Polymeerimateriaalien perusteet osa

Transkriptio

1 Polymeerimateriaalien perusteet osa

2 Polymeerimateriaalien perusteet 10. Polymeerien reologia

3 Polymeerimateriaalien reologia Polymeerimateriaalien reologiassa tutkitaan polymeerimateriaalin virtausta ja muodonmuutosta. Näiden ominaisuuksien tutkiminen on erityisen tärkeää polymeerien sulatyöstön arvioimisen ja optimoinnin kannalta. jokjkjhkjkioiuoiu 3

4 Polymeerimateriaalien perusteet 10. Polymeerien reologia:viskoelastisuus

5 Viskoelastisuus Kun materiaaliin kohdistetaan tai poistetaan vakiojännitys, voi se käyttäytyä viskoosisesti, elastisesti tai viskoelastisesti. Kun viskoosisesti käyttäytyvään materiaaliin kohdistetaan vakiojännitys, kasvaa muodonmuutos kunnes jännitys poistetaan. Jännityksen poistuttua viskoosisen materiaalin jää palautumaton muodonmuutos. Elastinen materiaali puolestaan saavuttaa välittömästi muodonmuutoksen vakiojännityksen kohdistuessa materiaaliin ja muodonmuutos poistuu heti, kun jännitys poistetaan.. jokjkjhkjkioiuoiu 5

6 Viskoelastisuus Viskoelastisesti käyttäytyvällä materiaalilla on taas piirteitä sekä viskoosisesta ja että elastisesta materiaalista. Kuvassa on havainnollistettu, kuinka viskoosinen, elastinen ja viskoelastinen materiaali käyttäytyy jännityksen alaisuudessa. jokjkjhkjkioiuoiu 6

7 Kuva a) Elastinen käyttäytyminen, b) viskoosinen käyttäytyminen ja c) viskoelastinen käyttäytyminen Maxwellin materiaalimallin mukaan. jokjkjhkjkioiuoiu 7

8 Viskoelastisuus Lähes täysin viskoosisesti käyttäytyviä materiaaleja ovat esimerkiksi vesi, kaasut ja mineraaliöljyt. Lähes elastisesti käyttäytyviä materiaaleja ovat useat metallit silloin, kun jännitys on myötöjännitystä pienempi. Viskoelastisesti käyttäytyviä materiaaleja ovat puolestaan esimerkiksi polymeerisulat. jokjkjhkjkioiuoiu 8

9 Polymeerimateriaalien perusteet 10. Polymeerien reologia:leikkausviskositeetti ja leikkausohenevuus

10 Leikkausviskositeetti Sulatyöstössä polymeerisulan viskoosinen käyttäytyminen on yleensä hallitsevampaa kuin sen elastinen käyttäytyminen ja sulaan kohdistuu usein leikkausjännitys. Tällöin leikkausviskositeetti on useimmissa tapauksissa tärkein polymeerisulan reologinen parametri. Leikkausviskositeettia ja muita reologian keskeisiä parametrejä voidaan parhaiten kuvata niin sanotun yksinkertaisen leikkausvirtauksen avulla. Tällä tarkoitetaan virtausta kahden levyn välissä, jossa ylempi levy liikkuu nopeudella V ja alempaa levyä pidetään paikoillaan, kuten kuvassa on esitetty. jokjkjhkjkioiuoiu 10

11 Kuva Yksinkertainen leikkausvirtaus. jokjkjhkjkioiuoiu 11

12 Leikkausviskositeetti Yksinkertaisessa virtauksessa molempien levyjen pinta-ala on A, ylempää levyä vetävä voima F, ylemmän levyn kulkema matka tietyssä ajassa t on V, tarkasteltava paikka u-akselilla on y ja levyjen välinen etäisyys h. Tällöin nopeusjakauma on lineaarinen riippumatta siitä, millainen neste on kyseessä. jokjkjhkjkioiuoiu 12

13 Leikkausviskositeetti Yksinkertaista leikkausvirtausta hyväksikäyttäen voidaan siirtymälle u, leikkausnopeudelle, leikkausjännitykselle ja leikkausviskositeetille määrittää arvot kaavoista jokjkjhkjkioiuoiu 13

14 Kaavat V u = y ( ) h V y = h ( ) F τ = ( ) A τ η = ( ) y jokjkjhkjkioiuoiu 14

15 Leikkausohenevuus Nestettä, jonka leikkausviskositeetti pysyy muuttumattomana leikkausnopeuden kasvaessa, kutsutaan newtoniseksi. Polymeerisulilla leikkausviskositeetti ei kuitenkaan pysy muuttumattomana, ne ovat epänewtonisia nesteitä. Kuvassa on esitetty polymeerisulien yleinen käyttäytyminen, kun leikkausnopeutta kasvatetaan. jokjkjhkjkioiuoiu 15

16 Kuva Yleinen leikkausviskositeettikäyrä leikkausohenevalle polymeerisulalle. jokjkjhkjkioiuoiu 16

17 Leikkausohenevuus Alussa, pienillä leikkausnopeuksilla polymeerisullalla on alue, jossa leikkausviskositeetti pysyy vakiona. Tätä vakioarvoa kutsutaan nollaviskositeetiksi. Leikkausnopeuden kasvaessa, leikkausviskositeetti alkaa pienentyä. Tämä alue on leikkausoheneva alue. jokjkjhkjkioiuoiu 17

18 Leikkausohenevuus Lopulta polymeerisula saavuttaa toisen vakioviskositeetin hyvin suurilla leikkausnopeusarvoilla. Polymeerisulilla tätä toista newtonisen alueen olemassaoloa ei kutenkaan ole pystytty todistamaan. Todellisuudessa toisen newtonisen alueen leikkausnopeuksia ei edes esiinny polymeerisulien prosessoinnissa [ jokjkjhkjkioiuoiu 18

19 Polymeerimateriaalien perusteet 10. Polymeerien reologia:mittauslaitteet

20 Mittauslaitteet Polymeerimateriaalien reologisia ominaisuuksia voidaan tutkia erilaisilla mittauslaitteilla. Sulaindeksilaitetta, sekä kapillaari- ja rotaatioreometriä käytetään polymeerisulien reologisten ominaisuuksien mittaamiseen. Osa polymeerimateriaaleista ei kuitenkaan kestä korotettuja lämpötiloja, jolloin edellä mainittuja laitteita ei voida käyttää. Tällöin voidaan käyttää esimerkiksi Uddeholmin putkea, jolla voidaan määrittää K-arvo ja viskositeettiluku. jokjkjhkjkioiuoiu 20

21 Sulaindeksilaite Sulaindeksilaitetta, joka on esitetty kuvassa , voidaan käyttää sulan polymeerimateriaalin sulaindeksin määrittämiseen. jokjkjhkjkioiuoiu 21

22 Kuva Sulaindeksilaite. jokjkjhkjkioiuoiu 22

23 Sulaindeksilaite Tällöin polymeerimateriaali laitetaan sulaindeksilaitteen sylinteriin, joka on lämmitetty haluttuun lämpötilaan. Kun polymeerimateriaali on sulanut, asetetaan sylinteriin mäntä, jonka päällä on tietynkokoinen paino. Paino puristaa sulan sylinterin toisessa päässä olevan kapillaarin reiän läpi, jonka halkaisija on 2.095mm, läpi. Sulamassavirraksi kutsutaan sitä grammamäärää materiaalia, joka tulee kapillaarista ulos 10 minuutin aikana. Sulaindeksin yksikkö on g/ 10 min ja sen yhteydessä ilmoitetaan myös käytetty paino ja lämpötila. Mitä suurempi sulaindeksin arvo on, sitä pienempi on sen leikkausviskositeetti. jokjkjhkjkioiuoiu 23

24 Sulaindeksilaite Saatu sulaindeksi kertoo leikkausviskositeettiarvon vain yhdessä leikkausnopeuspisteessä. Tämä leikkausnopeuspiste määräytyy käytetystä painosta sekä kapillaarin halkaisijasta ja pituudesta. Sulaindeksilaitetta kuitenkin käytetään etenkin teollisuudessa kaupallisten kestomuovien laadunvalvonnassa. Tätä varten kaupallisten kestomuovien datasheeteissä on myös usein mainittu kestomuovin sulaindeksi. jokjkjhkjkioiuoiu 24

25 Kapillaarireometri Kapillaarireometrin periaatekuva on esitetty kuvassa Siinä mitattava polymeerimateriaali laitetaan sylinteriin, jossa se esilämmityksen aikana annetaan sulaa ja saavuttaa tasainen lämpötila. Tämä esilämmitysvaihe kestää yleensä 5-10 minuuttia. Tämän jälkeen polymeerimateriaalia työnnetään kapillaarin läpi hydraulisesti tai mekaanisesti säädeltävällä männällä. Kapillaarin yli syntyvä painehäviö määritetään mittaamalla sylinterissä vallitseva paine paineanturia käyttäen. Kun haluttua leikkausnopeutta (tietty männännopeus) vastaava paine on tasoittunut, voidaan siirtyä mittaamaan seuraavaa pistettä nostamalla (tai laskemalla) männännopeutta. jokjkjhkjkioiuoiu 25

26 Kuva Kapillaarireometri. jokjkjhkjkioiuoiu 26

27 Kapillaarireometri Virtaus kapillaarissa vastaa putkivirtaustilannetta. Perusyhtälöt viskositeetin määrittämiseksi on esitetty kaavoissa , ja , joissa Q on tilavuusvirta, on painehäviö kapillaarin yli, ja ovat leikkausnopeus ja leikkausjännitys kapillaarin seinällä ja on viskositeetti. Edellä esitetyistä yhtälöistä saadut tulokset ovat tarkasti ottaen voimassa vain newtonisille nesteille, kun taas epänewtonisten nesteiden kohdalla tuloksille täytyy tehdä tietyt korjaukset. Tämä johtuu siitä, että viskositeettia määritettäessä tehdään yleensä useita oletuksia. Näitä oletuksia ovat esimerkiksi kokoonpuristuva neste, isoterminen virtaus, paineesta riippumaton viskositeetti, ei liukumista kapillaarin seinällä. jokjkjhkjkioiuoiu 27

28 Kaavat & γ = w 4Q πr 3 ( ) τ w = Δp 2L / R ( ) η = τ & γ w w ( ) jokjkjhkjkioiuoiu 28

29 Rotaatioreometri Rotaatioreometritesteissä käytetään polymeerisulille yleensä kuvan kartiolevy (cone & plate) tai levy-levy (plate & plate) geometriaa. Leikkausviskositeettia mitattaessa säädetään yleensä kulmanopeutta Ω ja mitattava suure on vääntömomentti M. Kartio-levy-geometriassa leikkausnopeus on vakio kaikkialla näytteessä. jokjkjhkjkioiuoiu 29

30 Kuva Rotaatioreometrin yleisimmät geometriat: (a) kartio-levy; (b) levy-levy. jokjkjhkjkioiuoiu 30

31 Rotaatioreometri Kartio-levy-geometrian tapauksessa viskositeetti saadaankin helposti laskettua kaavojen ja avulla. Levy-levy geometriaa käytettäessä leikkausnopeus on suurimmillaan levyn reunalla ja pienimmillään (= 0) levyn keskellä. Tästä johtuen leikkausviskositeetin laskentakaava on monimutkaisempi kuin kartiolevy geometrian tapauksessa. jokjkjhkjkioiuoiu 31

32 Kaavat Ω & γ = tan θ Ω θ ( ) 3Mθ η = ( ) 3 2πR Ω jokjkjhkjkioiuoiu 32

33 Rotaatioreometri Edellä esitetyn rotaatiomoodin avulla tehtävien leikkausviskositeettimittausten lisäksi rotaatioreometria käytetään myös paljon dynaamisissa mittauksissa viskoelastisten ominaisuuksien tutkimiseen. Tällöin liikkuva levy tekee oskilloivaa liikettä tietyllä kulma-amplitudilla ja taajuudella. Myös dynaamisissa mittauksissa voidaan käyttää sekä levy-levy että kartio-levy geometrioita. jokjkjhkjkioiuoiu 33

34 Rotaatioreometri Dynaamisen testin tulokset esitetään yleensä varastomodulin G, häviömodulin G ja kompleksisen leikkausviskositeetin itseisarvon avulla. Kompleksinen leikkausviskositeetti saadaankin edellä esitettyjen varasto- ja häviömodulien ja kulmanopeuden ω avulla kaavasta Kuvassa on esitetty tyypilliset tulokset, jotka saadaan dynaamisesta testistä. jokjkjhkjkioiuoiu 34

35 Kaava G G η * = + ω ω 2 2 ( ) jokjkjhkjkioiuoiu 35

36 Kuva Rotaatioreometrista saatu tyypillinen mittaustuloskäyrä dynaamisessa testissä. jokjkjhkjkioiuoiu 36

37 Uddeholmin viskositeettiputki Polymeerimateriaalien suhteellinen viskositeetti ja viskoisteettiluku voidaan määrittää esimerkiksi Uddeholmin viskositeettiputkella. Tällöin mitataan puhtaan liuottimen juoksutusaika t0 ja polymeeriliuoksen, jonka väkevyys on alle 0.01 g/ml, juoksutusaika t. Näistä arvoista saadaan kaavan mukaan suhteellinen viskositeetti, joka on sama kuin liuoksen viskositeetti jaettuna liuottimen viskositeetilla. Viskositeettiluku saadaan puolestaan kaavasta , jossa c on polymeeriliuoksen väkevyys ja sen yksikkö g/ml, t0 on edelleen puhtaan liuottomien juoksutusaika ja t polymeeriliuoksen juoksutusaika. Viskositeetiluvun yksikkö on tällöin ml/g. jokjkjhkjkioiuoiu 37

38 Kaavat ja t η = ( ) t 0 viskositteettiluku η η = η c 0 = t 0 t 0 t c 0 ( ) jokjkjhkjkioiuoiu 38

39 Uddeholmin viskositeettiputki Polymeerimateriaalien K-arvo saadaan niin sanotulla Fikentscheryhtälöllä viskositeettiluvusta. Tällöin käytetään polymeerimateraialin 2-%:n sykloheksaaniliuosta. Mitä suurempi saatu K-arvo on, sitä suurempi on polymeerimateriaalin moolimassa, mekaaninen lujuus ja lämmönkestävyys sekä sitä vaikeammin se on muovattavissa. Kaupallisilla polyvinyylikloridi-laaduilla (PVC) K-arvot ovat , polyvinyyliasetaaleilla (PVA) ja kloorikumilla (CR) jokjkjhkjkioiuoiu 39

40 Polymeerimateriaalien perusteet 11. Mekaaniset ominaisuudet

41 Mekaaniset ominaisuudet Polymeerimateriaalit voivat sisältää erilaisia polymeerejä, joiden mekaanisiin ominaisuuksiin polymeerimateriaalien valmistajat voivat vaikuttaa polymerointiolosuhteita muuttamalla ja lisäaineiden käytöllä. Myös polymeerimateriaalien käyttäjät voivat vielä räätälöidä polymeerimateriaaleja erilaisilla lisäaineilla ja sekoittamalla polymeerimateriaaleja keskenään. jokjkjhkjkioiuoiu 41

42 Mekaaniset ominaisuudet Toisaalta polymeerimateriaalien ominaisuudet eivät määräydy pelkästään polymeerien ja lisäaineiden ominaisuuksista ja niiden keskinäisestä vuorovaikutuksesta. Muun muassa polymeerimateriaalien ympäristö- ja prosessointiolosuhteet sekä prosessointimenetelmät voivat muuttaa polymeerimateriaalien ominaisuuksia. Tästä johtuen ei polymeerimateriaalien mekaanisista, eikä niiden muistakaan ominaisuuksista voida antaa tarkkoja yksityiskohtaisia tietoja. jokjkjhkjkioiuoiu 42

43 Polymeerimateriaalien perusteet 11. Mekaaniset ominaisuudet:mekaaninen testaus

44 Mekaaninen testaus Polymeerimateriaalien mekaanisia ominaisuuksia voidaan määrittää erilaisten testausmenetelmien kautta. Näitä testausmenetelmiä ovat muun muassa vetokoe, taivutuskoe, iskukoe, puristuskoe, kovuuskokeet sekä kitka- ja kulumiskokeet. Esimerkiksi paksuseinämäisille, jäykille ruiskuvalukappaleille tärkeimpiä mekaanisia testausmenetelmiä ovat veto-, taivutus- ja iskulujuus. jokjkjhkjkioiuoiu 44

45 Polymeerimateriaalien perusteet 11. Mekaaniset ominaisuudet:mekaaninen testaus:standardit:

46 Standardit Mekaanisten ominaisuuksien testausmenetelmiin on luotu erilaisia standardeja, jotta testausmenetelmällä saadut tulokset ovat mahdollisimman riippumattomia toisistaan. Tunnetuimmat standardit ja standardijärjestelmät ovat ASTM (American Society for Testing of Materials), BSI (British Standard Institution), DIN (Deutsches Institut fur Normung), ISO (International Standartization Organisation) ja SFS (Suomen Standardoimisliitto ry), joista Suomessa suositellaan käytettäväksi ISO-standardeja. Eri standardien mukaiset testit ovat suoritustavaltaan vastaavia, mutta eroavaisuuksia löytyy esimerkiksi koekappaleen muodossa, mitoissa, loveamisessa ja koestusnopeuksissa. Täten eri polymeerimateriaalien vertailussa ei tulisi käyttää eri standardeihin perustuvia mittaustuloksia. jokjkjhkjkioiuoiu 46

47 Polymeerimateriaalien perusteet 11. Mekaaniset ominaisuudet:mekaaninen testaus:koekappaleet

48 Koekappaleet Koekappaleen valmistusmenetelmät sekä sen muoto ja mitat vaikuttavat mekaanisten testien tuloksiin. Mekaanisissa testeissä suositellaan käytettäväksi ISO 3167 standardin mukaista yleiskoekappaletta, joka käy sellaisenaan vetokokeeseen. Taivutus, HDT- ja iskukokeissa käytetään yleiskoekappaleen keskiosasta työstettyä koekappaletta. Kuvassa on esitetty ISO 3167 koekappale, siitä mekaanisella työstöllä valmistetut koekappaleet sekä mekaaniset testit, joissa niitä voidaan käyttää. jokjkjhkjkioiuoiu 48

49 Kuva ISO 3167 koekappale, siitä mekaanisella työstöllä valmistetut koekappaleet sekä mekaaniset testit, joissa niitä voidaan käyttää. jokjkjhkjkioiuoiu 49

50 Koekappaleet Yleiskoekappaleella saatuja tuloksia ei aina pystytä soveltamaan tuotteesta, jonka mekaanisia ominaisuuksia halutaan testata. Tällöin käytetään tuotteen mittoja ja rakennetta vastaavia koekappaleita. Kalvojen ja levyjen vetotesteihin on olemassa omat ISO-standardit, joiden mukaan koekappaleet valmistetaan. Standardien mukaisten valmistuksessa voidaan käyttää ruiskuvalua (kestomuovit ja termoelastit), muottiin puristusta (kumit), mekaanisella työstöä (kerta- ja kestomuovit sekä kumit ja termoelastit) ja stanssausta (kestomuovit, kumit ja termoelastit). jokjkjhkjkioiuoiu 50

51 Polymeerimateriaalien perusteet 11. Mekaaniset ominaisuudet:mekaaninen testaus:vetokoe

52 Vetokoe Polymeerimateriaaleille yleisimmin käytetty testausmenetelmä on vetokoe, joka suoritetaan yleensä standardin ISO R 527, ASTM D638, ASTM D882 tai DIN mukaan. Vetokokeessa koekappaletta venytetään standardin määrittelemällä vakionopeudella ja samalla mitataan venytystä vastustava voima. Mittausolosuhteet ovat myös standardin määrittelemät. Vetokokeen tuloksena saadaan voima-siirtymäkäyrä, josta saadaan laskettua testatun polymeerimateriaalin jännitys-venymäkäyrä kaavojen ja avulla, joissa ε on venymä, d on siirtymä, L on vetovälin pituus, σ on jännitys, F on voima ja A on koekappaleen poikkipinta-ala. Jännitys-venymäkäyrästä voidaan määrittää polymeerimateriaalin vetokimmomoduuli E, myötölujuus σm, myötövenymä εm, murtolujuus σb ja murtovenymä εb. jokjkjhkjkioiuoiu 52

53 Kaavat ja d ε = L ( ) F σ = A ( ) jokjkjhkjkioiuoiu 53

54 Vetokoe Jännitys-venymäkäyrän alussa esiintyvän suoraviivaisen osan kulmakerroin on vetokimmomoduuli E, joka ilmaisee materiaalin jäykkyyden. Suoraviivaisella osalla polymeeriketjut pyörivät oman akselinsa ympäri sekä oikenevat. Ketjujen liike on palautuvaa kun jännitys poistetaan koekappaleesta. Myötölujuus σm ja myötövenymä εm taas määritetään myötörajasta, joka kuvassa on esitetty sitkeillä kestomuoveilla käyrissä b ja c. Myötörajalla polymeeriketjujen välillä alkaa tapahtua pysyvää muodonmuutosta; ketjujen väliset sekundäärisidokset antavat periksi ja ketjut alkavat liukua toistensa lomitse. Jännitys on tällöin tasolla, joka tarvitaan ketjujen liikkeen aikaansaamiseksi. Usein ei selvää myötörajaa esiinny, jolloin käytetään niin sanottua 0.2% myötörajaa, eli raja on kohdassa, jossa venymä on 0.2 %. jokjkjhkjkioiuoiu 54

55 Kuva Vetokokeesta saatu jännitys-venymä-käyrä, jossa a) hauraat polymeerimateriaalit (kertamuovit ja jäykät komposiitit), b) ja c) sitkeät muovit, joilla on myötäraja (kestomuovit) ja d) sitkeät polymeerimateriaalit, joilla ei ole selkeää myötörajaa (kumit ja termoelastit). Kuvassa σ on jännitys ja ε venymä. jokjkjhkjkioiuoiu 55

56 Vetokoe Myötärajan jälkeen ketjut jatkavat toistensa suhteen liikkumista ja ketjut orientoituvat vedon suuntaisesti. Kun yhä suurempi määrä ketjuja orientoituu vedon suuntaisesti, voi seurauksena olla koekappaleen oheneminen eli kuroutuminen. Ideaalisessa tapauksessa ohenemista tapahtuu koko vetoalueen pituudelta. Lopulta koekappale murtuu, kun ketjujen hiili-hiilisidosten murtamiseen tarvittu voima saavutetaan. Yleensä vetolujuus käsitetään polymeerimateriaalin myötölujuutena, standardien mukaan se on kuitenkin joko myötö- tai murtolujuus, riippuen siitä kumpi arvo on suurempi. Polymeerimateriaalien murtolujuudesta ei kuitenkaan olla kovin kiinnostuneita, koska polymeerituotteella ei yleensä ole käyttöarvoa myötörajan jälkeen. Poikkeuksena ovat kuitenkin kumit ja termoelastit jokjkjhkjkioiuoiu 56

57 Vetokoe Lujittamattomille polymeerimateriaaleille saadut vetolujuudet ovat yleensä huomattavasti alhaisemmat kuin metalleilla, mutta niiden massaan suhteutettu ominaislujuus on kuitenkin hyvä metalleihin verrattuna. Lujittamattomien kestomuovien vetolujuudet ovat yleensä MPa, joka on noin 10-20% metallien vetolujuuksien arvoista. Lujitteita sisältävien kestomuovien vetolujuudet voivat puolestaan olla jopa 200 MPa. Polymeerimateriaalien murtovenymät voivat vaihdella noin %. Useimmilla teknisillä kestomuoveilla murtovenymä on %. jokjkjhkjkioiuoiu 57

58 Polymeerimateriaalien perusteet 11. Mekaaniset ominaisuudet:mekaaninen testaus:taivutuskoe

59 Taivutuskoe Taivutuskoetta käytetään mittaamaan polymeerimateriaalien jäykkyyttä. Kumit ja useimmat kestomuovit eivät murru taivutuksessa vaan luistavat tukien välistä ennen taivutusta. Tämä on seurausta niiden suuresta murtovenymästä taivuttavassa kuormituksessa. Polymeerimateriaalien taivutusominaisuuksia testataan taivutuskokeessa pääasiassa kolmi- ja nelipistetaivutuksella. Kuvassa on esitetty periaatepiirros kolmi- ja nelipistetaivutuksesta, joka suoritetaan standardin SFS-EN ISO 178 mukaan. jokjkjhkjkioiuoiu 59

60 Kuva a) Kolmi- ja b) nelipistetavutuskokeen periaatteet standardin SFS-EN ISO 178 mukaan. jokjkjhkjkioiuoiu 60

61 Taivutuskoe Taivutuskokeessa käytetään vetokokeessa käytettävää vetokoelaitteistoa. Taivutuskokeen tulokseksi saadaan voima-siirtymäkäyrä. Kolmipistetaivutuksessa voima-siirtymäkäyrästä voidaan kaavojen ja avulla saada jännitysvenymäkäyrä, joissa ε [dimensioton tai %] on taivutusvenymä, h [mm] koekappaleen paksuus, d [mm] palkin siirtymä, s [mm] taipuma, L [mm] taivutusvälin pituus, σ [MPa] taivutusjännitys, F [N] voima ja b [mm] koekappaleen leveys. jokjkjhkjkioiuoiu 61

62 Kaavat ja ε = 6sh L 2 ( ) σ = 3FL 2bh 2 ( ) jokjkjhkjkioiuoiu 62

63 Taivutuskoe Taivutuskokeessa koesauvan alapinnassa on vetojännitys ja yläpinnassa puristusjännitys. Neutraaliakselilla se on nolla. Lisäksi sauvaa rasittavat leikkauskuormat, poikkileikkauksen suuntainen leikkausjännitys ja kerrosten välinen työntöjännitys vaakasuorassa leikkauksessa. Taivutuskokeen tukivälin valintaan tulee kiinnittää erityistä huomiota, sillä koesauvan tulisi myötää pelkän taivutusmomentin takia. jokjkjhkjkioiuoiu 63

64 Taivutuskoe Esimerkiksi komposiiteilla kerrosten välinen leikkauslujuus on pieni ja tukivälin valinta on suoritettava siten, että kerrosten välinen leikkautuminen ei vaikuta myötämiseen. Samoin kuin vetokokeessa, taivutuskokeen tulos kertoo polymeerimateriaalin jäykkyydestä ja lujuudesta. Kuvassa on esitetty tyypillisiä jännitystaipumakäyriä missä (a) näyte voi murtua ennen myötymistä, (b) näyte saavuttaa maksimilujuuden ja myötää katkeamista, tai (c) näytteellä ei ole myötöpistettä eikä se murru. jokjkjhkjkioiuoiu 64

65 Kuva Tyypillisiä taivutuskokeen jännitys-taipumakäyriä (SFS ISO 178), missä (a) koekappale murtuu ennen myötökohtaa, (b) näyte saavuttaa maksimilujuuden ja myötää katkeamista, (c) näytteellä ei ole myötöpistettä eikä murru. jokjkjhkjkioiuoiu 65

66 Polymeerimateriaalien perusteet 11. Mekaaniset ominaisuudet:mekaaninen testaus:iskukoe

67 Iskukoe Polymeerimateriaalien iskukokeet ovat suurella nopeudella suoritettavia murtumiskokeita, joilla mitataan kappaleen murtumiseen tarvittavaa energiaa. Yleisimmin käytetään heilahdusvasaraiskukoetta. Heilahdusvasaraiskumenetelmiä on käytössä Izod-, Charpy- ja vetoiskumenetelmät. Izod-kokeessa koesauva kiinnitetään toisesta päästään kohtisuoraan iskusuuntaa vasten ja isku kohdistetaan vapaaseen päähän. Charpy-kokeessa sauva tuetaan molemmista päistään ja isketään keskeltä poikki. jokjkjhkjkioiuoiu 67

68 Iskukoe Vetoiskukokeessa sauva on kiinnitetty iskun suuntaisesti, ja toiseen päähän on kiinnitetty palikka, jonka välityksellä iskuenergia siirtyy koekappaleeseen. Vetoiskukoetta suositellaan käytettäväksi vain ohuille koekappaleille. Kuvassa on esitetty edellä mainitut heilahdusvasaraiskukokeiden kiinnitystavat ja iskun suunta kappaleeseen nähden jokjkjhkjkioiuoiu 68

69 Kuva Heilahdusiskukoemenetelmät (a) Charpy-, (b) Izod- ja (c) vetoiskukoe. jokjkjhkjkioiuoiu 69

70 Iskukoe Iskukokeessa koekappale absorboi murtuessaan kyseiselle materiaalille ominaisen määrän energiaa, jolloin iskuvasara heilahtaa sitä ylemmäs, mitä helpommin koekappale murtuu. Iskuenergiaksi saadaan asteikolta heilahduskorkeutta vastaava energia. Iskulujuus lasketaan absorboidun energian ja kappaleen poikkipinta-alan suhteena [J/m2]. Käytetyn iskuvasaran paino riippuu tutkitusta näytemateriaalista. Charpy-iskukokeessa voidaan käyttää esimerkiksi 0,5 J:n vasaraa hauraille muoveille ja sitkeille muoveille 2 J:n vasaraa. Eri painoisilla vasaroilla tehdyt iskukokeet eivät ole keskenään verrannollisia. jokjkjhkjkioiuoiu 70

71 Iskukoe Iskukokeessa käytetään lovettuja tai loveamattomia koekappaleita. Polymeerimateriaalien loviherkkyys vaihtelee materiaaleittain. Mittaustuloksia vertailtaessa tulee huomioida onko testi tehty loveamattomalle vai lovetulle näytteelle, lovi-iskulujuuden vertaaminen toisen materiaalin loveamattoman näytteen iskulujuuteen ei ole järkevää. jokjkjhkjkioiuoiu 71

72 Iskukoe Eri testimenetelmien lovien koot ja muodot on määritelty standardeissa. Iskusitkeys määritetään loveamattoman ja lovetun näytteen iskulujuuksien suhteena. Isku- ja loviiskulujuuden kaavat on esitetty kaavoilla ja , missä a [kj/m2] on iskulujuus, ak [kj/m2] lovi-iskulujuus, A [J] ja Ak [J] koekappaleen absorboimat energiat, x [mm] koekappaleen leveys, xk [mm] lovetun koekappaleen leveys loven kohdalla ja y [mm] koekappaleen paksuus samaisessa kohdassa. jokjkjhkjkioiuoiu 72

73 Kaavat ja a = A xy ( ) a k = A x k k y ( ) jokjkjhkjkioiuoiu 73

74 Iskukoe Kun halutaan tutkia materiaalin käyttäytymistä ja soveltuvuutta kylmissä tai kuumissa olosuhteissa, voidaan iskukoe suorittaa eri lämpötiloissa. Huoneenlämpötilassa suoritetuista iskukokeista on lähes mahdotonta arvioida polymeerimateriaalin iskukäyttäytymistä muissa lämpötiloissa. jokjkjhkjkioiuoiu 74

75 Iskukoe On yleistä testata ulkokäyttöön tarkoitettuja polymeerimateriaaleja -30 C lämpötilassa. Polymeerimateriaalit absorboivat ulkoista kuormaa molekyyliketjujen välisellä liikkeellä. Tästä johtuen useimpien polymeerimateriaalien mekaaniset ominaisuudet ovat voimakkaasti lämpötilariippuvaisia. Lämpötilan laskiessa vaikeutuu molekyyliketjujen liukuminen toistensa lomitse ja polymeerimateriaali muuttuu hauraammaksi. jokjkjhkjkioiuoiu 75

76 Iskukoe Edellä mainittujen heilahdusvasaraiskukokeiden lisäksi on useita erilaisia iskukokeita, joista tärkeimpiä on instrumentoitu pudotusiskukoe. Instrumentoidussa pudotusiskukokeessa iskukärki, johon on yhdistetty mittalaitteisto, pudotetaan koekappaleen päälle. Kokeessa mitataan voimaa ajan funktiona ja tulokseksi saadaan aika-voimakäyrä, josta voidaan laskea murtumiseen kulunut energia. jokjkjhkjkioiuoiu 76

77 Iskukoe Riippuen testattavan polymeerimateriaalin iskusitkeydestä iskukärjen muoto vaihtelee pallomaisesta terävään. Kokeessa muut muuttajat ovat iskukärjen pudotuskorkeus ja paino, koekappaleen paksuus sekä tukikappaleen halkaisija. Kuvassa on esitetty testilaitteisto ja suoritusperiaate jokjkjhkjkioiuoiu 77

78 Kuva (a) Pudotusiskulaite [4] ja (b) puhkaisukokeen suoritusperiaate (SFS-EN ISO ), missä (1) näyte, (2) puoliympyrän muotoinen iskukärki, (3) voimaselli, (4) varsi, (5) näytteenpidin, (6) Kiinnitysrengas ja (8) tarvittaessa akustinen eriste. jokjkjhkjkioiuoiu 78

79 Polymeerimateriaalien perusteet 11. Mekaaniset ominaisuudet:mekaaninen testaus:puristuskoe

80 Puristuskoe Puristuskokeessa koekappaleeseen kohdistetaan kasvava puristusjännitys ja seurataan pituuden (korkeuden) muutosta kuormituksen funktiona. Kappaleen pituus/halkaisija -suhteen pitää olla pieni, jotta kuormitus jakautuisi tasaisesti koko kappaleeseen. Tulokset lasketaan samalla periaatteella kuin vetokokeessa. jokjkjhkjkioiuoiu 80

81 Puristukoe Puristuskokeen perusteella laskettu kimmomoduuli on jonkin verran korkeampi kuin vetokimmomoduuli, koska koekappaleen sisäisten rakennevirheiden vaikutus lujuuteen puristuksessa ei ole yhtä suuri kuin vedossa. Tämä saattaa muoveilla ilmetä jopa siten, että vedossa hauraasti käyttäytyvä koekappale murtuu puristuksessa sitkeästi. Puristuskoe on polymeerimateriaalien tapauksessa harvemmin käytetty testausmenetelmä, koska polymeerimateriaalien käyttö puristuskuormituksen suhteen kriittisissä kohteissa on harvinaista. Kokeen avulla voidaan esimerkiksi tutkia materiaalin palautuvuutta erisuuruisten kuormitusten jälkeen eri lämpötiloissa. jokjkjhkjkioiuoiu 81

82 Puristuskoe Puristuskokeen koekappaleet ovat pyöreitä (d = 28,68 mm) tai neliöitä (a = 150 ± 5 mm). Paksuuden tulee olla vähintään pyöreillä kappaleilla 6,35 mm ja neliöillä 12,5 mm. Testaus voidaan suorittaa kahdella eri tavalla: Koekappaletta puristetaan 25 % sen alkuperäistä paksuutta ohuemmaksi ja puristusta vastustava voima kirjataan ylös. Puristuksia toistetaan samalla koekappaleella, kunnes tulokset eroavat toisistaan alle 5 %. Koekappale puristetaan puoleen alkuperäisestä paksuudestaan ja kuorma poistetaan. Kappaleen paksuus mitataan sen oltua huoneenlämpötilassa 30 minuuttia tai 24 tuntia (riippuen testattavasta materiaalityypistä). Tuloksena ilmoitetaan koekappaleeseen jäänyt prosentuaalinen puristuma määritellyn palautumisajan jälkeen. Testauksessa voidaan ulkoisten tekijöiden vaikutus ottaa huomioon käyttämällä erilaisia testauslämpötiloja tai altistamalla koekappaleet jollekin ulkoiselle tekijälle, esimerkiksi UV--säteilylle, ennen testin suorittamista. jokjkjhkjkioiuoiu 82

83 Polymeerimateriaalien perusteet 11. Mekaaniset ominaisuudet:mekaaninen testaus:kovuuskokeet

84 Kovuuskokeet Kovuustestissä mitataan materiaalin pinnan kykyä vastustaa muodonmuutosta staattisen kuormituksen alaisena. Kovuusmittausmenetelmä on useita erilaisia, mutta ne noudattavat samaa periaatetta. Kovuusmittaus suoritetaan painamalla standardin mukaisella kärkikappaleella määrätyn ajan materiaalin pintaa, tuloksena saadaan aiheutuneen painauman koko. Viskoelastisella materiaalilla on otettava huomioon taipumus virumiseen materiaalia kuormitettaessa sekä ajasta riippuvaan muodonmuutoksen palautumiseen kuorman poistamisen jälkeen. jokjkjhkjkioiuoiu 84

85 Kovuuskokeet Kaikki standardoidut kovuusmittausmenetelmät perustuvat tietyn muotoisen kärkikappaleen aiheuttaman painuman mittaamiseen kappaleen pinnalla, mitä pienempi painauma, sitä suurempi kovuuden arvo. Eri menetelmien mukaan mitattujen kovuusarvojen vertaileminen keskenään on kuitenkin vaikeaa, koska eri menetelmissä käytetään erilaisia kuormia ja erimuotoisia painimia. Yleisimmin polymeerimateriaaleille käytetyt kovuuskokeet ovat Shore- ja Rockwell-kovuus. jokjkjhkjkioiuoiu 85

86 Kovuuskokeet Shore-kovuusmenetelmä on standardien ASTM D2240, DIN ja ISO 7619 mukainen menetelmä. Kovuus mitataan durometrillä, joka määrittää terän painauman näytteeseen. Testissä käytetään kahdenlaisia painimia, A- ja D-kärkiä. Pehmeille muoveille ja elasteille käytetään tylppää A- kärkeä. Kovempien ja sitkeämpien kerta- ja kestomuovien kovuutta mitataan terävällä D-kärjellä. jokjkjhkjkioiuoiu 86

87 Kovuuskokeet Paininta puristetaan vakiokuormalla tasaista muovinäytettä vasten. Shore-kovuus voidaan määrittää joko painumana tietyllä hetkellä tai terän painumana ajan funtiona. Shore-yksiköt määritetään käytetyn painimen mukaan: A-yksiköt kattavat alueen 20A-95A ja D-yksiköt 40D-90D; 40D vastaa noin 90A:ta. jokjkjhkjkioiuoiu 87

88 Polymeerimateriaalien perusteet 11. Mekaaniset ominaisuudet:mekaaninen testaus:kitka- ja kulutuskokeet

89 Kitka- ja kulutuskokeet Materiaalien kitkaominaisuuksien tutkimusta kutsutaan tribologiaksi ja ominaisuuksia kitka- tai tribologisiksi ominaisuuksiksi. Materiaalin tribologiset ominaisuudet ovat tärkeitä sellaisissa sovelluksissa, joissa kappale on jatkuvan kulutuksen alaisena, kuten laakereissa, hammaspyörissä, nivelissä ja vaihteissa. Tunnetuin tribologinen ominaisuus on kahden pinnan välinen kitkakerroin (μ), joka määritetään liukuvoiman (Fs) suhteena normaalivoimaan (Fn) tai leikkausjännityksen (S) suhteena normaalipaineeseen (Pn). jokjkjhkjkioiuoiu 89

90 Kitka- ja kulutuskokeet Polymeeripintojen välinen kitkakerroin riippuu usein voimakkaasti sekä testiolosuhteista että materiaaliparista. Kitkakerroin ei siis ole puhtaasti pelkkä materiaaliominaisuus, vaan se määritetään kullekin materiaaliparille erikseen. Jos halutaan vertailla eri materiaalien kitkakertoimia, tulisi vastapinnaksi valita kaikille testeille sama materiaali tai käyttää jokaisessa testissä testattavaa materiaalia itseään vastapintana. jokjkjhkjkioiuoiu 90

91 Kitka- ja kulutuskokeet Lepokitkakerroin eroaa liikekitkakertoimesta ja on yleensä suurempi. Kitkakerroin riippuu voimakkaasti liikenopeudesta, jona käytetään tyypillisesti 25 cm/s. Pintojen välinen normaalipaine vaikuttaa myös voimakkaasti kitkakertoimeen. Yleisesti käytetty paine on 0,2 MPa. Kolmas kitkaan vaikuttava tekijä on pinnankarheus. jokjkjhkjkioiuoiu 91

92 Kitka- ja kulutuskokeet Kitkakertoimia (sekä lepo- että liikekitka) voidaan mitata esimerkiksi kaltevalla tasolla, jossa näytteen päälle on asetettu paino. Gravitaatio aiheuttaa molemmat, sekä liike- että normaalivoimat. Toinen tapa mitata kitkakerrointa on käyttää vaakatasossa liukuvaa kelkkaa, jota vedetään kelalla, jonka nopeutta voidaan säädellä. jokjkjhkjkioiuoiu 92

93 Kitka- ja kulutuskokeet Kitkakertoimen lisäksi voidaan mitata polymeeripinnan kulumista kitkallisessa hankauksessa. Kuluminen jaetaan kahteen eri luokkaan: adhesiiviseen ja abrasiiviseen kulumiseen. Adhesiivisessa kulumisessa pintojen välille syntyy paikallisia sidoksia, jotka rikkovat pintaa kappaleiden liikkuessa. Esimerkiksi metalli-muoviyhdistelmällä muovista irtoaa pieniä palasia metallin pintaan, ja ne muodostavat ns. rajapintakerroksen. Tämä on yleistä pehmeillä muoveilla. jokjkjhkjkioiuoiu 93

94 Kitka- ja kulutuskokeet Abrasiivisella kulumisella tarkoitetaan tilannetta, jossa kovemman pinnan karheusulokkeet tunkeutuvat pehmeämpään materiaaliin ja irrottavat repimällä ja leikkaamalla pieniä osia pehmeämmästä materiaalista. Molemmat kulumiset ovat verrannollisia pintojen liikenopeuteen ja kontaktipaineeseen (normaalipaine. jokjkjhkjkioiuoiu 94

95 Kitka- ja kulutuskokeet Kitkallisen kulumisen mittauksessa pinnan lämpötila nousee voimakkaasti nopeutta lisäämällä pienilläkin paineilla, paikalliset korkeat lämpötilat voivat aiheuttaa esimerkiksi materiaalin hapettumista ja siten nopeuttaa sen kulumista. Jos systeemin paine-nopeus -maksimia ei saavuteta testitilanteessa, voidaan kuluminen määrittää koekappaleen paksuuden pienenemisenä aikayksikössä ja se on suurin piirtein verrannollinen nopeuden ja paineen tuloon. jokjkjhkjkioiuoiu 95

96 Kitka- ja kulutuskokeet Kulumista aikayksikössä kutsutaan kulumiskertoimeksi K ja kulumisen yksikkö on m/h. Jos halutaan vertailla eri muovien kulumista keskenään, käytetään usein samaa teräksistä vastapintaa kaikissa testeissä. Pinnan kulumista mitataan erilaisilla laitteilla, joissa yleensä toista pintaa pidetään paikallaan ja painetaan liikkuvaa (pyörivä, edestakaisin liikkuva) pintaa vasten. jokjkjhkjkioiuoiu 96

97 Polymeerimateriaalien perusteet 11. Mekaaniset ominaisuudet:mekaaninen testaus:viruminen ja jännitysrelaksaatio

98 Viruminen ja jännitysrelaksaatio Polymeerimateriaalien ominaisuuksiin kuuluu pyrkimys poistaa jännitystä kuormitettuina, tätä kutsutaan relaksoitumiseksi. Polymeerituotteeseen syntyy pysyviä muodonmuutoksia jo myötölujuutta pienimillä jännityksillä, tämä johtuu polymeerimateriaaalien viskoelastisesta luonteesta. Virumisominaisuudet ovat keskeisimpiä ominaisuuksia tuotteille ja rakenteille, joiden tulee kestää pitkäaikaista kuormitusta. jokjkjhkjkioiuoiu 98

99 Viruminen ja jännitysrelaksaatio Hyvä käytännön esimerkki virumisesta on painavan huonekalun jättämät painaumat muovilattiaan. Jännitysrelaksaatio ja viruminen ovat saman ilmiön kaksi eri muotoa. Kummassakin ilmiössä polymeeri pyrkii molekyyliketjujen orientoitumisella poistamaan aiheutetun kuorman. jokjkjhkjkioiuoiu 99

100 Viruminen ja jännitysrelaksaatio Virumisen ja jännitysrelaksaation testaukseen soveltuu esimerkiksi vetokokeissakin käytetty yleiskoestuskone. Virumista tutkittaessa pidetään kuormitus vakiona, kuormitus voi olla esimerkiksi vapaana riippuva paino. Jännitysrelaksaatiossa venymä pysyy vakiona, eli vetokoneen vetoleuka pysyy paikallaan. Vetokuormituksessa suositellaan käytettäväksi ekstensometriä, j olloin venymä saadaan määritettyä mahdollisimman tarkkaan. Kuormitusmuotona voidaan käyttää vetoa, taivutusta tai puristusta. jokjkjhkjkioiuoiu 100

101 Viruminen ja jännitysrelaksaatio Koska hauraat kertamuovit ja komposiitit eivät juurikaan myödä ennen murtumista, keskitytään virumisen ja jännitysrelaksaation tutkimisessa yleensä elastisiin ja sitkeisiin muoveihin. Siitä kuinka tarkkaan ja miten pitkältä ajalta testituloksia halutaan, määräytyy testilaitteiston monimutkaisuus ja hinta. Yleisesti virumistestilaitteisto on yksinkertaisempi ja halvempi kuin jännitysrelaksaation mittauslaitteisto. Karkean virumisen mittaamiseen riittää punnus, kello ja mittaasteikko, jännitysrelaksaation mittaamiseen tarvitaan vähintään vetokoelaitteisto ja mielellään ekstensometri yhdistettynä mittaustietokoneeseen tai herkkään piirturiin. jokjkjhkjkioiuoiu 101

102 Viruminen ja jännitysrelaksaatio Jännitysrelaksaatiota mitattaessa mitataan pienevää jännitystä vakiovenymällä ajan funktiona. Virumistestissä mitataan venymää vakiokuormalla ajan funktiona. Virumistestistä voidaan määrittää ajan funktiona venymä ja virumismoduuli kaavojen ( ) ja ( ) avulla, missä εt on virumisen aiheuttama venymä hetkellä t, Δlt [mm] siirtymä hetkellä t ja l0 [mm] jännittämättömän kappaleen alkuperäinen pituus, σ [MPa] käytetty alkujännitys ja Ec,t virumismoduuli hetkellä t. jokjkjhkjkioiuoiu 102

103 Kaavat ja Δl ε = t ( ) t l 0 E c t σ, = ( ) ε t jokjkjhkjkioiuoiu 103

104 Viruminen ja jännitysrelaksaatio Yleensä virumiskäyrät piirretään logaritmiselle aika-asteikolle. Teknisten kestomuovien virumiskokeessa käytetyt jännitykset yleensä vaihtelevat välillä 3,5 15 MPa. Testit voivat kestää jopa tuntia. Monilla muoveilla ilmenee virumis- ja jännitysrelaksaatiokokeen alussa voimakasta venymistä. Tämän jälkeen muodonmuutosnopeus pienenee voimakkaasti. Nopean muodonmuutoksen aluetta kutsutaan materiaalin elastiseksi vasteeksi. jokjkjhkjkioiuoiu 104

105 Polymeerimateriaalien perusteet 12. Optiset ominaisuudet

106 Optiset ominaisuudet Valo määritellään yleensä osaksi sähkömagneettisen säteilyn spektriä, jonka ihmissilmä pystyy havaitsemaan. Näkyvän valon aallonpituus on välillä nm, joka jakaantuu aallonpituuden mukaan eri väreihin. Näistä ihmissilmä näkee parhaiten valoa, joka esiintyy aallonpituusalueella 555nm. Kuvassa on esitetty sähkömagneettisen säteilyn spektri, sekä valon jakautuminen eri väreihin sen aallonpituuden mukaan. jokjkjhkjkioiuoiu 106

107 Kuva Sähkömagneettisen säteilyn spektri ja valon jakautuminen eri väreihin aallonpituuden mukaan. jokjkjhkjkioiuoiu 107

108 Optiset ominaisuudet Valoa mallinnetaan niin aalto- kuin hiukkasluonteen avulla. Käytännössä valon mallinnustapa valitaan kulloisenkin tilanteen mukaan. Valon ja materiaalien välisistä, tärkeimmistä vuorovaikutuksista taittumista ja heijastumista mallinnetaan aaltoluonteen avulla, kun taas absorptiota hiukkasluonteen avulla. Taittuminen, absorptio ja heijastuminen vaikuttavat kukin osaltaan polymeerimateriaaleissa esiintyviin ilmiöihin kuten sateenkaarikuvion syntymiseen sekä optisiin ominaisuuksiin, kuten läpinäkyvyyteen, väriin, kirkkauteen ja sameuteen. Valon ja polymeerimateriaalien välisiä vuorovaikutuksia, sekä niiden aiheuttamia ilmiöitä ja polymeerimaalien optisia ominaisuuksia on käsitelty tarkemmin kappaleissa jokjkjhkjkioiuoiu 108

109 Polymeerimateriaalien perusteet 12. Optiset ominaisuudet:heijastuminen

110 Heijastuminen Heijastumista voi tapahtua, kun valo osuu väliaineiden S1 (esimerkiksi ilma) ja S2 (esimerkiksi polymeerimateriaali) väliseen rajapintaan. Rajapinnan ollessa tasainen, muodostavat tulevan ja lähtevän valonsäteen pinnan kanssa yhtä suuret kulmat, kuten kuvassa a. on esitetty. Tällöin puhutaan peilimäisestä heijastumisesta. Epätasaisesta rajapinnasta valo puolestaan voi heijastua kuvan b. tavalla useampaan suuntaan. Tätä heijastumista kutsutaan diffuusiseksi heijastumiseksi. jokjkjhkjkioiuoiu 110

111 Kuva Valon a) peilimäinen ja b) diffuusinen heijastuminen. jokjkjhkjkioiuoiu 111

112 Polymeerimateriaalien perusteet 12. Optiset ominaisuudet:pintakiilto

113 Pintakiilto Kappaleen pinnalta peilimäisesti heijastuneet valonsäteet määrittävät kappaleen kiillon. Kuvassa on esitetty skemaattinen kuva polymeerilevyn kiillon mittauksesta. Mittaustulokseen vaikuttaa polymeerikappaleen pinnan lisäksi myös kulma, jolla valo kohdistetaan polymeerilevyn pintaan. jokjkjhkjkioiuoiu 113

114 Kuva Skemaattinen kuva polymeerilevyn pintakiillon mittauksesta. jokjkjhkjkioiuoiu 114

115 Polymeerimateriaalien perusteet 12. Optiset ominaisuudet:taittuminen

116 Taittuminen Valonsäteen kulkiessa väliaineesta S1 väliaineeseen S2, voi sen kulkusuunta muuttua väliaineessa S2. Tätä kutsutaan taittumiseksi. Taittuminen johtuu valon etenemisnopeuden muuttumisesta kun se saapuu väliaineeseen S2. Taittumista kuvataan Snellin lain avulla, joka on esitetty kaavassa jokjkjhkjkioiuoiu 116

117 Kaava n = β ( ) sinα n sin jokjkjhkjkioiuoiu 117

118 Taittuminen Siinä α1 on tulokulma aineesta S1 aineeseen S2, β2 on valon taitekulma, n1 on väliaineen S1 taitekerroin ja n2 on väliaineen S2 taitekerroin. Väliaineen taitekertoimella puolestaan tarkoitetaan vakuumissa etenevän ja väliaineessa etenevän valon nopeuksien suhdetta. Kuvassa on esitetty taittuminen sekä kaavassa esitetyt lyhenteet. jokjkjhkjkioiuoiu 118

119 Kuva Valon taittuminen, kun se etenee väliaineesta S1 väliaineeseen S2. jokjkjhkjkioiuoiu 119

120 Polymeerimateriaalien perusteet 12. Optiset ominaisuudet:abben luku

121 Abben luku Valon taittuminen ja täten väliaineen taitekerroin on riippuvainen valon aallonpituudesta ja lämpötilasta. Väliaineen taitekertoimen riippuvuutta valon aallonpituudesta kuvataan Abben luvulla V. Se määritellään kaavasta jokjkjhkjkioiuoiu 121

122 Kaava V = n n f d 1 n c ( ) jokjkjhkjkioiuoiu 122

123 Abben luku Siinä nd, nf ja nc ovat taittavan väliaineen taitekertoimet, kun niiden vastaavat aallonpituudet ovat 589.2nm, 486.1nm ja 656.3nm. Jos väliaineella, jossa taittuminen tapahtuu, on pieni Abben luku, sen taitekerroin vaihtelee suhteellisen paljon aallonpituuden muuttuessa. Tällöin väliaineella on taipumusta sateenkaarikuvion muodostumiseen. Kuvassa on esitetty sateenkaarikuvio väliaineella, jolla on pieni Abben luku. Taulukossa on puolestaan esitetty eräiden polymeerimateiraalien Abben luvut. jokjkjhkjkioiuoiu 123

124 Kuva Sateenkaarikuvio pienen Abben luvun omaavalla väliaineella. jokjkjhkjkioiuoiu 124

125 Taulukko Eräiden polymeerien taitekertoimet ja Abben luvut. PMMA PC PS COP SAN Taitekerroin 1,49 1,59 1,59 1,53 1,57 Abben luku jokjkjhkjkioiuoiu 125

126 Polymeerimateriaalien perusteet 12. Optiset ominaisuudet:kahtaistaitteisuus

127 Kahtaistatteisuus Valonsäde voi väliaineeseen tullessaan myös jakaantua kahdeksi lineaarisesti polarisoituneeksi säteeksi, kuten kuvassa on esitetty. Tällöin säde, jota kutsutaan yleissääntöiseksi säteeksi, kulkee kohtisuoraan väliaineen optista akselia vastaan noudattaen taittumis- ja heijastumislakeja. Toinen säde, jota kutsutaan erikoissääntöiseksi säteeksi, kulkee väliaineessa vinosti optiseen akseliin nähden kuten kuvasta voi havaita.. jokjkjhkjkioiuoiu 127

128 Kuva Valonsäteen jakaantuminen yleis- ja erikoissääntöiseksi säteeksi. jokjkjhkjkioiuoiu 128

129 Kahtaistaitteisuus Edellä esitettyä ilmiötä kutsutaan kahtaistaitteisuudeksi. Erityisen selvästi kahtaistaitteisuus näkyy lasinkirkkaissa mineraaleissa, kuten kalsiitissa. Kuvassa on esitetty kalsiittikiteen kaihtaistaittavuus. jokjkjhkjkioiuoiu 129

130 Kuva Kalsiittikiteen kahtaistaitteisuus. jokjkjhkjkioiuoiu 130

131 Kahtaistaitteisuus Polymeerimateriaaleissa kahtaistatteisuus johtuu erilaisesta taitekertoimesta pääketjun ja pääketjua vastaan kohtisuorassa olevassa suunnassa, eli polymeerimateriaali on optisesti anisotrooppista. Kahtaistaitteisuus määritelläänkin taitekerroinerona, kuten kaavassa on esitetty. Siinä Δn on kahtaistaitteisuus, n1 on polymeerimateriaalin taitekerroin ketjun suunnassa ja n2 on taitekerroin ketjua vastaan olevassa kohtisuorassa suunnassa. jokjkjhkjkioiuoiu 131

132 Kaava , Δ n = n n ( ) 1 2 jokjkjhkjkioiuoiu 132

133 Kahtaistaitteisuus Mikäli polymeeriketjut ovat kietoutuneet toisiinsa satunnaisesti, ei kahtaistaittavuutta havaita. Polymeerimateriaalin orientoituessa yksiaksiaalisesti tai tasossa, voi kahtaistaitteisuutta esiintyä. Kuvassa a on esitetty polystyreenin (PS) rakennekaava ja sen taitekertoimet ketjun suunnassa ja ketjua vastaan kohtisuorassa suunnassa. Kuvassa b. polystyreenin (PS) polymeeriketjut ovat kietoutuneita toisiinsa ja kahtaistaitteisuutta ei voi havaita. Kuvassa c. taas polystyreeniketjut ovat orientoituneet yksiaksiaalisesti ja kahtaistaitteisuus voi olla havaittavissa. jokjkjhkjkioiuoiu 133

134 Kuva a) Polystyreenin rakennekaava, b) polystyreeniketjut kietoutuneena toisiinsa, jolloin ei tapahdu kahtaistaittavuutta ja c) polystyreeniketjut orientoituneet yksiaksiaalisesti, jolloin kahtaistaittavuutta voidaan havaita. jokjkjhkjkioiuoiu 134

135 Kahtaistaitteisuus Polymeerimateriaalien kahtaistaitteisuus on yleensä niin vähäistä, ettei sitä havaita silmämääräisellä tarkastelulla. Kahteistaitteisuus voi kuitenkin olla ongelmallista optisilla polymeerimateriaaleilla. Tällöin kahtaistaitteisuutta voidaan yrittää poistaa muun muassa muuttamalla prosessointia niin, ettei polymeerimateriaalista valmistettu kappale orientoidu valmistuksen aikana. Esimerkiksi LCD-näytöissä käytetyt optiset polymeerikalvot valmistetaan valamalla eikä kalvoekstruusiolla. jokjkjhkjkioiuoiu 135

136 Kahtaistaitteisuus Polymeerimateriaaleissa esiintyvään kahtaistaittavuuteen voidaan vaikuttaa myös valmistamalla polymeerimateriaaleja, joissa ei voi esiintyä kahtaistaitteisuutta ketjun ollessa orientoituneena. Menetelmiä, joilla tällaisia polymeerejä voidaan valmistaa, on muun muassa sekoitusmenetelmä ja kahtaistaittavan kiteen doppausmenetelmä. Sekoitusmentelmässä homopolymeerejä, joilla on negatiivinen ja positiivinen kahtaistaitteisuus, sekoitetaan keskenään. jokjkjhkjkioiuoiu 136

137 Kahtaistaitteisuus Käytännössä seostusmenetelmällä on kuitenkin vaikea saavuttaa hyvää läpinäkyvyyttä ja homogeenisyyttä, kun prosessointimenetelmänä on ruiskuvalu tai ekstruusio. Tällöin homopolymeerien täydellinen sekoittuminen toisiinsa on vaikeaa ja toisaalta homopolymeerien faasierottuminen johtaa sironnan esiintymiseen. jokjkjhkjkioiuoiu 137

138 Kahtaistaitteisuus 2000-luvun alussa on erityisesti tutkittu kahtaistaittavan kiteen douppausmenetelmää. Siinä optisen polymeerimateriaalin kahtaistaittavuutta kompensoidaan douppaamalla sen joukkoon nanokoossa olevia epäorgaanisia kiteitä, jotka ovat kahtaistaittavia. Kuvassa on havainnollistettu kahtaistaittavuutta, kun optisessa polymeerimateriaalissa on käytetty kahtaistaittavan kiteen douppausmenetelmää. Kuvassa a. amorfisen polymeerin ketjut ovat vyyhtimäisessä tilassa ja kahtaistaittavat kiteet ovat satunnaisesti järjestäytyneet. Kuvassa b. polymeeriketjut ja samalla myös kahtaistaittavat kiteet ovat orientoituneet vedon suuntaisesti. Kahtaistaittavuutta ei kuitenkaan esiinny, sillä kahtaistaittavat kiteet kompensoivat ketjujen orientaatiosta johtuvan kahtaistaittavuuden. jokjkjhkjkioiuoiu 138

139 Kuva Kahtaistaittavan kiteen douppausmenetelmä optisen polymeerin kahtaistaittavuuden kompensoimiseksi. a) Polymeeriketju on orientoimaton, jolloin kahtaistaittavuutta ei esiinny ja b) vetosuuntaan orientoitunut ketju, jolloin kahtaistaittavuutta ei esiinny kiteiden kompensoidessa kahtaistaitteisuuden. jokjkjhkjkioiuoiu 139

140 Polymeerimateriaalien perusteet 12. Optiset ominaisuudet: Valon absorptio

141 Valon absorbtio Valo voi myös absorboitua, kun se siirtyy väliaineesta S1 väliaineeseen S2. Väliaineeseen S2 absorboitunut energia voi muuttua lämmöksi tai se voi emittoitua uudelleen sähkömagneettiseksi säteilyksi, jolla on suurempi aallonpituus. Useat materiaalit absorboivat UV-säteilyä, joka emittoituu näkyvänä valona ja jolla on tietty karakteristinen väri. jokjkjhkjkioiuoiu 141

142 Polymeerimateriaalien perusteet 12. Optiset ominaisuudet: Läpinäkyvyys

143 Läpinäkyvyys Polymeerimateriaalit voivat olla läpinäkyviä, läpikuultavia tai läpinäkymättömiä riippuen sen vuorovaikutuksesta näkyvän valon kanssa. Kuvassa on määritetty valon mahdolliset vuorovaikutukset polymeerimateriaalin kanssa. Läpinäkyvyys T voidaan määrittää kaavasta , jonka lyhenteet I0, It, Irs, Iref, Ivs ja Iabs on määritetty kuvassa jokjkjhkjkioiuoiu 143

144 Kuva Läpinäkyvän valon mahdolliset vuorovaikutukset polymeerimateriaalin kanssa. jokjkjhkjkioiuoiu 144

145 Kaava T = It It = ( I 0 Iref Iabs) ( I t + I rs + I vs ) ( ) jokjkjhkjkioiuoiu 145

146 Läpinäkyvyys Läpinäkyvyyteen T vaikuttavat muun muassa polymeerimateriaalin kiteisyys, huokoisuus, lisäaineet. Amorfiset polymeerimateriaalit ovat yleensä läpinäkyviä, mutta kiteisyyden kasvaessa läpinäkyvyys heikkenee, Myös huokoisten lisääntyminen ja eräiden lisäaineiden, kuten talkin, lisääminen vähentävät läpinäkyvyyttä. jokjkjhkjkioiuoiu 146

147 Polymeerimateriaalien perusteet 12. Optiset ominaisuudet: Läpäisy

148 Läpäisy Kappaleen läpäisy ז on helpommin mitattavissa kuin kappaleen läpinäkyvyys. Läpäisy määritellään kaavan , missä sen merkinnät on esitetty edellä esitetyssä kuvassa Läpäisyä mitataan spektrofotometrilla aallonpituuden funktiona ja yksikkönä on %. jokjkjhkjkioiuoiu 148

149 Kaava I I τ = vs ( ) t + I 0 jokjkjhkjkioiuoiu 149

150 Polymeerimateriaalien perusteet 12. Optiset ominaisuudet: Sameus

151 Sameus Sameudella H tarkoitetaan sitä kappaleesta läpimennyttä valoa, joka poikkeaa yli 2.5 suoraan läpimenevästä valosta It. Sameus voidaan laskea kaavasta , jossa It on suoraan läpimennyt valo ja Ivs on läpimennyt valo, joka poikkeaa yli 2.5 suoraan läpimenevästä valosta It. Taulukossa on esitetty sameuden arvoja eräille polymeerille. jokjkjhkjkioiuoiu 151

152 Kaava H = 100 * I vs ( ) I vs + I t jokjkjhkjkioiuoiu 152

153 Taulukko Sameuden arvoja eräille polymeerimateriaaleille. PMMA PC PS COP SAN Sameus jokjkjhkjkioiuoiu 153

154 Polymeerimateriaalien perusteet 12. Optiset ominaisuudet: Väri ja keltaisuusindeksi

155 Väri ja keltaisuusindeksi Niin läpinäkyvien, läpikuultavien ja läpinäkymättömien väliaineiden värin muodostuminen liittyy absorptioon ja taittumiseen. Läpinäkyvät kappaleet ovat värittömiä, jos ne absorboivat kaikkia näkyvän valon aallonpituuksia samalla tavalla. Mikäli läpinäkyvä kappale kuitenkin absorboi tiettyä tai tiettyjä näkyvän valon aallonpituutta/pituuksia, havaitaan läpinäkyvä kappale värillisenä.. jokjkjhkjkioiuoiu 155

156 Väri ja keltaisuusindeksi Läpinäkymättömien väliaineiden väri puolestaan riippuu siitä, mitä aallonpituuksia kappale absorboi ja mitä se heijastaa kappaleen pinnalta. Värin muodostumiseen vaikuttavat myös muun muassa valo, jolla kappaletta valaistaan, kappaleessa olevat lisäaineet, kuten esimerkiksi väriaineet ja toisaalta myös ympäristöolosuhteet, kuten UV-valo voi vaikuttaa kappaleen väriin. Keltaisuusindeksi kuvaa kappaleen värin muutosta valkoisesta keltaiseen, kun kappale on altistettu ympäristöolosuhteille, jotka vaikuttavat kappaleen väriin jokjkjhkjkioiuoiu 156

157 Polymeerimateriaalien perusteet 13. Termiset ominaisuudet

158 Termiset ominaisuudet Kun polymeerimateriaalista valmistettu kappale absorboi energiaa sitä lämmitettäessä, sen lämpötila nousee ja kappaleen mitat muuttuvat. Jos kappaleessa esiintyy lämpötilagradientteja, voi energiaa siirtyä kappaleen kylmempiin osiin lämmönjohtumisen avulla. Lämpötilan noustessa riittävästi, amorfinen polymeeri alkaa pehmetä lasisiirtymälämpötilassa Tg ja osakiteinen sulaa sen sulamislämpötilassa Tm. Kertamuoveilla ja kumeilla ei puolestaan esiinny sulamislämpötilaa. jokjkjhkjkioiuoiu 158