Polymers Flashcards
What are polymeric materials/plastics?
A polymer is built of several monomers connected in long chain molecules. The intermolecular bonds are Van Der Waals which are weak bonds and with the increase in energy, as a polymer is heated, the distance between the molecules increases as the vibration amplitude increases.
- Vid en viss temperatur kommer materialet bete sig som en vätska, på mikroskop nivå då en polymer aldrig “smälter” - det går in i ett “rubber state” och materialet som helhet kommer se ut som slime.
Rubber elasticity or entropy elasticity describes the resistance of any rubber or elastomer system against an externally applied deformation or Strain
What molecular forces hold a polymer component?
C-C-kovalenta bindningar strong forces C-C (covalent bonds; backbone), weak forces (van-der-Waals; intermolecular) pp. 50-51
How do we quantify the size of polymer molecules?
The molecular weight, number, weight averaged; the polydispersity index pp. 51-56
How are polymers defined in terms of structure / conformation / configuration / arrangement?
Rotation around the carbon bonds -> flexibility; tacticity, topology/branching pp. 56-59
What are the main types of polymers based on their molecular arrangement and their characteristics?
thermoplastic p.: amorphous (random structure, Tg, Ts; transparent) and semi-crystalline (amorphous + crystals, Tg, Tm typically opaque/hazy). Obtained via polymerization, can remelted and reshaped.
Cross-linked polymers (thermosets and elastomers) obtained via crosslinking/curing cannot be remelted and reshaped (see also ch. 8.2.1 and 9.7.4); the structure of copolymers and what are polymer blends. pp. 59, 65; 72-75;
What can polymers contain?
Fillers and pigments
Transition temperatures in polymers (Designation, what happens?, types of polymers)
Tg - glass temperature - from the solid (frozen, glassy) state to the rubbery state (amorphous solid is hard, brittle and glassy → rubber is soft, flexible, higher viscosity)
Tm - melting temperature - corresponds only to crystalline regions - when ordered phase turns into disordered due to the thermal vibrations
Td - degradation temperature - when material starts to degrade (faller isär/bryts ner, when it burns)
The ultimate Tg is determined by a number of factors: the chemical structure of the Thermoset for example: in the case of epoxy resin, the type of hardener and the degree of cure.
Thermoplastic:
Is both amorphous and semicrystalline.
Thermosets:
The degradation temperature of thermosets > Tm Thermosets cannot be remelt and reshaped!
Elastomers:
“Elastomers share the properties of both thermosets and thermoplastics. Initially, they behave like thermoplastic polymers, with distinct chains, that only afterward develop a covalent crosslink network, like thermosets. Unlike thermosets, however, elastomers form a crosslink network in a distinct vulcanization step known as post-polymerization”
Thermal conductivity in polymers
Thermal conductivity, k - ett materials förmåga att leda värme. k= cp X ρ X u X l(thermal conductivity = specific heat X density X speed of sound X Molecular separation.
Förmågan att leda värme sjunker med ökad temperatur både för amorph and semicristaline (over Tm there is no difference to amorphous polymers in terms of arrangement). Polymerer har allmänt väldigt låg värmeledningsförmåga i jämförelse med stål.
Ju större trycket blir desto mer varierar värmeledningsförmågan
Specific heat i polymers
The specific heat, C [kJ/K*kg], represents the energy required to change the temperature of a unit mass of material by one degree.
a) Amorphous materials: (ganska rak uppgång)
- Polystyrene (ca 1,4-2,3 kJ/Kkg)
- Polycarbonate (ca 1,2-2,1 kJ/Kkg)
- Polyvinyl chloride (ca 0,8-1,3 kJ/K*kg)
b) Semi-crystalline thermoplastics: (har alla en slags J-kurva med smältpunkt högst upp)
- LDPE (Topp vid 105 grader C, vid ca 7 kJ/Kkg)
- HDPE (Topp vid 125 grader, vid ca 17 kJ/Kkg)
- UHMWPE (Topp vid 135 grader, vid ca 31 kJ/K*kg)
c) Thermosets
Before curing: rakuppgång till 100 grader (2,1 kJ/Kkg), en håla ned till 1,2kJ/Kkg, upp till 2,3kJ/Kkg och sedan lite ned
After curing: Rak uppgång (1,2-2,2 kJ/Kkg)
Tc - melting point for crystallites (se slide)
Electrical properties of polymers
Det elektriska haveriet av isoleringen kan leda till fel på en elektrisk komponent eller kan äventyra användarens säkerhet, vi måste därför känna till den kritiska belastningen av isoleringsmaterialet för att designa isoleringen för lång kontinuerlig användning med lämplig grad av förtroende
Det elektriska genombrottsresistansen eller dielektriska styrkan beror på
- tid,
- temperatur,
- materiellt skick,
- belastningshastighet
- frekvens
- elektrodform?(electrode shape)
Flow of polymers - rheology basics
Rheologi, vetenskapen om fluiders (vätska) och fasta kroppars deformation. Reologi är läran om materiens deformations- och flytegenskaper. Man mäter storheter som exempelvis viskositet, elasticitet och flytgränser. Viskositet beskriver materialets flytbeteende och elasticitet beskriver materialets struktur. Rheologi, ger information om ett materials mekaniska egenskaper när det utsätts för dynamisk stress eller stain. Reologiska egenskaper beror på skjuvhastighet (hastigheten som kraften läggs på med, beroende på skjuvhastigheten kan materialet bete sig olika; långsamt så kan det bete sig mer elastiskt och dras ut men om man drar snabbt kan den istället gå av och få en brottyta som spröda material), molekylvikt, polymerstruktur, mängd tillsatser och temperatur
Visko-elasticitet
Viskositet: När vätskor utsätts för en kraft är deformationen permanent. Viskositeten är också en indikator på motståndsflödet. (Materialets flytbeteende.)
Elasticitet: När fasta ämnen, t.ex. metaller, utsätts för en viss begränsad kraft är deformationen inte permanent. När kraften släpps återställs den till sin ursprungliga form. Beskriver materialets struktur.
Plaster uppvisar både en viskös komponent och en elastisk komponent i sin fasta form och i sin smälta form. Då sägs de vara viskoelastisk och beteendet kallas viskoelasticitet.
Newtonian fluid - En vätska vars viskositet inte påverkas av skjuvhastigheten. Viskositeten förblir konstant när skjuvhastigheten (slaghastigheten) ändras. (Skärhastighet vid formsprutning är synonymt med injektionshastighet.) Honung beter sig som en newtonsk vätska.
Non-Newtonian fluid - Viskositeten kommer att förändras på grund av omrörning eller tryck - tekniskt känt som skjuvspänning. Två typer: Shear thickening och shear thinning.
Shear thickening - majsstärkelse. Om man slår med en viss hastighet så kommer vätskan att tjockna och bli hård. Om man dock står still så kommer man tillslut att sjunka. Detta beror på att det inte skapas någon skjuvning i materialet.
Shear thinning - smör. “Det krävs till en början mer kraft för att få smöret att bredas ut, men desto längre man breder ut smöret desto enklare är det att breda ut smöret.”
The anatomy of a single screw extruder
Uppgiften för en plastande extruder är att:
- transportera de fasta pellets eller pulver från behållaren till skruvkanalen
- kompaktera pelletsen och flytta ner dem till kanalen
- smälta pelletsen
- blanda polymeren till en homogen smälta
- fyll/tryck smältan genom formen
I: Materialet komprimeras ihop och man låter luften åka tillbaka upp. Det skapas friktion mellan materialet och skruven och tillsammans med värmeplattorna som sitter utanför röret så leder det till att materialet börjar smälta i steg 2.
II: Det blir till smälta med hjälp av värme. Det tar tid och energi att få hela materialet i smältstadie.
III: Ventilation där bubblor eller gaser som kommit som restprodukt. Genererar tryck för att pumpa ut smältan ur mallen/formen/profilen.
Solving mixing problems
Distributive mixing (två icke blandbara, som olja och vatten)
Distributive laminar mixing refers to the physical process of two fluids being blended such that the physical separation distances are reduced to a scale where diffusion, or chemical reaction, can occur.
Distributive mixing leads to a homogeneous spatial distribution of the minor component into the polymer matrix
Dispersive mixing
Dispersive mixing refers to the break-up of the minor component of a mixture into smaller size particles or droplets
Coalescence
(när två blandbara ämnen får den minska kontakt så kommer de att blandas)
Koalescens är inom molnfysik en process för storlekstillväxt av vattendroppar genom att två droppar stöter ihop och genom sammanslagning bildar en större droppe. Koalescens är en viktig process för att molndroppar skall kunna bli regndroppar och bilda nederbörd.
“the process by which two or more separate masses of miscible substances seem to “pull” each other together should they make the slightest contact”
Secondly shaping in extrusion (fiber spinning, film casting and film blowing)
Film casting:
Drawing/fiber spinning:
Tubing dies:
Film blowing: A polymer melt is extruded through a tubular die while air is blown through the center of the tube inflating the melt.
