Polimerlerin mekanik özellikleri, metaller için kullanılan elastisite modülü, akma ve çekme mukavemeti gibi aynı parametrelerin birçoğu aracılığıyla tanımlanır. Birçok polimerik malzeme için, bu mekanik özelliklerin çoğunu belirlemek için basit bir çekme testi yapılır. Çoğu durumda, polimerlerin mekanik özellikleri deformasyon hızına (gerilme hızı), sıcaklığa ve ortamın kimyasal yapısına (su, oksijen, organik çözücüler vb. mevcudiyeti) karşı çok hassastır. Bu özellikler, polimerleri küçük moleküllerden ayırır ve polimer bilim adamlarına veya mühendislerine polimerlerin nasıl kullanılacağı hakkında birçok bilgi verir.Bu yazıda polimerlerin çekme özellikleri kısaca incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: mekanik özellikler, çekme testi, gerilme-uzama diyagramı.
Termoplastiklerin çoğu elastik olmayan davranışa sahiptir, yani gerilim ve gerinim, gerinim açısından gerilim diyagramının çoğu bölümünde doğrusal olarak ilişkili değildir. Bu malzemelerin davranışı genellikle viskoelastiktir, yani termoplastik polimere bir dış kuvvet uygulandığında, bu malzeme hem elastik hem de plastik (veya viskoz) deformasyon sergiler. Polimerlerin mekanik davranışı ve deformasyonu (gerilme), kendilerine uygulanan yük (gerilme) altındaki polimer zincirlerinin hareketine bağlıdır. Bir malzemenin mekanik özelliklerini belirlemede kullanılan en temel test çekme testidir. Çekme testinde, malzemeler düzgün bir şekilde gerilir. Kuvvet enine kesit alanına etkidiğinden, gerilme birim alan başına kuvvet olarak tanımlanır:
σ stres, F uygulanan kuvvet ve A numunenin enine kesit alanıdır.
Benzer şekilde, gerinim, uzunluktaki yüzde değişim olarak tanımlanır. Bu nedenle, gerinim, uzunluktaki değişimin orijinal uzunluğa bölümüdür:burada, Ɛ gerinimdir, L∆ uzunluktaki değişikliktir ve L orijinal uzunluğun eşdeğeridir. Genel olarak, numuneye gerilim uygulandığında uzunluğu artar ve kesit alanı azalır. Ancak mühendislik zorlanması hesaplanırken, numunenin enine kesit alanındaki değişiklik göz ardı edilir. Stres ve gerinim, sıcaklık değişimlerinden ve uzun süreli sürelerden (sürünme) etkilenir ve stresin birkaç tekrarı (yorgunluk) gerilimi etkiler. Çekme özellikleri, numune kırılana kadar hidrolik veya mekanik kuvvet kullanılarak sabit bir hızda birbirinden uzaklaşan germe cihazının iki kelepçesi arasına dambıl şeklinde bir numune yerleştirilerek değerlendirilir. Bu durumda, uygulanan kuvvet (gerilme) ve numunede indüklenen uzunluk artışı (gerilme) ölçülür, çünkü polimer numunesinin enine kesit alanı sabit kabul edildiğinden, gerilmeye karşı gerilme diyagramı olabilir. çizilecek (Şekil 1). Gerilme-uzama eğrisi, mukavemet, tokluk, rijitlik, süneklik vb. hakkında bilgi sağlayabilir.
Belirtildiği gibi, polimerlerin mekanik özellikleri sıcaklık değişimlerine karşı çok hassastır. Örneğin, Şekil (2), polimetil metakrilatın (PMMA) 4-60 santigrat derece sıcaklıklardaki gerilim-uzama diyagramını göstermektedir.
Ayrıca, deformasyon hızının düşürülmesi, polimerlerin gerilim-gerinim eğrisi üzerinde benzer bir etkiye sahiptir, yani gerinim hızının düşürülmesiyle malzeme daha yumuşak hale gelir ve süneklik artar.
Polimerlerin gerilme-uzama diyagramı, aşağıda açıklanan farklı alanlardan oluşur. Şekil (3), çekme testi altındaki bir polimer numunesinin gerilim-uzama diyagramının bölgelerini gösterir:
Bu alanlar şunları içerir:
Malzeme ilk kez bir gerilime maruz kaldığında ilk önce elastik davranış gösterir. Elastik davranış, malzemenin stres altında deforme olmasına rağmen, stres ortadan kalktıktan veya kaldırıldıktan sonra orijinal durumuna dönmesi anlamına gelir. Bu olayın nedeni, atomik bağların gerilmesi ve gerilim kaldırıldıktan sonra eski haline dönmesidir. Bu nedenle, tüm malzemelerde küçük de olsa elastik davranış meydana gelir.
Gerilme-gerinim diyagramındaki en yüksek nokta, akma bölgesi olarak adlandırılır. Malzeme akma noktasına ulaştığında kalıcı deformasyon bölgesine girer. Bu noktaya karşılık gelen gerilim ve deformasyon, sırasıyla akma mukavemeti ve akma noktasında uzama olarak adlandırılır. Akma noktasının ötesinde malzeme önemli ölçüde esner ve genişler ve bu bölge plastik bölge olarak adlandırılır. Numunenin uzunluğunun ve gerilmesinin arttırılması, gerinim sertleşmesi olgusuna yol açar. Bu bölgede önce polimer zincirleri elastik durumlarının dışındadır (akma) ve daha sonra numune bir bölgeden enine büzülme ve boyuna gerilmeye uğrar ve boyunlanma adı verilen bir boyun şekli alır. Boyun verme olgusu, zincirlerin deformasyonu hizalanana kadar ilerler. Plastik bölgede zincirlerin çekme yönünde yönlenmesinden dolayı numunenin mukavemeti artar.Son olarak boyun verme olayı numune boyunca yayılır ve numunede yırtılma meydana gelir. Şekil 4 (a-e), yarı kristalli bir polimer numunesi için gerilme testindeki polimer zincirlerinin mekanizmasını ve gerinim sertleşmesi olgusunu göstermektedir:
Mühendislik gerilme-uzama eğrisindeki maksimum gerilme değeri, “nihai çekme mukavemeti” olarak adlandırılır. Bu değer numunenin dayanabileceği en yüksek stres değeridir. Ayrıca kırılma noktasına karşılık gelen deformasyona kopma uzaması denir. Bir polimer malzemenin gerilim-uzama davranışı, polimerlerin moleküler özelliklerine ve mikro yapısına bağlıdır. Polimerler, özellikle belirli polimer etkileşimleri farklı gerilim seviyelerinde değişebildiğinden, çok farklı gerilim-gerinim davranışlarına sahip olabilir. Şekil 5, farklı polimer grupları için elde edilen gerilim-uzama ilişkisi türlerini göstermektedir.
Yukarıdaki görüntüden rijit malzemelerin Young modülüsünün yüksek olduğu ancak strese maruz kaldıklarında diğer gruplara göre daha hızlı kırıldığı ve kırılgan plastikler olarak adlandırıldıkları sonucuna varılabilir. Polistiren (PS) bu polimerlerden biridir. Öte yandan, son diyagram, hem Young modülünün düşük değerlerine sahip hem de yırtılmadan önce büyük miktarlarda tersinir çekme gerilimine dayanabilen elastomerler adı verilen kauçuk polimer grubunun mekanik davranışını göstermektedir. İkinci eğri, polimetil metakrilat (PMMA) gibi yarı sünek malzemelerle ilgilidir ve son olarak üçüncü eğri, modülü sert ve yarı sünek malzemelerden daha düşük olan dövülebilir malzemelerle ilgilidir, ancak bu malzemelerin diyagramının altındaki seviyeyi aşağıdakilerle karşılaştırır. diğer gruplarda toklukları daha yüksektir ve kırılma noktasına gelene kadar daha fazla enerjiye dayanırlar. Polikarbonat bu malzeme grubuna dahildir.
Elastikiyet, polimerlerin en önemli mekanik özelliklerinden biridir. Mekanik özelliklerin bilinmesi ve kontrol edilmesi, polimer ürünlerin üretiminin en önemli kısımlarından biridir ve termal, optik ve reolojik özellikler gibi diğer özelliklerden daha fazla, malzemelerin karşılaştırılmasına ve kalitesinin kontrol edilmesine olanak sağlar. Üretilen ürünün özellikleri. Çekme testi, mekanik özellikleri belirlemek için kullanılır. Bu testte, test edilen ürün kopma noktasına kadar çekme kuvvetine tabi tutulur ve bu arada uygulanan yük kuvveti ile eş zamanlı olarak boydaki artış kaydedilir. Bu testin sonuçları, kaliteyi kontrol etmek ve bir malzemenin çeşitli kuvvetler altında nasıl tepki vereceğini tahmin etmek için kullanılır. Bu testin sonucu, malzemenin gerilim altındaki davranışını karakterize eden bir gerilim-uzama eğrisi şeklindedir. Bu testten elde edilen veriler, malzemenin mekanik özelliklerini belirlemek için kullanılır.
1.https://insights.globalspec.com/article/7810/how-to-perform-tensile-testing-on-polymers 2.https://msestudent.com/stress-strain-and-the-stress-strain-curve/ 3.https://eng.libretexts.org/Bookshelves/Materials_Science/Supplemental_Modules_(Materials_Science)/Polymer_Chemistry/Polymer_Chemistry%3A_Mechanical_Properties 4. https://polymerinnovationblog.com/characterization-thermosets-part-21-tensile-testing-polymers-molecular-interpretation