme-li u jednoduchého případu tahového namáhání, vyjadřuje se celkové prodloužení jako deformace ε. Deformace je dána jako podíl celkové změny délky

Δl = l – l₀ k počáteční délce l₀:

ε = Δl / l₀ = (l – l₀) / l₀

Deformace je bezrozměrná veličina a vyjadřuje se buď desetinným zlomkem, nebo v procentech (%). Jestliže se pryžový vzorek prodlouží na dvojnásobek původní délky, dosáhne deformace 100 %.

Je důležité se uvědomit, že deformace těles vystavených vnější síle je nevyhnutelná a vlastně tělesům umožňuje, aby vnější namáhání vyrovnávaly deformací svých strukturních jednotek, například vazeb mezi atomy a molekulami. Dovolíme si uvést sice banální, ale zato velmi názorný příklad. Pokud někdo stojí v teniskách z měkké pryže na podlaze z lité epoxidové pryskyřice, působí oba materiály na sebe v místě kontaktu přesně stejnou silou. Jejich deformace se však přitom značně liší, neboť materiály mají značně rozdílnou tuhost. Objektivní mírou tuhosti materiálu je modul pružnosti, v případě tahového nebo tlakového namáhání se mu říká Youngův modul E. Vypočítá se jako podíl napětí k příslušné deformaci:

E = σ / ε

Protože deformace je bezrozměrná veličina, je jednotkou modulu pružnosti rovněž pascal a jeho násobky (kPa, MPa).

Základní zkouškou, která stanovuje mechanické parametry určitého termoplastu, je takzvaná tahová zkouška neboli zkouška napětí-deformace. Nejsnáze se provede pomocí trhacího stroje. Podstatou tohoto zařízení jsou dvě čelisti, z nichž jedna, obvykle ta horní, je spojena se siloměrným čidlem a druhá se může od první vzdalovat konstantní rychlostí. Mezi tyto čelisti se upne zkušební těleso, vyrobené buď přímo vstřikováním do formy, nebo vyseknuté, případně vyfrézované z destičky. Výsledkem tahové zkoušky je pak diagram síla-protažení, který se ovšem musí přepočítat do souřadnic napětí-deformace. Moderní trhací stroj tento přepočet provádí automaticky ze zadaných rozměrů tělesa.

Časově nezávislá deformace, která po uvolnění zatížení okamžitě vymizí, se nazývá elastická deformace. (Řada polymerních materiálů, např. kaučuky, vykazuje nelineární křivku mezi napětím a deformací, ale deformace je stále elastická v tom smyslu, že se těleso po odtížení vrátí do původního tvaru.) Všechny ostatní typy deformací, při kterých po odtížení nedojde k okamžitému vyrovnání deformace, elastické nejsou. Pro mechanické chování termoplastů je typická výrazná závislost na čase už od velmi malých deformací. To se někdy znázorňuje schematickými modely, které trochu připomínají elektrotechnická schémata. Místo odporů a indukčností v nich vystupují ideální pružiny charakterizované modulem pružnosti, ideální kapalinové tlumiče s charakteristickou viskozitou a dále prvek mechanického tření.

Viskoelastické modely

(a) Maxwellův model

(b) Voigtův model

(c) Paralelní zapojení dvou Maxwellových modelů

(d) Složený model

Spojením tlumičů a pružin, tedy viskozity a elasticity, lze modelovat tzv. viskoelastické chování. Tím se vyjadřuje, že deformace se pod napětím plynule rozvíjí v čase a po odtížení se opět s určitou konečnou rychlostí vrací. Prvek mechanického tření se chová jako tuhý spoj až do určitého mezního napětí, kdy zcela povolí, proklouzne. U reálných termoplastů se takové chování nazývá plasticita. Je charakterizováno náhlým rozvojem nevratné deformace, který nastane po překročení určitého mezního napětí, vlastně meze kluzu.

Na tomto místě je třeba poznamenat, že strukturní mechanismy viskoelasticity a plasticity se u polymerů podstatně liší. Zatímco podstatou viskoelasticity je plynulé roztahování makromolekulárního řetězce polymeru, zahrnují mechanismy plasticity drastické a neměnné změny molekulárního uspořádání, výraznou orientaci nebo celkovou přestavbu krystalické struktury. Typický je také nerovnoměrný rozvoj plasticity: soustřeďuje se do poměrně úzkých oblastí, např. do okraje tzv. krčku.

Ze záznamu tahové zkoušky lze odečíst několik důležitých mechanických parametrů materiálu. To je znázorněno na následujícím obrázku.

Co lze vyčíst z tahové zkoušky:

(a) mez úměrnosti

(b) horní mez kluzu

(c) dolní mez kluzu

(d) oblast…