Správy

01 Podstata vplyvného výkonu

Mnoho ľudí si po začutí „odolnosť voči nárazu“ okamžite predstaví „húževnatosť“. Čo je však vlastne húževnatosť? Jednoducho povedané, ide o to, či materiál dokáže efektívne rozptyľovať energiu pri náraze.

Ak sa energia dá rozptýliť hladko, materiál je „húževnatý“; ak je energia sústredená v jednom bode, je „krehký“.

Ako teda polyméry rozptyľujú energiu? Hlavne tromi cestami:

• Pohyb segmentu reťazca: Keď na ne pôsobí vonkajšia sila, molekulárne reťazce rozptyľujú energiu vnútornou rotáciou, ohýbaním a kĺzaním. Molekulárne reťazce sa môžu „uhýbať“, ohýbať a kĺzať;

• Deformácia mikroplochy: Podobne ako guma, aj častice gumy spôsobujú praskanie v matrici a absorbujú energiu nárazu. Vnútorná fázová štruktúra sa môže deformovať a potom obnoviť; 

• Mechanizmy vychýlenia trhliny a absorpcie energie: Vnútorná štruktúra materiálu (ako sú fázové rozhrania a výplne) spôsobuje, že dráha šírenia trhliny je kľukatá, čo oneskoruje lom. Zjednodušene povedané, trhlina neprebieha v priamke, ale je narušená, vychýlená a pasívne neutralizovaná vnútornou štruktúrou.

Vidíte, rázová húževnatosť v skutočnosti nie je „pevnosť odolávať rozbitiu“, ale skôr „schopnosť rozptýliť energiu jej presmerovaním“.

To tiež vysvetľuje bežný jav: niektoré materiály majú neuveriteľne vysokú pevnosť v ťahu a pri náraze sa ľahko rozbijú; napríklad technické plasty ako PS, PMMA a PLA.

Iné materiály, hoci majú strednú pevnosť, dokážu odolať nárazu. Dôvodom je, že tie prvé nemajú kam „rozptyľovať energiu“, zatiaľ čo tie druhé „rozptyľujú energiu“. Medzi príklady patria dosky a tyče z PA,PPa ABS materiály.

Z mikroskopického hľadiska, keď vonkajšia sila udrie okamžite, systém zažije extrémne vysokú rýchlosť deformácie, tak krátku, že ani molekuly nedokážu včas „zareagovať“.

V tomto bode kovy rozptyľujú energiu prostredníctvom kĺzania, keramika uvoľňuje energiu praskaním, zatiaľ čo polyméry absorbujú náraz pohybom segmentov reťazca, dynamickým prerušením vodíkových väzieb a koordinovanou deformáciou kryštalických a amorfných oblastí.

Ak majú molekulárne reťazce dostatočnú mobilitu na to, aby si v čase upravili svoju polohu a preskupili sa, čím efektívne rozložia energiu, potom je nárazový výkon dobrý. Naopak, ak je systém príliš tuhý – pohyb segmentov reťazca je obmedzený, kryštalinita je príliš vysoká a teplota skleného prechodu je príliš vysoká – keď pôsobí vonkajšia sila, všetka energia sa sústredí na jeden bod a trhlina sa šíri priamo.

Podstatou nárazovej výkonnosti preto nie je „tvrdosť“ alebo „pevnosť“, ale skôr schopnosť materiálu prerozdeliť a rozptýliť energiu vo veľmi krátkom čase.

 

02 Vrubové verzus bez vrubového testu: Nie jeden test, ale dva mechanizmy zlyhania

„Rázová pevnosť“, o ktorej zvyčajne hovoríme, má v skutočnosti dva typy: 

• Nevrypový náraz: Skúma „celkovú kapacitu rozptylu energie“ materiálu; 

• Vrubový náraz: Skúma „odpor hrotu trhliny“.

Nevrubová rázová skúška meria celkovú schopnosť materiálu absorbovať a rozptyľovať energiu nárazu. Meria, či materiál dokáže absorbovať energiu prostredníctvom preklzu molekulárneho reťazca, kryštalického poddajnosti a deformácie gumovej fázy od okamihu, keď je vystavený sile, až do lomu. Vysoké skóre nevrubovej rázovej skúšky preto často naznačuje flexibilný a kompatibilný systém s dobrou disperziou energie.

Skúška vrubovou rázovou silou meria odolnosť materiálu voči šíreniu trhlín za podmienok koncentrácie napätia. Môžete si to predstaviť ako „toleranciu systému voči šíreniu trhlín“. Ak sú medzimolekulárne interakcie silné a segmenty reťazca sa môžu rýchlo preskupiť, šírenie trhlín sa „spomalí“ alebo „pasivuje“.

Preto materiály s vysokou vrubovou rázovou húževnatosťou často vykazujú silné medzifázové interakcie alebo mechanizmy rozptylu energie, ako sú vodíkové väzby medzi esterovými väzbami v polykarbonáte alebo medzifázové oddeľovanie a ryhovanie v gumových vytvrdzovacích systémoch. 

To je tiež dôvod, prečo niektoré materiály (ako napríklad PP, PA, ABS a PC) dosahujú dobré výsledky v skúškach nárazom bez vrubov, ale vykazujú výrazný pokles odolnosti proti nárazu so vrubmi, čo naznačuje, že ich mikroskopické mechanizmy rozptylu energie nefungujú efektívne v podmienkach koncentrácie napätia.

 

03 Prečo sú niektoré materiály odolné voči nárazu?

Aby sme to pochopili, musíme sa pozrieť na molekulárnu úroveň. Odolnosť polymérneho materiálu voči nárazu je podporovaná tromi základnými faktormi:

1. Segmenty reťaze majú stupne voľnosti:

Napríklad, v telesnej výchove (UHMWPE, HDPE), TPU a niektorých flexibilných PC môžu segmenty reťazca rozptyľovať energiu konformačnými zmenami pri náraze. To v podstate vyplýva z absorpcie energie intramolekulárnymi pohybmi, ako je naťahovanie, ohýbanie a krútenie chemických väzieb.

2. Fázová štruktúra má mechanizmus tlmenia: Systémy ako HIPS, ABS a PA/EPDM obsahujú mäkké fázy alebo rozhrania. Po náraze rozhrania najprv absorbujú energiu, oddelia sa a potom sa rekombinujú.Rovnako ako boxerské rukavice – rukavice nezvyšujú silu, ale predlžujú čas záťaže a znižujú jej maximálne napätie. 

3. Medzimolekulová „lepivosť“: Niektoré systémy obsahujú vodíkové väzby, π–π interakcie a dokonca aj dipólové interakcie. Tieto slabé interakcie sa pri náraze „obetujú“, aby absorbovali energiu, a potom sa pomaly obnovia.

Preto zistíte, že niektoré polyméry s polárnymi skupinami (ako napríklad PA a PC) po náraze generujú značné množstvo tepla – to je spôsobené „trecím teplom“ generovaným elektrónmi a molekulami. 

Jednoducho povedané, spoločnou charakteristikou nárazuvzdorných materiálov je, že dostatočne rýchlo prerozdeľujú energiu a nezrútia sa naraz.

 

ZA HRANICAMIUHMWPE aHDPE doskaSú to technické plastové výrobky s vynikajúcou odolnosťou voči nárazu. Ako primárny materiál v priemysle banských strojov a dopravných strojov nahradili uhlíkovú oceľ a stali sa preferovanou voľbou pre výstelky nákladných vozidiel a uhoľných bunkrov. 

Ich extrémne silná odolnosť proti nárazu ich chráni pred nárazmi tvrdých materiálov, ako je uhlie, a tým chráni prepravné zariadenia. To znižuje cykly výmeny zariadení, čím sa zlepšuje efektivita výroby a zaisťuje bezpečnosť pracovníkov.