كيمياء

اختبار المواد: الخواص الميكانيكية للبوليمرات


اختبار الشد

عام

يستخدم هذا الاختبار لتقييم سلوك البلاستيك تحت إجهاد الشد أحادي المحور. مراقبة الجودة ممكنة في ظل ظروف اختبار محددة (المعالجة المسبقة ، مناخ الاختبار ، ظروف التصنيع وسرعة الاختبار).

المصطلحات التالية مهمة في هذا السياق:

  • إجهاد الشد σ هو حاصل قوة الشد والمساحة التي تعمل عليها قوة الشد ،
  • قوة الشد σب.هو إجهاد الشد بأقصى قوة ،
  • قوة المسيل للدموعσتم العثور على R.هو التوتر في لحظة التمزق و
  • إجهاد الخضوعσس.هو إجهاد الشد الذي يصبح عنده منحدر منحنى القوة والاستطالة صفرًا لأول مرة.
  • في حالة المواد التي لا تحتوي على إجهاد ناتج واضح ، يتم استخدام إجهاد الشد المخصص لسلالة معينة تبلغ x٪σSxكحجم بديل. إنه إجهاد الشد الذي ينحرف عنده منحنى القوة والاستطالة عن المسار الخطي الأولي بنسبة x٪ من الاستطالة.
  • الاستطالة هي التغيير في الطول بالنسبة لطول القياس الأصلي. الاستطالة في أقصى قوة معεب.أن الاستطالة في قطع معهاεتم العثور على R.المحددة.

عينة

يعتمد عدد عينات الاختبار على المنتج المراد اختباره. بالنسبة للمواد الخواص ، يلزم 5 عينات ، للمنتجات المصنوعة من مادة متباينة الخواص ، 5 على الأقل ، اعتمادًا على اتجاه الإزالة. يعتمد شكل وأبعاد العينات على معايير معينة.

اختبار الجهاز واختبار التنفيذ

تُستخدم آلات اختبار الشد كجهاز اختبار ، والذي يعرض الحمل الذي تحمله عينة الاختبار في أي وقت من وقت الاختبار وبأي سرعة اختبار محددة. أثناء الاختبار ، يمكن قراءة قوة التمدد الحادثة و / أو القوة القصوى بالإضافة إلى القوة في لحظة الكسر والتغيير المرتبط في طول القياس. إذا لزم الأمر ، يجب أيضًا قياس مدة الاختبار المعنية.


اختبار المواد: الخواص الميكانيكية للبوليمرات - الكيمياء والفيزياء

محاضرة عبر الإنترنت يوم 12 يوليو من الساعة 5:00 مساءً حتى 6:00 مساءً:

ثورة في التكنولوجيا الطبية بمواد عالية التقنية!

& كل شىء أشياء يجب معرفتها عن الدورة & تالي دراسة الحديث مع Studi Jan. سيكون سعيدًا بالإجابة على جميع أسئلتك حول الدورة والتطبيق.

الصورة: Adobe Stock | روساندهيلين

واحدة من الدورات التدريبية القليلة في ألمانيا حيث تتلقى تدريبًا شاملاً في جميع مجالات المواد (المعادن ، البلاستيك ، السيراميك ، المواد المركبة ، تكنولوجيا النانو والأسطح ، إلخ)

مجموعة واسعة جدًا من الخيارات في دراستك: بعد تدريب أساسي شامل ، يمكنك التركيز على "المواد المفضلة" وإثراء دراستك بمواد اختيارية جذابة.

محتوى عملي عالي جدًا وتوجه تطبيق قوي للغاية

التوجه البحثي القوي بالفعل أثناء دراستك ، وإذا كنت مهتمًا بالمشاركة في مشاريع بحثية جذابة

تتيح أفضل جهات الاتصال في الصناعة بداية مهنية سلسة.

اتصالات مكثفة مع الجامعات المحلية والأجنبية ، مما يتيح الحصول على الدكتوراه التعاونية لأفضل الطلاب

80 - 100 طلاب السنة الأولى نسبة إشرافية ممتازة بين الأساتذة والطلاب ، ومعدلات ترك الدراسة منخفضة للغاية

في سبعة فصول دراسية فترة قياسية للدراسة نوفر لك تعليمًا شاملاً وعمليًا وعلميًا وتقنيًا. يتم التعامل مع أهم الأساسيات الموجهة نحو المواد من المعادن إلى الزجاج والسيراميك والبوليمرات والمواد المركبة وتكنولوجيا النانو. في الفصل الخامس ، ستكمل فصلًا دراسيًا عمليًا.


آليات التبلور

لا تزال العديد من الظواهر المتعلقة ببلورة مواد البوليمر غير مفهومة بشكل نهائي أو حتى مثبتة. تم دعم النماذج المختلفة من خلال النتائج التجريبية وظلت سائدة: & # 911 & # 93

تشكيل بلوري عند التصلب من الذوبان

تتكون جميع البوليمرات من سلاسل جزيئية طويلة جدًا. تتميز بوليمرات اللدائن الحرارية بأنها تذوب عندما ترتفع درجة الحرارة. في الذوبان ، يتم ترتيب السلاسل الجزيئية بشكل غير منتظم في شكل تشابك (الشكل رقم 1601) ، والتي تخترق بعضها البعض بعدة طرق (التشابك). في حالة العديد من بوليمرات التلدن الحراري ، يظل هذا الاضطراب كتركيب غير متبلور في الجسم المتصلب عندما يبرد. & # 912 & # 93

من ناحية أخرى ، إذا تم تبريد ذوبان بوليمر متبلور جزئيًا (مجموعة فرعية من اللدائن الحرارية) ، فإن السلاسل تتحرك أقل وأقل وتبدأ في ترتيب نفسها بانتظام (التبلور). تتطور حالات النظام ("البلورات") ذات الحجم النموذجي من 15 إلى 100 نانومتر. & # 912 & # 93

أثناء تبلور البوليمرات ، تترسب أجزاء من السلاسل الجزيئية موازية لبعضها البعض. سيكون من الأفضل من الناحية النشطة إذا تم ترتيب الجزيئات بالتوازي على طول السلسلة الجزيئية بالكامل. ومع ذلك ، نظرًا لوجود السلاسل الجزيئية في الذوبان على شكل ملفات متشابكة ومتشابكة ، فلا يمكن تحقيق هذا الترتيب في الواقع أو فقط تحت ضغط عالٍ جدًا. لذلك تتشكل البلورات من سلاسل جزيئية مطوية (الشكل رقم 1601) ، والتي تشكل الهياكل الأساسية لوحدات هيكلية أكبر مثل & # 160B. تشكيل الهياكل الرقائقية. & # 912 & # 93 لا يعتبر الأمر كاملاً. يمكن أن يكون على الأكواع القابلة للطي ، على سبيل المثال & # 160B. تشكيل حلقات أصغر أو أكبر. يمكن أيضًا أن تكون نهايات السلسلة مضطربة. من الشائع أيضًا أن تترك سلسلة جزيئية بلوريًا واحدًا وتنضم إلى أخرى. لذلك يتكون كل بلوري من مناطق فرعية مرتبة (بلورية) وغير متبلورة (غير متبلورة). & # 912 & # 93 وهذا أيضًا هو السبب في أنه حتى في حالة عدم احتواء البوليمر بشكل مجهري على أي مناطق غير متبلورة ، لا يمكن وصف مادة البوليمر إلا على أنها متبلورة جزئيًا.

تعتمد إمكانية تبلور اللدائن على هيكلها الجزيئي. تتبلور السلاسل الجزيئية غير الممنوحة مع عدم وجود أو قليلة قدر الإمكان ، ولكن المجموعات الجانبية المرتبة بانتظام تتبلور بشكل أفضل. من أمثلة البوليمرات المتبلورة جزئيًا البولي إيثيلين الخطي (PE) أو متعدد رباعي فلورو الإيثيلين (PTFE) أو البولي بروبيلين متساوي التباين (PP). & # 912 & # 93

مثال: في البولي بروبيلين متساوي التواجد ، فإن CH3- المجموعات الجانبية مرتبة بانتظام على جانب واحد من السلسلة الجزيئية (الشكل رقم 1602 أ). هذا يجعل من الممكن تراكب جزأين من هذه السلسلة على بعضهما البعض في جميع المواضع تقريبًا. ومع ذلك ، هناك أيضًا بوليمرات ترتبط فيها المجموعات الجانبية بجوانب مختلفة من السلسلة. إذا كان هناك أيضًا تسلسل غير منتظم للسلاسل الجانبية (مثل & # 160B. في البولي بروبيلين atactic في الشكل & # 1602 ب) ، فإن السلاسل تتجمع فقط إذا كان تسلسل CH3تطابق مجموعات الصفحات السلسلة المجاورة. هذا يجعل التبلور أكثر صعوبة أو حتى منعه. تتبلور البوليمرات اللاكتيكية فقط إذا كانت المجموعات الجانبية (البدائل) صغيرة جدًا ، كما هو الحال مع فلوريد البولي فينيل.

تظهر مشاكل مماثلة مع الترتيب الموازي القريب للسلاسل عند وجود مجموعات جانبية أكبر. من حيث المبدأ ، كلما كانت المجموعات الجانبية أكبر ، كان تبلور البوليمر أسوأ. لا تستطيع المواد البلاستيكية أو المواد البلاستيكية أن ترتب نفسها في شكل بلوري بسبب الترابط المتقاطع للسلاسل. حتى مع وجود البوليمرات شديدة التشعب مثل السيليكون ، فإن الترتيب المتوازي للسلاسل أمر مستحيل.

بشكل أساسي ، يتم تحديد شكل الجزيئات الكبيرة في البلورة من خلال بنيتين: على سبيل المثال ، في البولي إيثيلين والبوليستر والبولي أميدات ، تكون الجزيئات في شكل متعرج وفقًا لزاوية الرابطة. في البولي أوكسي ميثيلين والبولي بروبيلين والبوليستيرين متساوي التواجد ، يكون للجزيئات ترتيب حلزوني. يتم تثبيت الجزيئات بواسطة قوى بين الجزيئات والتي ، في حالة الترتيب الحلزوني ، لها أيضًا تأثير داخل الجزيء.

تنوي

تشكل البلورات الأولى على سبيل المثال & # 160B. نتيجة للحركات الحرارية للجزيئات ، مع وجود سلاسل أو أقسام متسلسلة في أوضاع مواتية لبعضها البعض وموازية لبعضها البعض (تنوي حراري أو متجانس). ومع ذلك ، لأسباب تتعلق بالديناميكا الحرارية ، لا يمكن تحقيق المزيد من النمو إلا إذا تطورت الجراثيم التي تجاوزت الحد الأدنى الحرج للحجم. وإلا فإن النوى التي تشكلت تتفكك مرة أخرى بسبب عدم الاستقرار الديناميكي الحراري. & # 913 & # 93

ومع ذلك ، في الذوبان الحقيقي ، يكون التنوي بسبب الشوائب أو البلورات غير المنصهرة أكثر شيوعًا من التنوي الحراري. يُعرف هذا أيضًا باسم التنوي غير المتجانس. & # 913 & # 93 مساعدات المعالجة ، والأصباغ ، والمواد المالئة ، أو بالطبع ، عوامل نواة مضافة بشكل خاص (عوامل نواة) يمكن أن تعزز بشكل كبير تكوين النوى. على الرغم من وجود الكثير من العمل حول موضوع العوامل النووية ، إلا أن فعاليتها غير مفهومة إلى حد كبير. العوامل النووية التي لها تأثير كبير على نوع واحد من البوليمر غير فعالة على الأنواع الأخرى من البوليمر. & # 913 & # 93 العديد من عوامل النواة الجيدة المعروفة حتى الآن هي الأملاح المعدنية للأحماض العضوية التي توجد بالفعل في شكل بلوري عند درجات حرارة التبلور للبوليمر.

نمو البلورات

يحدث نمو البلورات من خلال الإضافة المطوية لأقسام سلسلة البوليمر الأخرى (انظر القسم السابق تكوين البلورات). يحدث هذا في نطاق درجة حرارة عميق بدرجة كافية أقل من درجة حرارة الانصهار T.م وفوق درجة حرارة التزجج Tجي. إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة للغاية ، فسيتم فصل السلاسل المرفقة مرة أخرى بواسطة الحركات الحرارية. تحت درجة حرارة التزجج ، تكون حركة السلاسل منخفضة جدًا وتتجمد حركة السلاسل الجزيئية. & # 914 & # 93

تعمل القوى الجزيئية بين أقسام السلسلة المتوازية الفردية. اعتمادًا على نوع أنواع الذرة المعنية ، يمكن أن تكون هذه تفاعلات ثنائية القطب أو روابط هيدروجينية. بالإضافة إلى نوع التفاعل ، يعتمد حجم القوى أيضًا على المسافة بين أقسام السلسلة المتوازية ويحدد الخصائص الميكانيكية والحرارية للبوليمر. & # 915 & # 93

يحدث نمو المناطق البلورية بشكل تفضيلي في اتجاه التدرج الأكبر لدرجة الحرارة (الشكل رقم 1603). تعمل الأسطح الجانبية أيضًا كنواة للبلورة ، لكن معدل النمو هنا أقل بشكل ملحوظ. توجد أقواس الطي غير المتبلورة أعلى وأسفل البلورات ، بحيث لا يمكن أن يحدث أي نمو في هذا الاتجاه. ينتج عن النمو الاتجاهي شرائط رقائقية طويلة ذات تبلور عالٍ ، والتي تنمو من نواة التبلور وتسمى lamellae (الشكل رقم 1604). & # 913 & # 93

تشكل الصفائح اللبنة الأساسية للبنى الفوقية البلورية الأكبر. في ظل ظروف التبريد الثابتة الخواص إلى حد كبير ، تتشكل الكريات (الشكل رقم 1604) ، والتي تتكون من صفائح مرتبة في تناظر شعاعي ويتم وصفها بمزيد من التفصيل في المقال الرئيسي الكروي.

من ناحية أخرى ، إذا كان هناك تدرج قوي في درجة الحرارة في العينة ، يتم ترتيب الصفائح بطريقة متوازية إلى حد كبير وبالتالي في بنية فوقية موجهة تعرف باسم شجيري. & # 916 & # 93 مثل هذه الهياكل على سبيل المثال & # 160B. لوحظ مع مادة البولي بروبيلين في مناطق الحافة القريبة من السطح إذا تم اختيار درجة حرارة القالب لتكون باردة نسبيًا أثناء صب الحقن.

تشكل البوليمرات بطيئة التدفق هياكل على شكل دمبل عندما تبرد ، والتي تم وصفها أيضًا في الأدبيات على أنها هياكل شيش كباب. & # 912 & # 93 يتكون الجزء الداخلي (الروح) من سلاسل متوازية ممتدة إلى حد كبير ، بينما تتكون الدمبل من صفائح مطوية.

المكونات التي تم تبريدها بسرعة كبيرة (درجة حرارة منخفضة للعفن) لم يكن لديها الوقت الكافي لتتبلور تمامًا. يمكن أن تحدث إعادة التبلور هنا في وقت لاحق (أحيانًا حتى على مدى سنوات). خلال هذا النمو البلوري الثانوي ، تتغير خصائص المكونات الميكانيكية. نظرًا لأن السلاسل معبأة بشكل أكثر كثافة في الحالة البلورية ، فهناك أيضًا ما بعد الانكماش ، أي & # 160h. إلى انخفاض لاحق في الحجم. يجب أن يؤخذ ذلك في الاعتبار في عملية القولبة بالحقن. & # 917 & # 93

في بعض الحالات ، يتم تخزين البوليمرات أيضًا لفترة أطول أسفل نقطة الانصهار بقليل من أجل زيادة تبلورتها. تسمح هذه العملية ، المعروفة باسم التلدين ، بمحاذاة سلاسل البوليمر بشكل وثيق كما تمنع الانكماش اللاحق أثناء الاستخدام.

التبلور عن طريق التمدد

التبلور على النحو الوارد أعلاه (تشكل البلورات عند التصلب من الذوبان) مهم بشكل خاص عند صب المكونات البلاستيكية بالحقن. أثناء عملية التبريد ، يمكن عادةً اعتبار البوليمر ذوبانًا ثابتًا ومرتاحًا.

تنشأ حالات أخرى أثناء البثق. هذا الإجراء هو على سبيل المثال & # 160B. تستخدم في إنتاج الألياف الاصطناعية والأغشية البلاستيكية. يتم ضغط البوليمر من خلال فوهة وتكون السلاسل الجزيئية موجَّهة مسبقًا بشكل طفيف.

يمكن أن يؤدي التمدد اللاحق (تطبيق إجهاد الشد) إلى زيادة اتجاه السلاسل الجزيئية بشكل كبير. الألياف هي على سبيل المثال & # 160B. مرسومة إلى مضاعفات طولها الأصلي. يتم شد السلاسل وترتيبها بطريقة موجهة. تتوافق هذه الحالة مع التبلور الجزئي ، مع محاذاة المناطق البلورية بشكل إضافي. & # 915 & # 93 تزداد قوة الألياف في الاتجاه الطولي بشكل كبير. عادة ، تتم معالجة درجة الحرارة اللاحقة تحت ضغط (ضبط الحرارة) من أجل تحقيق ترتيب أعلى وتقليل التوتر الذي قد يؤدي إلى الاسترخاء اللاحق (الانكماش). & # 912 & # 93 & # 918 & # 93 نتيجة لذلك ، تظل الألياف أكثر ثباتًا من حيث الأبعاد. يمكن أيضًا قياس التباين القوي للألياف في خصائصه البصرية (الانكسار).

يتم أيضًا إنشاء زيادة في القوة من خلال التمدد اللاحق في عملية قولبة التمدد بالنفخ. هنا ، يتم نفخ فراغ PET المقسى (التشكيل) في عملية تشكيل بهواء مضغوط بالحجم المحدد بواسطة القالب. التطبيقات على سبيل المثال & # 160B. خزانات البنزين أو زجاجات PET. & # 915 & # 93 في الوقت نفسه ، يمكن تقليل نفاذية الغاز بشكل كبير عن طريق التمدد ثنائي المحور (في اتجاهين). & # 919 & # 93

يمكن أيضًا استخدام التمدد اللاحق لتحويل البوليمرات غير المتبلورة في الواقع إلى مواد بلورية جزئيًا. & # 919 & # 93 تتكون الهياكل البلورية الصفائحية التي ، بسبب التمدد القوي ، لا تشكل أي هياكل فوقية كروية وبالتالي تظل شفافة بصريًا تمامًا. & # 919 & # 93

التبلور من المحلول

يمكن أيضًا بلورة البوليمرات من المحلول أو عن طريق تبخر المذيب. يتم تمييز الحلول حسب درجة التخفيف. في المحاليل المخففة ، لا ترتبط السلاسل الجزيئية ببعضها البعض وتكون موجودة كملفات بوليمر منفصلة في المحلول. إذا زاد تركيز البوليمر في المحلول (محلول مركز) ، فإن السلاسل تخترق بعضها البعض أكثر فأكثر ، ويؤدي المزيد من تقليل المذيب (على سبيل المثال عن طريق التبخر) إلى ترتيب سلاسل البوليمر لتكوين بلورات. & # 9110 & # 93 تتوافق العملية إلى حد كبير مع التبلور من الذوبان وتُعرف أيضًا باسم البلمرة السائبة.

بدلاً من ذلك ، هناك أيضًا بلمرة الترسيب. في متغير هذه العملية ، يتم استخدام مذيب تكون فيه المونومرات وليس البوليمرات المتكونة قابلة للذوبان. عندما يصل إلى درجة معينة من البلمرة ، يترسب البوليمر ويمكن بعد ذلك فصله بسهولة. & # 9111 & # 93

بمساعدة الرنين المغناطيسي النووي المغناطيسي عالي الدقة ، يتم تسجيل الجزء المذاب من محلول بوليمر مفرط التشبع فقط. بهذه الطريقة ، يمكن تحديد النقص في الجزء المذاب أثناء التبلور من المحلول ومن ثم يمكن تحديد معدل التبلور. & # 9110 & # 93


تصنيف

البلاستيكية الحرارية

اللدائن الحرارية هي مواد بلاستيكية تتكون من جزيئات خطية طويلة. من خلال توفير الطاقة ، تصبح هذه المواد لينة ومرنة (البلاستيك) أي عدد من المرات وتذوب في النهاية. يمكن إحضارها بالشكل المطلوب باستخدام مختلف العمليات الأولية والتشكيلية. بعد أن يبرد كل جزء ، فإنه يحتفظ بشكله. وبالتالي فإن هذه العملية قابلة للانعكاس (خط العرض قابل للانعكاس). يحدث هذا السلوك بسبب الجزيئات الكبيرة الخطية التي تشبه الخيط.

تندرج معظم المواد البلاستيكية المستخدمة اليوم ضمن هذه المجموعة (البولي إيثيلين والبولي بروبيلين والبوليسترين والبوليستر). يتم استخدامها بشكل متكرر للسلع الاستهلاكية البسيطة ، والتغليف ، وما إلى ذلك ، كما هو الحال بالنسبة للأجزاء الفنية في صناعات السيارات والكهرباء أو في صناعة البناء ، وخاصة لأغشية الأسقف ، وملامح النوافذ والأنابيب.

من أجل إنشاء خصائص جديدة لم تكن موجودة بعد ، يمكن خلط اثنين أو أكثر من اللدائن الحرارية (المتوافقة مع بعضها البعض) (polyblend).

اللدائن الحرارية المتبلورة جزئيًا: (أمثلة) POM - polyoxymethylene ، PE - polyethylene ، PP - polypropylene ، PA - polyamide ، PET - polyethylene terephthalate ، PBT - polybutylene terephthalate.

اللدائن الحرارية غير المتبلورة: (أمثلة) ABS - أكريلونيتريل - بوتادين - ستايرين ، PMMA - بولي ميثيل ميثاكريلات ، PS - بوليسترين ، بولي كلوريد الفينيل - بولي فينيل كلوريد ، PC - بولي كربونات ، SAN - ستيرين - أكريلونيتريل كوبوليمر ، PPE - بوليفينيل إيثر.

الترمس

المواد الحرارية عبارة عن بوليمرات يتم إنتاجها في عملية المعالجة من صهر أو محلول المكونات من خلال تفاعل التشابك. عادة ما يحدث هذا التفاعل الذي لا رجعة فيه عن طريق التسخين (ومن هنا جاء المصطلح التقني بالحرارة) ، ولكن يمكن أيضًا البدء والتعجيل من خلال عوامل مؤكسدة أو إشعاع عالي الطاقة أو استخدام محفزات. لا يؤدي التسخين بالحرارة إلى تشوه البلاستيك ، ولكن يؤدي فقط إلى تحللها. عادةً ما تكون المواد الحرارية الصلبة صلبة وهشة ولا يمكن معالجتها إلا ميكانيكيًا في عملية التصنيع الإضافية. سبب هذا السلوك هو الجزيئات الكبيرة المتصلة بالشبكة.

بسبب مقاومتها الميكانيكية والكيميائية ، حتى في درجات الحرارة المرتفعة ، غالبًا ما تستخدم في التركيبات الكهربائية. يعد الباكليت من أكثر أنواع البلاستيك شيوعًا وأقدمها في هذه الفئة. تشمل هذه المجموعة أيضًا راتنجات البوليستر وراتنجات البولي يوريثان للدهانات والطلاء السطحي وعمليًا جميع الراتنجات الاصطناعية مثل الإيبوكسيدات.

اللدائن

يمكن أن تغير اللدائن شكلها لفترة وجيزة من خلال الضغط أو الشد ؛ بعد نهاية الضغط أو التمدد ، يعود المطاط الصناعي بسرعة إلى شكله الأصلي.

تشمل اللدائن جميع أنواع المطاط المتشابك. يحدث التشابك ، على سبيل المثال ، عن طريق الفلكنة بالكبريت ، عن طريق البيروكسيدات أو أكاسيد المعادن أو التشعيع.

تتميز اللدائن بشبكة عريضة وبالتالي فهي مرنة. لا تلين عند تسخينها ولا تذوب في معظم المذيبات. لذلك ، يتم استخدامها لمواد النظافة أو القفازات الكيميائية. المركب المطاطي لإطارات السيارات هو أيضًا مادة مطاطية تحصل على خصائصها من خلال الفلكنة.

اللدائن الحرارية

اللدائن اللدائن الحرارية (TPE أو Elastoplasts) هي اللدائن التي تتصرف مثل الممثلين الكلاسيكيين في درجة حرارة الغرفة ، ولكنها تصبح قابلة للتشوه عند تسخينها. عادة ما تكون هذه عبارة عن بوليمرات مشتركة تتكون من إلاستومر "ناعم" ومكون لدن بالحرارة "صلب". خصائص اللدائن المرنة هي بين خصائص اللدائن الحرارية واللدائن الحرارية. & # 9113 & # 93 ومن الأمثلة على ذلك البوليمرات المشتركة الكتلية المصنوعة من الستايرين والبولي أوليفينات التي طورتها شركة شل منذ عام 1965 فصاعدًا.

تتمثل الميزة الكبيرة لهذه المواد البلاستيكية المرنة في قدرتها على لحامها من أجل إنشاء وصلات مقاومة للماء. & # 9114 & # 93

النظام الدولي للاختصارات

يتم تصنيف المواد البلاستيكية الفردية وفقًا لنظام الاختصارات القياسي العالمي ، والذي تم وصفه لألمانيا في DIN & # 160EN & # 160ISO & # 1601043 Part & # 1601 و DIN & # 160ISO & # 1601629 (المطاط).


اختبار المواد: الخواص الميكانيكية للبوليمرات - الكيمياء والفيزياء

كيمياء وفيزياء الخشب

استاذ كيمياء وفيزياء الخشب وكذلك هندسة العمليات الكيميائية

حائز على الأستاذية

استاذية "كيمياء وفيزياء الخشب" كذلك
هندسة العمليات الكيميائية "

ما نبحث عنه

نريد أن نجعل استخدام الخشب أكثر استدامة. هدفنا هو تزويد الخشب بخصائص خاصة وبالتالي جعله قابلاً للاستخدام بشكل أفضل للتطبيقات الجديدة وقبل كل شيء الخاصة. يتيح بحثنا توسيع مجالات استخدام الخشب وإطالة العمر الإنتاجي للمنتجات. في الممارسة العملية ، هذا يعني أن هناك حاجة إلى خشب أقل لنفس الغرض. بالنسبة لنا ، يعني الحفاظ على الموارد أننا نركز أبحاثنا على العمليات الدائرية من أجل استخدام المادة مرارًا وتكرارًا وليس مجرد حرقها أو التخلص منها بطريقة أخرى. يصبح استخدام الخشب في الممارسة العملية أكثر اقتصادا وأكثر استدامة ويظهر إمكاناته الابتكارية العالية. لهذا السبب نقوم بالبحث.

من أجل تحقيق أهدافنا ، نقوم بإجراء البحوث المادية وتطوير المواد لاستخدام الخشب مع شركائنا في مجال الأعمال والعلوم. نحن نبحث عن عمليات تعديل كيميائية وفيزيائية ومجموعات منها ، على سبيل المثال لاستبدال الأخشاب الاستوائية. من أجل إيجاد طرق جديدة لاستخدام الخشب ، نتعامل مع فيزياء الخشب الطبيعي وكذلك المواد الخام المعدلة. نحن نبحث عن طرق قياس محسنة في فيزياء الأخشاب لأنه حتى نتائج القياس الدقيقة والأكثر تفصيلاً يمكن أن تكشف عن تطورات جديدة في عمليات تجفيف الخشب أو في صوتيات الخشب ، على سبيل المثال. حتى يمكن العثور على التطبيقات المفيدة والمستدامة في "الحياة الواقعية" ، نقوم بتطوير إجراءات وعمليات ومنتجات جديدة جديدة تعتمد على الخشب ، وبالتالي ندعم الاقتصاد الحيوي المستدام والمتنامي.

نحن لا نقوم بـ "علم الصواريخ" وربما لن نحصل أبدًا على جائزة نوبل لأبحاثنا. لكننا نبحث بشغف ومرح ، ونحن مقتنعون بشدة أن بحثنا الموجه نحو التطبيق وثيق الصلة اقتصاديًا وفي نفس الوقت يلبي معاييرنا للعمل العلمي الجيد. ننشر معرفتنا في شبكاتنا الدولية ، وننشر عن أبحاثنا ونعلم وندرب طلابنا وعلمائنا.


جدول المحتويات

يمكن أن تكون البوليمرات طبيعي >> صفة و اصطناعي يمكن تقسيم البوليمرات.

  • يتم تصنيع البوليمرات الطبيعية (البوليمرات الحيوية) في الكائنات الحية وتشكل اللبنات الأساسية للكائنات الحية. تحتوي هذه البوليمرات على بروتينات ؛ فهي تشكل الشعر والحرير ، على سبيل المثال. تشمل السكريات المتعددة السليلوز والنشا والكيتين. تؤدي الأحماض النووية العديد من الوظائف البيولوجية ، مثل حمض الديوكسي ريبونوكلييك كمادة وراثية.
  • البوليمرات الاصطناعية هي المواد التي يتم إنتاجها صناعيًا أو على نطاق معمل من خلال تفاعلات متعددة ، بما في ذلك البولي إيثيلين والبوليسترين والبولي فينيل كلوريد. تنتج البوليمرات المعدلة كيميائيًا من المعالجة الإضافية للبوليمرات الحيوية ، على سبيل المثال مشتقات النيتروسليلوز أو السليلويد أو النشا.

يمكن تصنيف البوليمرات وفقًا لعدد المواد الأساسية (المونومرات) التي تُبنى منها.

    تتكون من نوع واحد فقط من المونومر مثل البولي إيثيلين أو البولي بروبيلين أو البولي فينيل كلوريد أو بولي كابرولاكتام. البوليمر المتجانس الطبيعي هو المطاط الطبيعي مثل البولي إيزوبرين. تتكون من مونومرات مختلفة ، مثل أكريلونيتريل - بوتادين - ستايرين كوبوليمر (ABS) ، ستايرين - أكريلونيتريل (SAN) أو مطاط البوتيل. معظم البوليمرات الحيوية عبارة عن بوليمرات مشتركة. يتم إنشاؤها عن طريق خلط البوليمرات المتجانسة المختلفة و / أو البوليمرات المشتركة. [2] وعادة ما يتم إنتاجها عن طريق الخلط الميكانيكي المكثف للبوليمرات المنصهرة ، مما ينتج عنه مادة متجانسة. شكل خاص من مزيج هو سبيكة بوليمر.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكنك عضوي من عند غير عضوي فرّق بين البوليمرات. على عكس البوليمرات العضوية ، لا تحتوي البوليمرات غير العضوية على أي ذرات كربون في السلسلة الرئيسية للبوليمر. تشمل البوليمرات غير العضوية polysiloxanes أو polyphosphazenes أو polysilazanes. بينما لا يتم احتساب الزجاج ضمن البوليمرات في معظم الكتب المدرسية الكيميائية ، يعتبر الزجاج وفي بعض الحالات أيضًا السيراميك والبازلت بوليمرات غير عضوية في الكتب المدرسية الأخرى [3] وفي تكنولوجيا المنسوجات. [4] [5] [6]

تحرير كيمياء البوليمر

يحدث تكوين البوليمرات من المونومرات الفردية عبر أنواع مختلفة من التفاعلات المتعددة ، مثل البلمرة المتسلسلة أو التكثيف المتعدد أو الإضافة المتعددة.

تحرير هيكل البوليمرات

الجزيئات الكبيرة التي تتشكل أثناء التخليق لها هياكل أساسية مختلفة تحدد الخصائص الفيزيائية للبوليمر. يمكن أن تتكون الجزيئات الكبيرة الخطية التي تتكون فقط من سلسلة بوليمر واحدة (سلسلة رئيسية). في حالة البولي إيثيلين ، فإن السلسلة الرئيسية طويلة ن-الكان. اعتمادًا على ظروف التفاعل ، يتم أيضًا تكوين جزيئات كبيرة متفرعة مع سلسلة رئيسية وسلاسل جانبية ؛ في حالة البولي إيثيلين ، ستكون هذه جزيئات ألكيل. بالإضافة إلى طول السلسلة ، تحدد درجة التفرّع أيضًا كثافة وقوة ونقطة انصهار البوليمر. البوليمرات شديدة التشعب غير متبلورة ، وتتفاعل الجزيئات في المادة الصلبة مع بعضها البعض بطريقة غير منظمة. تشكل الجزيئات الكبيرة غير الممنوحة على وجه الخصوص بنية بلورية جزئية كمادة صلبة ، مميزة باللون الأحمر في الشكل أدناه. في حين أن البوليمرات المتفرعة وغير المتفرعة هي عادة لدائن حرارية ، فإن العديد من اللدائن المرنة لها شبكة عريضة بين "السلاسل الرئيسية". من ناحية أخرى ، تؤدي الشبكة المتماسكة إلى تشكيلات حرارية. تظهر الشبكات والفروع في الأشكال كنقاط حمراء.


الجزيء الخطي

جزيء ضخم متفرع

هيكل شبه بلوري من البوليمرات الخطية

بوليمر متقاطع متشابك واسع النطاق

بوليمر متشابك متشابك

تسمى البوليمرات التي تتكون من نوع واحد فقط (حقيقي أو وهمي) من المونومرات المتجانسة. البوليمرات المصنوعة من نوعين مختلفين أو أكثر من المونومرات هي بوليمرات مشتركة. تعتبر البوليمرات مثل البولي إيثيلين تيريفثاليت ، والتي يتم تصنيعها بالضرورة من مونومرين مختلفين ، عادةً بمثابة بوليمرات متجانسة ، حيث يمكن أن تتشكل وحدة تكرار مميزة واحدة فقط في المرة الواحدة.

في حالة البوليمرات المشتركة ، يمكن التحكم في تسلسل وحدات التكرار الدستورية عبر مسار اصطناعي. وهي مقسمة إلى بوليمرات مشتركة عشوائية ومتناوبة ، وكتلة بوليمرات مشتركة ، وبوليمرات مشتركة للكسب غير المشروع ، وبوليمرات مشتركة متدرجة. في الشكل أدناه ، يتم عرض البوليمرات الثنائية بشكل تخطيطي ، Ⓐ و يرمزان للوحدتين المتكررتين.


كوبوليمر عشوائي

كوبوليمر متدرج

كوبوليمر الكسب غير المشروع

بوليمر مشترك بالتناوب

كتلة البوليمرات

يمكن أن تحمل الوحدات المكررة بدائل ("بقايا") وغالبًا ما يتم تحديدها بالحرف R بالأرقام. إذا كانت وحدات المونومر غير متناظرة ، فهناك تكتيك للترتيبات في الجزيء الكبير. يمكن تقسيم البوليمرات إلى بوليمرات لاتكتيكية ، متوازنة التوضيع ، وبوليمرات متزامنة. مثال على التكتيك هو البوليسترين مع مجموعة فينيل كبقية ، بينما يؤدي طريق التوليف الكلاسيكي إلى بلاستيك غير متبلور غير متبلور ، ينتج عن التوليف المتلازمي بوليسترين بلوري ذو أهمية اقتصادية متزايدة.


متماثل

متلازم

رقيق

في حالة البوليمرات غير المشبعة في السلسلة الرئيسية ، قياسا على رابطة الدول المستقلة-عبر- الازمرية رابطة الدول المستقلة- أو عبر- البوليمرات التكتيكية ، مثل المطاط الطبيعي أو مطاط البوتادين. غالبًا ما تؤدي البلمرة الخاصة بالجسم إلى قوة ميكانيكية أعلى وتبلور أعلى وكثافة أعلى واستقرار حراري أعلى.

تعديل الهياكل الصلبة

ترتبط الخصائص الفيزيائية العيانية للبوليمر ارتباطًا وثيقًا بالتفاعلات بين سلاسل البوليمر.

  • البوليمرات Atactic ، والبوليمرات ذات درجة عالية من المتفرعة والبوليمرات العشوائية تشكل هياكل غير متبلورة تشبه الزجاج في الحالة الصلبة. [7] في الذوبان والمحلول ، تميل الجزيئات طويلة السلسلة إلى تكوين "تشابك إحصائي" متغير باستمرار ، انظر السلسلة الغاوسية (نموذج سلسلة متصل بحرية). في الحالة الصلبة ، يتم تجميد التركيبات الخاصة بالجزيئات. يؤدي تشابك وتشابك جزيئات السلسلة مع بعضها البعض إلى "رابطة ميكانيكية" بين السلاسل. تحدث روابط التكافؤ بين الجزيئات وداخل الجزيئات فقط في المواقع التي تكون فيها الأجزاء الجزيئية قريبة بدرجة كافية من بعضها البعض. يمنع التركيب غير المنتظم للجزيئات ترتيبًا أوثق. تسمى هذه الترتيبات أحيانًا "هيكل السباغيتي".
  • البوليمرات الخطية ذات البنية المنتظمة ، مع القليل من المتفرعة والجسمية (متساوية ومتلازمة) البوليمرات لها بنية بلورية جزئية في الحالة الصلبة. [7] في حالة البوليمرات ذات البنية البسيطة ، مثل البولي إيثيلين ، من وجهة نظر مثالية ، فإن المساحات الكبيرة ليست على شكل تشابك ، بل في شكل متعرج. تشكل العديد من المطابقات المتعرجة عبوات سلسلة كثيفة وبالتالي فهي متبلورة في هذه المناطق. تسمى هذه البلورات lamellae وهي أرق بكثير (غالبًا حوالي 10 نانومتر) [8] من طول البوليمرات. تتشكل من خلال طيات منتظمة أكثر أو أقل من سلسلة جزيئية واحدة أو أكثر. هناك هياكل غير متبلورة بين الصفائح. يمكن أن تؤدي الجزيئات الفردية إلى تشابك بين الصفائح ، ولكن يمكن أيضًا أن تشارك في تكوين صفحتين (أو أكثر) (جزيئات رابطة). تشكل عدة صفائح بنية فوقية ، كروية ، يتراوح قطرها غالبًا من 0.05 إلى 1 مم. [الثامن]
  • Weitmaschig vernetzte Polymere sind Elastomere und lassen sich nicht wie Thermoplaste ohne Zersetzung schmelzen. Thermoplastische Elastomere sind hingegen reversibel über Nebenvalenzen „physikalisch vernetzt“ und lassen sich schmelzen. Eine Variante sind Blockcopolymere, bei dem ein Hartsegment des Polymers die Neigung zur Kristallisation hat und einem Weichsegment mit amorpher Struktur. Die Hartsegmente sorgen für eine weitmaschige, physikalische Vernetzung.

Polymerphysik Bearbeiten

Die Einteilung der Polymerwerkstoffe erfolgt nach DIN 7724 aufgrund des Temperaturverlaufes des Schubmoduls und des Zugverformungsrestes bei Raumtemperatur. Sie beruht auf dem mechanischen Verhalten im Gebrauchstemperaturbereich und der Existenz eines Schmelzbereiches (Fließbereiches):

In der Polymerphysik beschäftigt man sich unter anderem mit

    , Molmassenverteilung
  • Kristallisation und Kristallisationskinetik
  • Oberflächeneigenschaften von Polymeren , also dem Fließverhalten und der Viskosität

Temperaturbeständige Polymere Bearbeiten

Die Temperaturbeständigkeit eines Polymers hängt von der Struktur der verwendeten Monomere, der Stabilität der Bindungen zwischen den Monomeren und den Wechselwirkungen der Polymerketten untereinander ab. Eine hohe Wärmebeständigkeit kann durch eine Erhöhung der Schmelzenthalpie und eine Erniedrigung der Schmelzentropie erreicht werden. Bei amorphen Polymeren sollten die Glastemperatur und bei teilkristallinen Polymeren die Glas- und Schmelztemperatur möglichst hoch sein. Zum Erreichen von Temperaturbeständigkeit können C-H-Bindungen und C-C-Bindungen durch Bindungen zwischen Kohlenstoff und Heteroatomen wie Fluor, Stickstoff oder Sauerstoff oder aber durch stabilere aromatische Bindungen ersetzt werden. Eine weitere Möglichkeit ist der Aufbau von Polymeren mit zwei parallelen und miteinander verbundenen Hauptketten (Leiterpolymere). [9]

Leitfähige Polymere Bearbeiten

Eine Voraussetzung für die elektrische Leitfähigkeit von Polymeren ist das Vorhandensein von konjugierten Pi-Elektronensystemen. Allerdings sind solche Polymere zunächst immer noch Isolatoren, bestenfalls Halbleiter. Die Leitfähigkeit, vergleichbar mit der von metallischen Leitern, setzt erst dann ein, wenn die Polymere oxidativ oder reduktiv dotiert werden. Die ersten Untersuchungen hierzu erfolgten am Polyacetylen, dessen Leitfähigkeit über die Dotierung mit Arsenpentafluorid oder Iod erreicht wurde. [10] Außerdem steigt die Leitfähigkeit mit zunehmender Kristallinität des Polymers. Weitere Beispiele für leitfähige Polymere sind dotiertes Polypyrrol, Polyphenylensulfid, Polythiophen sowie metallorganische Komplexe mit makrocyclischen Liganden wie Phthalocyanin. Eine oxidative Dotierung erreicht man mit Arsenpentafluorid, Titantetrachlorid, Brom oder Iod, eine reduktive Dotierung dagegen mit Natrium-Kalium-Legierungen oder Dilithiumbenzophenonat. Beim Dotieren entstehen Ladungen auf den Polymerketten, die durch die π-Konjugation über die Ketten delokalisiert sind. Die Erklärung für die Leitfähigkeit von Polymeren ist allerdings sehr komplex. So hat man versucht, den Ladungstransport entlang einer Polyenkette mit dem Soliton-Konzept bzw. mit dem Modell der Bipolaronen (auf einem kleinen Raum zusammengehaltene Ladungspaare) zu beschreiben. [11]

Leitende, also elektrisch aktive Polymere werden zum Aufbau von polytronischen Anwendungen verwendet. Anders als in der Molekularelektronik wird die Information nicht in einzelnen Molekülen, sondern in verschieden dotierten Volumina verarbeitet.

Solche elektronischen Anwendungen sind:

Eine andere Anwendung ist die Verarbeitung von Polymeren mit Hilfe der Elektronik beim Elektrospinnen.

Gesundheitliche Beurteilung Bearbeiten

Polymere werden in der Regel als gesundheitlich unbedenklich eingestuft. [12] [13] Kunststoffe können daher prinzipiell im medizinischen Bereich (bsp. als Implantate) oder im Lebensmittelbereich (als Verpackung) eingesetzt werden. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass nur unbedenkliche Katalysatoren bei der Herstellung verwendet werden, keine schädlichen Monomere zurückbleiben etc.

Ein relativ neuer Bereich der Polymerchemie umfasst supramolekulare Polymere, also Polymere, deren Bausteine nicht durch kovalente Bindungen, sondern durch vergleichsweise schwache intermolekulare Bindungen, wie etwa Wasserstoffbrückenbindungen, Ionenbindungen, Metall-Ligand-Wechselwirkungen, Van-der-Waals- oder hydrophobe Wechselwirkungen zusammengehalten werden. [14] Diese intermolekularen Bindungen können leicht zerbrochen werden (bei erhöhter Temperatur), können sich jedoch auch schnell wieder zurückbilden (beim Abkühlen). Aufgrund dieser Reversibilität zählen supramolekulare Polymere als neue Klasse selbstheilender Materialien. [15] Eine weitere Folge der schwachen intermolekularen Bindungen ist die geringe Viskosität von Schmelzen supramolekularer Polymere, was bei der Herstellung und Verarbeitung von Vorteil sein kann, aber auch bei bestimmten Anwendungen, wie dem Tintenstrahldrucken.

Während kovalent gebundene Polymere eine große Rolle in der Natur spielen (DNA, Polypeptide, Cellulose), sind relativ wenige natürlich vorkommende supramolekulare Polymere bekannt. Ein Beispiel supramolekularer Polymerisation in der Natur ist die Selbstassemblierung des Tabakmosaikvirus.


Inhaltsverzeichnis

Die Härte eines Werkstoffs hat nur bedingt etwas mit der Festigkeit des Werkstoffs zu tun, auch wenn die Festigkeit die Prüfverfahren zur Härtemessung, die auf der Eindringtiefe verschiedener Prüfkörper beruhen, beeinflusst. Der Einfluss der Festigkeit kann durch die Messung auf dünnen Filmen zwar reduziert, aber nicht völlig vermieden werden.

In bestimmten Fällen steht die Härte eines Werkstoffs allerdings in einem umwertbaren Zusammenhang zur Werkstoff-Festigkeit. Dann kann durch die verhältnismäßig preiswerte Härteprüfung eine meist viel aufwendigere Zugprüfung ersetzt werden. Von praktischer Bedeutung ist die Möglichkeit, eine Umwertung der Brinell- oder Vickershärte auf die Zugfestigkeit von Baustählen vorzunehmen. Dadurch können beispielsweise bei Prüfungen an Stahlkonstruktionen Materialverwechslungen nachgewiesen werden.

Die meisten Materialien großer Härte haben auch eine hohe Sprödigkeit , sie lassen sich also kaum plastisch verformen und brechen plötzlich. Darauf beruht unter anderem die Technik des Glasschneidens.

Für die Konstruktion von Bauteilen müssen Härte und Zähigkeit sinnvoll ausgeglichen werden: Das harte, spröde Bauteil bricht leicht, wenn einmal eine Belastungsspitze auftritt. Zähes (also weniger hartes) Material würde dies schadlos oder nur mit geringen Folgen überstehen. Letzteres würde sich jedoch schnell abnutzen. Es wird daher oft angestrebt, einen großen Innenbereich (Kern) aus zähem, festem Werkstoff mit einer sehr harten Oberflächenschicht zu versehen. Diese bringt zwei Vorteile: Beständigkeit gegen Abnutzung, und Anrisse können sich nicht bilden. Die eigentlichen Lasten werden dagegen vom Inneren aufgenommen.


DIN-Norm für Dickenmessung von Polymeren

In Mikrosystemen werden metallische Bauteile zunehmend durch solche aus kostengünstigen Polymeren ersetzt. Für die Dickenmessung von Polymeren gibt es nun erstmals die DIN-Norm 32567, die Methoden zur präzisen Messung der Dicke von Polymerschichten beschreibt, sowohl für optische als auch für taktile Oberflächenmessverfahren.

Dies beinhaltet Verfahren, mit denen sowohl die Antastkraft als auch der Spitzenradius von Tastschnittgeräten gemessen werden kann – eine Grundvoraussetzung für zerstörungsfreie präzise taktile Profilmessungen.

Vom Bewegungssensor bis zum Smartphone – in vielen Produkten des täglichen Lebens sind zunehmend Bauteile aus Polymermaterialien enthalten. Die gewünschte Funktionsweise dieser Bauteile hängt neben den Abmessungen häufig auch von den mechanischen Eigenschaften dieser Polymermaterialien ab. Die Abmessungen lassen sich optisch oder taktil messen.

Allerdings treten bei der Dickenmessung transparenter Materialien mit optischen Messverfahren, aber auch bei der Tastschnittmessung weicher Schichten auf harten Substraten systematische Abweichungen auf. Bei taktilen Verfahren sind die wesentlichen Einflussfaktoren die Antastkraft und der Tastspitzenradius. Bei viskosen Materialien, deren mechanische Eigenschaften zeitabhängig sind, wirken sich auch unterschiedliche Messgeschwindigkeiten auf die Höhe der systematischen Abweichungen aus.

Die PTB hat daher in Zusammenarbeit mit anderen europäischen Metrologie-Instituten ein Verfahren zur Korrektur der systematischen Messabweichungen entwickelt, das in der Norm DIN 32567 standardisiert worden ist. In der Norm werden die wesentlichen Einflussfaktoren bei taktilen und optischen Messungen aufgezeigt und Methoden zur Abschätzung, Korrektur und Reduzierung der systematischen Abweichungen beschrieben.

Sie beschreibt anwenderfreundliche Verfahren, mit denen sowohl die Antastkraft, als auch der Tastspitzenradius mit Hilfe von Normalen bestimmt werden können.

Bei optischen Messgeräten sind die wesentlichen Einflussfaktoren die effektive numerische Apertur der verwendeten Optik, die Lage der Reflexionsebene bei volumenstreuenden Materialien und der Phasensprung bei Reflexion. Die Norm beschreibt für Weißlichtmikroskope und fokussierende Messsysteme Verfahren zur Bestimmung dieser Größen und Korrektur von systematischen Abweichungen auf der Basis neuer Normale.

Die Forschungsarbeiten fanden im Rahmen des internationalen MeProVisc-Projektes (Dynamic mechanical properties and long-term deformation behaviour of viscous materials) innerhalb des Europäischen Metrologieforschungsprogramms EMRP statt. Ergebnis des Projektes ist ein Vergleich von Kriechmessungen mit der dynamischen instrumentierten Eindringprüfung für viskose Materialien. Die Standardisierung dieser Verfahren ist im Teil 5 der ISO 14577 Norm zur Nanoindentation geplant.

Ansprechpartner
Dr. Uwe Brand, Arbeitsgruppe 5.11 Härte und taktile Antastverfahren, Telefon: 0531-592 5111,
E-Mail: [email protected]

Weitere Informationen
• Brand, U. Beckert, E. Beutler, A. Dai, G. Stelzer, C. Hertwig, A. Klapetek, P. Koglin, J. Thelen, R. and Tutsch, R.: Comparison of optical and tactile layer thickness measurements of polymers and metals on silicon or SiO2. Meas. Sci. Technol. 22 (2011) 094021 (14pp)
• DIN 32567 Fertigungsmittel für Mikrosysteme — Ermittlung von Materialeinflüssen auf die Messunsicherheit in der optischen und taktilen dimensionellen Messtechnik. Teile 1 – 5
• Li, Z., Brand, U. und Ahbe, T.: Step height measurement of microscale thermoplastic polymer specimens using contact stylus profilometry. Prec. Eng. 45, 110–117 (2016)


Inhaltsverzeichnis

In der heutigen Werkstoffkunde unterscheidet man verschiedene Werkstoffgruppen, deren Einteilung nicht immer identisch, aber ähnlich ist. Sie werden beispielsweise [2] folgendermaßen eingeteilt:

  • Eisenwerkstoffe, vor allem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt unter 2 % und Gusseisen mit über 2 % Kohlenstoff und ihre Legierungen, wie Aluminium, Kupfer, Messing, Magnesium, Titan etc. , wie Silicium, Germanium oder organische Halbleiter , in den Untergruppen Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere
  • anorganische nichtmetallische Werkstoffe, wie Keramik, Glas Naturstoffe, wie Zeolithe, Saponit etc.
  • organische Naturstoffe, wie Holz, Grafit etc.

Verbreitet sind auch einfachere Einteilungen in: [3] [4] [5]

  • metallische Werkstoffe
  • nichtmetallische anorganische Werkstoffe (Keramiken)
  • Polymere (Kunststoffe)

Die Verbundwerkstoffe sind Kombinationen aus Werkstoffen mehrerer Werkstoffgruppen.

Die nichtmetallischen anorganischen Werkstoffe werden auch folgendermaßen eingeteilt: [6]

Eine weitere Einteilungsmöglichkeit unterscheidet

    bzw. Konstruktionswerkstoffe (z. B. Bauwerkstoffe, Profilstangen, Karosserieteile) (z. B. Beschichtungen, Katalysatoren, elektronische Bauteile) (z. B. Leicht oder präzise zu bearbeitende verschleißfeste Materialien, Fäden und Drähte)

Ein technischer Werkstoff wird eindeutig durch die Werkstoffnummer bezeichnet.

Neben der Werkstoffnummer gibt es viele kurzgefasste Bezeichnungen nach Norm für einzelne Metallgruppen: DIN EN 10027 für Stahl, DIN EN 1560 für Gusseisen, DIN EN 573 für Aluminium und -legierungen, DIN EN 1412 und DIN EN 1173 für Kupfer und -legierungen. [7] Für Stahl gibt es Werkstoffkurznamen, die sich überwiegend nach der Einsatzbestimmung richtet. Außerdem ist es üblich, Stahl nach seiner chemischen Zusammensetzung, also seinen Legierungsbestandteilen, zu klassifizieren. Die UNS-Nummer ist ein weiteres System, das nur für Metalle gültig ist und im Industriellen Umfeld eingesetzt wird.

Kunststoffe werden nach der Norm DIN EN ISO 1043 für Basispolymere oder DIN EN 14598 für verstärkte härtbare Formmassen bezeichnet. Die Bezeichnung setzt sich aus Kennbuchstaben und einem mit Bindestrich angehängtem Zusatzzeichen für besondere Eigenschaften der Polymere zusammen. Für Polyolefinformmassen gibt es weiterführende ISO-Standards.

Der Einsatz von Werkstoffen zieht sich bereits durch die gesamte Vorgeschichte der Menschheit. Das Material für einen Faustkeil (Stein) ist ein Werkstoff und ein Charakteristikum der Steinzeit. Es gehört mit Holz zu den ältesten Naturwerkstoffen, die es gibt.

Um 10.000 v. Chr. wurde zum ersten Mal Keramik hergestellt. Es ist der älteste künstliche Werkstoff.

Im 8. Jahrtausend v. Chr. begann die technische Nutzung von Metallen. Zunächst wurde mit gediegenen (elementar vorkommenden) Metallen wie Gold, Silber und Kupfer gearbeitet. Der Gebrauchswert dieser Werkstoffe war jedoch noch zu gering, was zur Entdeckung und Herstellung der ersten Legierung, nämlich der Bronze, führte. Die Herstellung von Bronze setzt bereits einen fortschrittlichen Bergbau zur Bereitstellung von Kupfer- und Zinnerzen voraus. Außerdem waren Verhüttungstechniken nötig. Die immer bessere Beherrschung dieser Technologien führte schließlich dazu, dass auch Eisen verhüttet werden konnte. Nach dem Dreiperiodensystem werden die jeweiligen Perioden nach den fortschrittlichsten eingesetzten Werkstoffen bezeichnet (siehe auch Archäometallurgie).

Parallel dazu wuchs mit der Entstehung von Siedlungen und Städten der Bedarf nach Werkstoffen für das Bauwesen (Stein, Holz), Hieb- und Stichwaffen, Münzen (Metalle) und Haushaltsgegenständen (zum Beispiel Keramikgefäße, Glaskunst).

Kein Werkstoff ist wie der andere, weil auch der Aufbau von der Makrostruktur bis hin zur atomaren Struktur sehr unterschiedlich sein kann. Die Werkstoffstruktur entscheidet jedoch über weitere Eigenschaften und das Verhalten. Die Größenskala ist nach dem SI-Präfix der Länge benannt, jedoch nicht scharf abgegrenzt und überlappt sich zum Teil.

Makrostruktur Bearbeiten

Die Erscheinungsform des Werkstoffes von Millimetern bis Metern. Sie ist mit dem bloßen Auge sichtbar und wird auch als Geometrie eines Werkstückes bezeichnet.

Mikrostruktur Bearbeiten

Die Mikrostruktur wird in der Werkstoffwissenschaft auch als Gefüge bezeichnet. Sie kann in Mikroskopen betrachtet werden und schließt Strukturgrößen von über 100 Nanometern bis zu wenigen Millimetern ein. Aufgrund der Mikrostruktur findet die Einteilung in die Werkstoffklassen (Metall, Keramik, Polymer oder Komposit) statt. In dieser Größenordnung findet ein Großteil der Werkstoffentwicklung für Metalle und Keramiken statt, weil entscheidende Mechanismen für die Plastizität hier ablaufen. Poren können der Anfang von Rissen sein, können jedoch gewünscht sein um eine große Oberfläche zu erzeugen. Der Voraussage von Größe und Verteilung von Phasen widmet sich die Thermodynamik und Kinetik. Ein Zusammenhang zwischen der Korngröße und der mechanischen Festigkeit in metallen ist die Hall-Petch-Beziehung.

Nanostruktur Bearbeiten

Nanomaterialien zeichnen sich durch Strukturgrößen von 1 bis 100 Nanometer aus. Nanoteilchen sind Cluster von einigen Hundert bis Millionen Atomen oder Molekülen, deren Verhalten besser durch die Quantenmechanik beschrieben werden kann als durch die klassische Mechanik. Hier eröffnen sich viele interessante und neue Potenziale für mechanische, elektrische, magnetische und optische Eigenschaften. Insbesondere in kristallinen Phasen ist die Art, Anzahl und Verhalten von Defekten entscheidend für diese Eigenschaften. Fremdatome im Kristall führen z. B. zu Mischkristallverfestigung oder dotieren Halbleiter. Die Nanostruktur ist für Katalysatoren und „Lab-on-a-Chip“ von Bedeutung weil extrem große oder auch hydrophobe Oberflächen hergestellt werden können. In der Natur sind Nanostrukturen weit verbreitet zum Beispiel an Lotosblumen oder dem Glasflügelfalter.

Werkstoffe sind in der Regel Stoffgemische, in denen die Synthese und das Fertigungsverfahren eine weit größere Vielfalt an Eigenschaften erlauben als es in Reinstoffen möglich ist. Werkstoffe können anhand ihrer Synthese, Formbarkeit und Fertigung aber auch unter ökologischen Gesichtspunkten weiter charakterisiert werden. Um einen Werkstoff bezüglich einer konkreten Anwendung zu charakterisieren, werden Werkstoffkenngrößen durch Prüf- und Messverfahren quantifiziert.

Fertigungstechnische Eigenschaften Bearbeiten

Jeder Werkstoff ist eng verbunden mit seinem Fertigungsverfahren. Metallische Werkstoffe werden größtenteils geschmolzen um z. B. Legierungen zu bilden. Die Gießbarkeit (Urformbarkeit) gibt an ob die Schmelze direkt in die endgültige Form gegossen werden kann und ob weitere oder andere Fertigungsprozesse erforderlich sind. Häufig wird ein Gussteil subtraktiv weiter bearbeitet, worüber die Zerspanbarkeit (Trennbarkeit) des Werkstoffes Auskunft gibt. [7] [8]

Die additive Fertigung ist nicht für jeden Werkstoff geeignet, ermöglicht jedoch sehr komplexe Geometrien ohne Materialverlust. Das Fügen von einzelnen Strukturelementen ist unter anderem abhängig von der Schweißeignung und der Neigung zum Kaltschweißen. Insbesondere für Polymere und Keramiken ist die Klebbarkeit und das Verbundsverhalten mit Klebstoffen von Bedeutung.

Die Beschichtbarkeit eines Werkstoffes durch einen anderen ist entscheidend für die Verbesserung von chemischen und mechanischen Eigenschaften des Verbundes. Beispiele sind das Lackieren, Galvanisieren, Pulverbeschichten, Feuerverzinken.

Ökologische Werkstoffeigenschaften Bearbeiten

Ein Werkstoff hat keine intrinsische ökologische Eigenschaften, sondern diese sind vielmehr von der Art der Gewinnung (z. B. Bergbau, Recycling) und der Fertigung abhängig. In der Fertigung liegt die Materialausnutzung beim Gießen, Sintern und Fließpressen meist über 85 %. Das Zerspanen ist hingegen mit Materialverlust von bis zu 60 % verbunden. Der Energieverbrauch kann in der Größenordnung von 80 bis 100 MJ/kg angenommen werden, wohingegen zuvor genannte unter 50 MJ/kg liegen. Sintern ist im allgemeinen Vergleich das energieeffizienteste Fertigungsverfahren pro Produktmasse. [7] Generell sind additive Fertigungsverfahren energie- und ressourceneffizienter als subtraktive Verfahren.


Reaktionstechnik

Dozentinnen/Dozenten:
Prof. Dr. Liauw

Prüfungsleistung:
Klausur oder mündliche Prüfung zur Vorlesung

Lernziele: 
Die Studierenden sind nach erfolgreichem Ab-schluss in der Lage, reaktionstechnische Probleme zu identifizieren und mit geeigneten Methoden (Kenn-zahlbestimmung, Retrofitting . ) Lösungen auszuar-beiten.

  • Mikrokinetik an technischen Beispielen
  • Makrokinetik: Stoff-, Wärme-, und ggf. Impulsbilanzen am Katalysatokorn, im Gas-Flüssig-System, in idealen Reaktoren

Werkstoffprüfung: Mechanische Eigenschaften von Polymeren - Chemie und Physik

Online-Vortrag am 12. Juli von 17:00 bis 18:00 Uhr:

Mit High-Tech-Werkstoffen die Medizintechnik revolutionieren!

& alles Wissenswerte zum Studiengang & anschließender Studi-Talk mit unserem Studi Jan. Er beantwortet gerne all deine Fragen zum Studiengang und zur Bewerbung.

Foto: Adobe Stock | RossandHelen

Einer der wenigen Studiengänge bundesweit, bei denen Sie eine vollumfängliche Ausbildung in allen Werkstoffbereichen erhalten (Metalle, Kunststoffe, Keramiken, Verbundwerkstoffe, Nano- und Oberflächentechnik usw.)

Sehr große Wahlmöglichkeiten im Studium: Nach einer umfassenden Grundausbildung können Sie sich auf Ihre „Lieblingswerkstoffe“ konzentrieren und Ihr Studium durch attraktive Wahlpflichtfächer anreichern.

Sehr hoher Praxisanteil und sehr starke Anwendungsorientierung

Starke Forschungsorientierung bereits im Studium und bei Interesse Mitarbeit bei attraktiven Forschungsprojekten

Beste Kontakte in die Industrie ermöglichen einen reibungslosen Berufseinstieg.

Intensive Kontakte zu in- und ausländischen Universitäten, die kooperative Promotionen für die besten Studierenden ermöglichen

80 - 100 Studienanfänger Exzellentes Betreuungsverhältnis zwischen Professoren und Studierenden sehr geringe Abbrecherzahlen

In sieben Semestern Regelstudienzeit vermitteln wir Ihnen praxisnah eine umfassende naturwissenschaftliche und technische Ausbildung. Dabei werden die wichtigsten werkstofforientierten Grundlagen von den Metallen über Glas, Keramik, Polymere, Verbundwerkstoffe bis zur Nanotechnologie behandelt. Im 5. Semester absolvieren Sie ein Praxissemester.


Video: Tensile Test (كانون الثاني 2022).