Essais de traction des polymères

Source : Roberto Leon, département de génie Civil et environnemental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Matériaux polymères sont largement utilisés dans des structures civiles, avec des utilisations allant de produits d’étanchéité très douces à tubes plus rigides dans les systèmes d’aqueduc et d’égout. La définition la plus basique d’un polymère est une structure moléculaire avec la répétition des sous-unités. Le polymère terme vient du grec, où les « poly » signifie beaucoup, et «-mer » désigne l’unité de base. Monomères, ou mers unique, sont les unités répétitives spécifiques. Avec des polymères, la structure, y compris la longueur de l’épine dorsale de carbone et la flexibilité variable, dictera les propriétés du polymère. Les polymères sont classés en 3 sous-catégories : plastiques, élastomères et polymères tringle rigide. Matières plastiques sont subdivisés en résines thermodurcissables, qui ne pas ramollir sur chauffage et thermoplastiques, qui ramollir Lorsque chauffé et durcir le refroidissement. En outre, les thermoplastiques sont pour la plupart linéaires ou ramifiés polymères avec peu ou pas de réticulation, tandis que les résines thermodurcissables présentent une structure 3D et ont étendu la réticulation. Élastomères ou caoutchoucs, sont longs, enroulés de chaînes et peut être étiré jusqu'à deux fois la longueur d’origine, mais se contractera de retour à la taille d’origine en relâchant, tandis que les polymères tringle rigide n’étirement pas et sont forts, structures cristallines.

Dans ce laboratoire, nous examinerons plusieurs différents matériaux polymères, y compris le polyéthylène haute densité (PEHD), polychlorure de vinyle (PVC), le nylon et le méthacrylate de méthyle (acrylique) afin de comprendre l’ampleur et la diversité de la contrainte / déformation courbes de ces matériaux et comment leurs propriétés mécaniques affectent leurs performances.

Polymères sont constitués d’un squelette de carbone avec des chaînes latérales distinctif. Pièces de carbone tétraédrique collage, ainsi les liens sont capables de rotation, entraînant les chaînes qui peuvent être rectilignes, plié, tordu, ou plié. La souplesse des liaisons est déterminée par le nombre de doubles liaisons et réticulation des obligations, ainsi que le caractère des groupes de chaînes latérales. Plus de liaisons doubles et réticulation restreindra la rotation. Tandis que le petit côté chaîne groupes permettent une rotation plus libre, groupements latéraux volumineux restreint la rotation.

Connaître les différences entre les structures des différents types de polymères aide application guide à utiliser. Thermoplastiques ont des chaînes qui ne sont pas connectés, mais sont plutôt maintenues ensemble par des forces faibles de van der Waals, permettant les chaînes à glisser devant un autre. Cette propriété permet de thermoplastiques pour se déforment facilement, et il les rend également facile à recycler. En revanche, les plastiques thermodurcissables ont des liaisons covalentes fortes et sont réticulées, ou connectés entre eux. Cette caractéristique rend plastiques thermodurcissables difficiles à recycler. Habituellement, les matériaux sont déchiquetés et réutilisées comme matériau de remplissage.

Ainsi que les types de liaison, une autre caractéristique qu’on devrait considérer lors du choix d’un polymère pour une application particulière est le degré de cristallisation. Les polymères peuvent être amorphes (non ordonnées) ou cristallin (ordonnée), mais sont généralement quelque part entre les deux et appelé semi-cristallin. Le degré de cristallisation dépend du taux de refroidissement, la configuration de la chaîne et la chimie moléculaire. Un degré plus élevé de cristallisation tend à provoquer une résistance plus élevée, de Young module (E) et résistance à la température. En revanche, pour déterminer le degré de polymérisation, il faut déterminer une masse moléculaire moyenne pour les chaînes, comme dans les applications réelles chaînes seront de différentes longueurs. Le degré de polymérisation, n, est tout simplement le poids moléculaire d’une chaîne divisé par le poids moléculaire du monomère. Le comportement de contrainte-déformation des polymères est très variable. Thermoplastiques affichent un comportement ductile et fragile, tandis que les résines thermodurcissables seulement présentent un comportement fragile. En revanche, élastomères souvent ont un faible module d’Young et un comportement non linéaire. Les propriétés des polymères se situent quelque part entre un Hookean et un matériau newtonien, car ils dépendent de la souche, temps et température. Propriétés des matériaux hookéen dépendent de souche, tandis que les propriétés du matériau newtoniennes dépendent de la vitesse de déformation. Au titre de l’essai de traction, certains polymères suivront une striction, où le matériel peut filtrer et s’allongent le spécimen lorsque les forces de traction sont appliquées. Différents types de polymères seront soumis à différentes formes d’échec lorsque étiré dans un essai de traction. L’incapacité qui en résulte peut être chaîne déroulement, fissuration ou la séparation du bloc cristallin.

La température joue également un rôle clé dans la façon dont se comportera des polymères. T_M est la température de fusion du matériau, et T_G est la température de transition vitreuse. Principalement, si T > T_M, le matériau est liquide ou visqueux. Toutefois, si T < T_G, le matériau est vitreux et sera fragile. Si T ~ T_G, le matériau est caoutchouteux, alors qu’if T > T_G, la matière est fluide et plus ductile. Figure Y illustre ce comportement.

1. Obtenir des éprouvettes de traction typiques d’acrylique, nylon, HPDE, PVC et matériaux polymères.
2. À l’aide d’un micromètre, mesurer la largeur et l’épaisseur à plusieurs endroits le long de l’axe de chaque échantillon pour déterminer les dimensions transversales moyennes. Enregistrement la moyenne mesurée de largeur et l’épaisseur de chaque échantillon sur la feuille de données.
3. Placer l’échantillon dans les poignées. Assurez-vous qu’au moins 80 % de chaque extrémité est bien fixé sur les poignées, ce qui permettront d’assurer contre glissement pendant l’opération de chargement. Papier de verre peut également être utilisé (côté de grain vers l’échantillon) pour améliorer la préhension de l’échantillon.
4. Mesurez la longueur de l’échantillon entre les poignées. Cette valeur correspond à la longueur de gage et sera utilisée pour calculer la souche.
5. Fixez solidement l’extensomètre électronique au modèle selon les spécifications du fabricant. Remarque : Les lames de l’extensomètre n’ont pas besoin d’être positionnée exactement sur les marques de gage sur l’échantillon, mais devraient être centrés sur le spécimen.
6. Commencer à appliquer l’effort de traction au modèle de formulaire et observez la lecture direct de la charge appliquée sur l’écran de l’ordinateur. Si la charge mesurée n’augmente pas, le spécimen est glissant à travers les poignées et a besoin d’être remis en place. Dans ce cas, l’instructeur va arrêter l’essai et recommencer la procédure depuis l’étape 2.
7. Continuer à appliquer la charge de traction lentement, observant la forme de la charge générée par ordinateur vs graphique de déplacement pendant le chargement.
8. Quelque temps avant la rupture de l’échantillon, le test sera automatiquement suspendu sans décharger le spécimen. À ce stade, retirez l’extensomètre. Si le spécimen rompt avec l’extensomètre en place, vous détruirez l’extensomètre, une pièce très coûteuse d’équipement.
9. Charger l’échantillon jusqu'à la défaillance. Enregistrer la charge maximale et la charge à la rupture.
10. Retirer l’échantillon cassé de la machine. Observer et documenter la situation et le caractère de la fracture.
11. Mesurer la largeur et l’épaisseur de chaque spécimen dans la région d’échec et d’enregistrer les mesures finales.

Pannes typiques pour ces matériaux figurent au Fig. 1 Fig. 4. La Fig. 1 montre la progression de l’insuffisance dans un polyéthylène, avec une striction initiale et la progression ultérieure de striction et descendre le spécimen comme les chaînes polymériques dérouler. Matériau polyéthylène haute densité, si chargée lentement, peut s’étendre sur plusieurs fois sa longueur initiale (Fig. 2). PVC, en revanche, montre une progression de défaillance similaire, mais avec beaucoup plus faible ductilité (Fig. 3). Ce chiffre montre également l’influence typique des taux de déformation sur la capacité de déformation ; plus vite le taux, plus la ductilité et un peu plus la force. En revanche, l’échantillon acrylique n’est fondamentalement sans déformation non linéaire (Fig. 4).

Figure 1 : A. Progression de striction dans un court échantillon HDPE. B. de close up de striction près de grip, montrant la comparaison au spécimen original.

Figure 2 : Grandes déformations possibles dans un PEHD chargement lentement. La photo montre le spécimen complet dont la fin est illustré dans la Fig. 1 b. 

Figure 3 : Échec dans un échantillon de PVC montrant souche effets taux.

Figure 4 : Échec dans un spécimen acrylique.

Les résultats pour les courbes effort-déformation pour les quatre matières sont montrés sur la Fig. 5 et Fig. 8.

Figure 5 : Courbe contrainte-déformation PEHD.

Figure 6 : Courbe contrainte-déformation pour PVC.

Figure 7 : Courbe contrainte-déformation pour nylon.

Figure 8 : Courbe contrainte-déformation pour une acrylique.

Il est important de noter que la Fig. 5 à 8 Fig. tous ont très différentes échelles horizontales et verticales. Les résultats de ces expériences sont résumées dans les tableaux 1 et 2, tandis que la figure 9 montre une comparaison des courbes effort-déformation jusqu’au 50 % de déformation. La différence en pourcentage d’élongation (tableau 2) sont frappantes et montrent la grande variation entre le comportement mécanique des matériaux polymères. La variation de la résistance est moindre, avec seulement le PEHD indiquant une valeur significativement plus faible. Le comportement varie cassante pour le verre acrylique élastique à très ductile et adoucissantes pour HDPE.

Tableau 1 : Données brutes sommaires.

Figure 9 : Comparaisons de contrainte-déformation courbes, jusqu'à de 50 % de déformation, pour tous les polymères testé.

Tableau 2 : Sommaire des résultats.

Fig. 9 montre la grande variation dans les caractéristiques de charge-déformation de plusieurs polymères. Le comportement varie de purement robuste, élastique et cassante pour le spécimen acrylique à doux, hautement visco-élastique et très ductile pour le PEHD. Elles reflètent les propriétés extrêmes des thermodurcissables (acrylique) à thermoplastique (HDPE, en nylon et PVC). Il est intéressant de noter que le PVC, qui est fréquemment utilisé en fini et pies dans nos bâtiments et maisons, montre un bon équilibre de force, viscoélasticité et ductilité.

Dans les applications de génie civil, les polymères sont couramment utilisés pour les revêtements, mastics, adhésifs, bardage, pipes, pipeliners, géotextiles, géogrilles, géomembranes, finition intérieure, réparation, restauration, ainsi que les éléments structurels extérieurs. La plasturgie aux Etats-Unis est très grande, et elle représente presque 1 million d’emplois et $ 308 milliards dans les livraisons de l’industrie au cours de 2014. Il y a aussi beaucoup de polymères naturels utilisés dans le domaine commercial, tels que le bois, le caoutchouc, coton et cuir, ainsi que dans le domaine de la biologie, comme les protéines, les enzymes et les amidons. Même les Tupperware et les contenants de nourriture à emporter on utilise lorsque vous mangez dehors sont composés de polymères.