Transcript 2. Vlastnosti polymerů

Polymerní materiály používané
v polygrafii
2. Vlastnosti polymerů
Licenční studium „Moderní technologie v polygrafii“
2006/2007
prof. RNDr. Marie Kaplanová, CSc.
Merchanické vlastnosti: ideální elastická deformace
• dokonale vratná a okamžitá, „kovová“
• mezi napětím a relativní deformací je přímá úměrnost,
vyjádřená Hookeovým zákonem
Deformace
napětí
[N/m2]
relativní
Hookeův
deformace zákon
tlaková,
tahová
s
e
s=Ee
smyková
t
g
t=Gg
ZFP9
l0
Dl
s
E – Youngův modul pružnosti
G – smykový modul pružnosti
l0
e = Dl/l0
s
2
Ideální elastická deformace
s
Hookeův model
s0
kovová pružina
t
e
ek = D0 s0
t
ZFP9
s
s0
ek =
Ek
3
Ideální viskózní tok
•
•
•
•
toková deformace
při konstantním napětí deformace s časem roste
deformace je nevratná, plastická
rychlost deformace je úměrná působícímu napětí
v souhlase s Newtonovým zákonem
de 1
D=
= s
dt 
ZFP9
t
1
s
ep =
s dt = t


0

4
Ideální viskózní tok
s
Model
píst pohybující se ve
viskózní kapalině
o viskozitě 
s0
t
ep

s0
ep =
t = Dp t  s 0

s
t
ZFP9
5
Viskoelastická (zpožděně elastická) deformace
• pro viskoelastické chování je charakteristická
časově zpožděná reakce na okamžité
působící vnější napětí (retardace deformace,
relaxace napětí)
• časová závislost deformace je složitou funkcí,
charakteristickou pro stav polymeru
• časově proměnný charakter deformace je
určen krípovou funkcí Dv(t) (časově závislá
tahová poddajnost)
ZFP9
6
Viskoelastické chování
relaxace napětí
creep
s
e
s0
e0
t
sv
ev
ev = Dv(t) s0
krípová funkce
ZFP9
t
t
sv = Ev(t) e0
t
časově proměnný modul pružnosti
7
Celková relativní deformace
celková relativní deformace e při působení
konstantního napětí s0
elastická
+
viskoelastická
+
plastická
e = e k + ev + ep
ZFP9
8
Pět oblastí viskoelastického chování lineárních
amorfních polymerů
• deformační chování polymerů při různých teplotách
lze charakterizovat měřením modulu pružnosti
v závislosti na teplotě
• protože viskoelastické chování je spojeno s časově
proměnným modulem pružnosti, při teplotních
závislostech musíme porovnávat jen hodnoty E
měřené ve stejném časovém intervalu od začátku
deformačního namáhání polymeru
• průběh E(T)t= konst.závisí na chemické struktuře
polymeru, molekulové hmotnosti, referenční době
měření a dalších podmínkách
ZFP9
9
Pět oblastí viskoelastického chování lineárních
amorfních polymerů
PMMA
Tg
Tf
ZFP9
t = 10 s
10
Mechanické zkoušky
• mechanickými vlastnosti polymerů rozumíme
komplex vlastností, které polymery vykazují pod
vlivem vnějších mechanických sil
• účinkem působení těchto sil jsou deformační změny,
jejichž velikost a charakter závisí na stavu polymeru
a způsobu jeho namáhání
• mechanické vlastnosti polymerů zjišťujeme pomocí
deformačních zkoušek, v nichž vyhodnocujeme vliv
čtyř proměnných veličin:
ZFP9
11
Typy deformačních zkoušek
dynamické
statické
viskoelastické
creep
e = f(t)T,s
relaxace napětí
s = f(t)T,e
harmonické
s,e ~ sint, cos t
neharmonické
(cyklické)
pracovní křivky s = f(e)T,t
termomechanické e = f(T)t,s
speciální
(pevnost ve smyčce a uzlu, únavové zkoušky)
ZFP9
12
Pracovní (tahové) zkoušky s = f(e)T,t
Instron 5542
měření závislosti napětí na
deformaci při konstantní
rychlosti deformace
ZFP9
Instron 5800
13
Pracovní (tahové) zkoušky s = f(e)T,t
mez pevnosti
horní mez kluzu
dolní mez kluzu
mez pružnosti
oblast pružné
deformace
tga1 = E1
mez tažnosti,
tažnost
pracovní křivka amorfního polymeru
ZFP9
14
Pracovní (tahové) zkoušky s = f(e)T,t
plocha pod
křivkou = trhací
práce, měrná
deformační
práce
ep
L=
 se de
0
ZFP9
15
Tvar pracovní křivky amorfních polymerů závisí na
teplotě
(ve vztahu k Tg a Tf)
rychlosti
deformace)
ZFP9
PVC
Tg= 70°C
16
Tvar pracovní křivky polymeru závisí na
polymeračním
stupni
(A: 1 500, B: 2050,
C:2 600)
na historii vzorku
(např. na dloužení vláken;
l = l/l0 stupeň dloužení )
ZFP9
17
Měření pracovních křivek na „trhačkách“
INSTRON
ZFP9
18
Vlastnosti elektricky nevodivých polymerů
• elektrické izolanty, dielektrika
• elektrické vlastnosti jsou studovány:
– ve stacionárním poli (měrná objemová a
povrchová vodivost, elektrostatická indukce
náboje na povrchu, dielektrická pevnost)
– ve střídavém elektrickém poli (komplexní
dielektrická konstanta, dielektrický ztrátový faktor)
• elektrické vlastnosti polymerů závisí:
– na chemické struktuře,
– fázovém stavu,
– přítomnosti a vlastnostech aditiv
ZFP9
19
Polarizace polymerních dielektrik
• vložením dielektrika do elektrického pole, začne na
elektricky nabité částice působit síla – intenzita
elektrického pole
• elektricky nabité částice v polymeru nejsou volně
pohyblivé, ale mohou se do jisté míry (spolu se
segmentem řetězce) posouvat ve směru působící síly
- kladné ve směru intenzity, záporné proti směru
intenzity elektrického pole
• elektrické pole uvnitř dielektrika se tím zeslabí
• tento jev nazýváme dielektrickou polarizací
ZFP9
20
Polarizace dielektrika

E0

 E0
+
–
–
–
–
–
+
+
+
+
+
–
–
–
–
–
+
+
+
+
+
–
–
–
–
–
–
–
+
+
+
+
+
+
+
–
–
–
–
–
–
–
+
+
+
+
+
+
+
–

Ei
ZFP9
21
Elektrostatický náboj – triboelektrický jev
• u polymerů s velmi malou měrnou vodivostí
(< 10-6 S/m) lze pozorovat elektrostatické nabíjení
povrchových vrstev vyvolané mechanickým třením:
triboelektrický jev
• statický povrchový náboj je jen pomalu odváděn do
objemu vzorku díky malé objemové vodivosti
polymeru
• elektrostatický potenciál na povrchu nevodivého
materiálu může dosahovat vysokých hodnot (řádově
až 106 V)
ZFP9
22
Triboelektrický jev
Triboelektrický jev závisí na chemickém složení materiálů,
kvalitě a velikosti třecích ploch, na rychlosti vzájemného
pohybu, na teplotě a vlhkosti.
ZFP9
23
Triboelektrický jev
• při vzájemném tření dvou polymerů se
obvykle nabíjí kladně ten, který má vyšší
relativní dielektrickou konstantu
• při tření vzorků téhož polymerů dochází
rovněž k nabíjení povrchů, přičemž polarita
závisí na vlastnostech jejich povrchových
vrstev
• podle polarity triboelektrickým jevem
nabíjejících se povrchů různých materiálů
jsou sestavovány triboelektrické řady
ZFP9
24
Triboelektrická řada
ZFP9
25
Statická elektřina
• potlačení triboelektrického jevu v polymerech:
– zvýšení povrchové vodivosti polymerů (antistatické
přípravky, aviváž, povrchově aktivní látky)
– zvýšení objemové vodivosti polymerního materiálu
(elektricky vodivé příměsi, aditiva)
– uzemnění kontaktních míst, kde dochází ke vzniku
povrchového náboje na strojích
– likvidace statického náboje pomocí ionizačních tyčových
elektrod nebo jiných zařízení
•
ZFP9
statická elektřina v polygrafické výrobě
pozitivní vliv
negativní vliv
(elektrostatická podpora
tisku, stohování,…)
(statické nabíjení papíru, problémy
potisku polymerních materiálů,…)
26
Statická elektřina v polygrafické výrobě
• při pohybu papíru nebo polymerních fólií (vzájemném
nebo vůči částím tiskového stroje nebo dokončovacího
zařízení) dochází ke vzniku povrchového statického
náboje
• nabité archy papíru se podle polarity povrchu buď lepí
k sobě nebo vzájemně odpuzují
• velikost statického náboje závisí také na vlhkosti
ovzduší
odstranit elektrostatický náboj z pohybujícího se materiálu
= dodat materiálu částice opačné polarity a tím náboj
neutralizovat
ZFP9
27
Statická elektřina v polygrafické výrobě
• elektrody pro kompenzaci statického náboje obsahují
emisní hroty, které emitují kladně nebo záporně
nabité ionty směrem k vybíjenému materiálu
• pro napájení se využívá buď střídavého napětí u
elektrod ionizačních nebo stejnosměrného napětí pro
elektrody kompenzační
• ionizační elektrody musí být nejdále ve vzdálenosti
20 mm od materiálu, kompenzační do vzdálenosti
100 mm
• pokud tuto vzdálenost nelze dodržet, používají se
elektrody se vzduchovými tryskami, kde proudící
vzduch napomáhá transportu emitovaných iontů z
hrotů elektrod směrem k materiálu
ZFP9
28
Statická elektřina v polygrafické výrobě
• kromě emisních hrotů se používají také vybíjecí hroty
pasivní (bez napětí), které jsou uzemněny; pasivní hroty
mohou snížit elektrostatický náboj nejvýše o 20 %
• ionizační elektrody jsou napájeny vysokým střídavým
napětím 5 kV, 50 Hz, účinná ionizace nastává až pro
hodnoty napětí vyšší než 2,5 kV  při dané frekvenci
jsou časové intervaly (100x za vteřinu), kdy k ionizaci
nedochází)  na rychle se pohybujícím pásu papíru (pro
rychlost nad 10 m/s) jsou „pruhy nevybitého povrchu“
musí se použít elektrody se stejnosměrným zdrojem
ZFP9
29
Použití elektrostatické podpory tisku
• nakladače a vykladače archových strojů (ionizační
foukací hlavy a tyčové elektrody)
• snášení a skládací stroje (cílené nabíjení zaručuje
odstranění vzduchových kapes, pevnější strukturu
stohu)
• v systémech odprašování po tisku
• podpora vlhčení pásu papíru v rotačkách po sušení
za horka před dalším zpracováním
• u sítotiskových strojů napomáhá odstraňování prachu
z potiskovaného materiálu
• zlepšení přenosu tiskové barvy odstraněním
povrchového náboje na polymerních fóliiích před
tiskem (koronový výboj, elektrostatická úprava)
ZFP9
30