Polymeren: Structuur en eigenschappen 4A580

Transcriptie

1 Polymeren: Structuur en eigenschappen 4A aart uur Dit tentamen bestaat uit 6 vragen met in totaal 20 deelvragen Tijdens het tentamen mag geen gebruik worden gemaakt van notebook, aantekeningen of leerstof. Benodigde informatie is achteraan bijgevoegd. Neem eerst rustig de tijd om alle vragen en de bijgeleverde informatie door te kijken. Antwoord kort en bondig, maar motiveer altijd Uw antwoord!

2 Opgave 1. (15 pt) en neemt drie verschillende polydisperse grades, A, B en C, waarvan de molmassagemiddelden in onderstaande tabel staan weergegeven. Grade n (g/mol) W (g/mol) (g/mol) Z A B C a. Door het mengen van een hoeveelheid van Grade A met een hoeveelheid van grade C wil men een nieuw mengsel, grade D, maken dat dezelfde smeltviscositeit heeft als grade B. Welke gewichtsverhouding A:C zal tot het gewenste resultaat leiden? b. Hoe verhoudt zich de sterkte van grade D t.o.v. die van grade B? c. Schets, in één figuur, het verloop van de logaritme van de viscositeit tegen de logaritme van de afschuifsnelheid voor grades A en B. Verklaar Uw antwoord! Opgave 2. (15 pt) Beredeneer bij ieder van onderstaande beweringen of deze juist zijn. a. Bij een monodispers materiaal leidt een verlaging van de smeltindex altijd tot een langer rubberplateau. b. Crosslinken leidt tot een sterke toename van de smeltviscositeit. c. Een sterkere intramoleculaire interactie geeft een hogere elasticiteitsmodulus in de glastoestand. Opgave 3. [10 pt] Beschouw grade A en Grade C van opgave 1. Neem aan dat het polymeer niet kan kristalliseren en dus volledig amorf is bij alle temperaturen. a. Schets het verloop van de logaritme van de elasticiteitsmodulus als functie van de temperatuur voor beide grades in één figuur. Verklaar de verschillen!!! b. Benoem de karakteristieke temperaturen en bespreek welke moleculaire processen er aan verbonden zijn. 1

3 Opgave 4. (25 pt) a. Aan welke eisen moet zijn voldaan om een semi-kristallijn polymeer te krijgen? b. Schets en verklaar het verloop van de kiemvormingssnelheid als functie van de temperatuur. c. Schets en verklaar het verloop van de kiemgroeisnelheid als functie van de temperatuur. d. Bij afkoelen vanuit de smelt kan men observeren dat bij verhoging van de afkoelsnelheid de morphologie fijner van struktuur wordt (kleinere spherulieten). Leg uit waarom. Beschouw nu weer grade A en Grade C van opgave 1. Neem nu aan dat het materiaal semi-kristallijn is: b.v. polyetheen met een glasovergangstemperatuur van 100 C en een smelttemperatuur 135 C. Van beide grades worden bij 200 C proefstukken geperst die daarna op precies dezelfde manier langzaam worden afgekoeld tot kamertemperatuur. e. Hoe verhouden de beide grades zich t.a.v. de elasticiteitsmodulus bij kamertemperatuur? Verklaar Uw antwoord. Opgave 5. (20 pt) Van een polycarbonaat grade wordt met behulp van spuitgieten een aantal trekstaven gemaakt. In een trekproef vertonen deze staven een insnoeringszone die stabiel over de volle lengte van de staaf uitgroeit. a. Leg deze observatie uit aan de hand van het intrinsieke deformatiegedrag van het polymeer. Enkele van de staven worden nu 3 dagen op hoge temperatuur gehouden (20 graden onder Tg). Na deze behandeling blijkt het materiaal veel minder taai, het breekt direct na het bereiken van de vloeispanning. b. Bespreek de veranderingen die door de temperatuursbehandeling optreden in het intrinsieke deformatiegedrag van het polymeer. Geef vervolgens aan hoe deze ertoe kunnen leiden dat het materiaal nu veel minder taai is. c. Een andere polycarbonaat grade (met een andere molgewichtsverdeling) blijkt na dezelfde warmtebehandeling nog steeds taai. Weer ziet men insnoering en stabiele uitgroei langs de staaf. Welk verandering t.a.v. de molgewichtsverdeling is hiervoor verantwoordelijk? Waarom? d. De eerste grade blijkt weer taai te kunnen worden gemaakt door een tweede warmte behandeling. Welke? 2

4 Opgave 6. (15 pt) Een autofabrikant wil een nieuw product op de markt brengen: easy-repair plaatwerk. Dit bestaat uit kunststof plaat waaruit deuken eenvoudig met hete lucht te verwijderen zijn. en wil hiervoor gebruikmaken van polycarbonaat, een zeer taai, glasachtig polymeer met een Tg van 150 o C. In het laboratorium werd aan dit materiaal geobserveerd dat een deuk in isotrope, dunne plaat volledig verdwijnt bij verwarming boven Tg. a. Verklaar deze observatie. Bij de eerste proeven aan spuitgietproducten blijkt de methode niet zo succesvol. Bij verwarming verdwijnt een aangebrachte deuk weliswaar, maar gelijktijdig treden er sterke vervormingen van het product op (kromtrekken, lokale sterke krimp). b. Wat is de oorzaak van dit probleem? c. Geef aan hoe men dit probleem zou kunnen oplossen door aanpassing van het productie proces en/of aanpassing van de molgewichtsverdeling van het gebruikte materiaal. 3

5 Formule blad Polymeren: structuur en eigenschappen olmassagemiddelden: = n ; n i i = w ; W i i = z ; n w z Z i i w = i i i wi ; i n i i i = ; n i i w i i i = ; w i i engsels van mengsels: 1 n = ; w k k nk, w = wk w, k ; k Ketenstatistiek: 2 2 r = nl C ; 0 aximale verstrekgraad: Freely jointed chain: λ max = n ; Glasovergang: τ c = A exp ΔU kt b Kristallisatie: ΔH Tm = ; ΔS Δ G = π r Δ Gv + 4π r γ ; 3 sl 2γ r sl k = ; Δ G v g Rubberelasticiteit: 2 σ = G λ 1 λ ; ( x x ) = = ; E = 3 G ; * G N kt ρrt c Intrinsiek gedrag: ΔU σv εbσ, T g= ε0 exp sinh kt kt F HG I K J F H G I K J 1 ( x ) = ( x) ( x) sinh exp exp 2 ; voor σ y >> kt v : ΔU kt 1 kt σ y = ln( ε 2 0 ) + ln( ε) v v v ; Post-yield gedrag (zonder softening): 2 1 σt = σy,0 + Gr λ λ ; Deformatie bij constant volume: A A= L L = λ ; σ = σ λ ; 0 0 Deformatie stabiliteit: d σ t σ t Considère : = ; d λ λ Localisatie sterkte : σ 2 ( λn 1 λn) y = G r n ( λ 1) ; t e ; 4

6

7

8

9

10