Elastomeerit
Elastomeerit ( yksittäinen elastomeeri , jopa Elaste ) ovat mitoiltaan stabiileja, mutta elastisesti deformoituvia muoveja , joiden lasittumiskohta on käyttölämpötilan alapuolella. Muovit voivat deformoitua elastisesti, kun ne altistuvat veto- ja puristuskuormille, mutta löytävät sitten tiensä takaisin alkuperäiseen, muodonmuutokseensa. Elastomeerejä käytetään materiaalina renkaat , kuminauhoja , tiivisterenkaat , jne. Tunnetuimpia elastomeerit ovat vulkanaatit on luonnonkumin ja silikonikumin .
Joustavuuden syy
Molekyylirakenne
In polymeeri on pitkä ketju molekyylejä. Yksittäisiä ketjuelementtejä voidaan kiertää toistensa suhteen näitä ketjuja pitkin. Elastomeerien tapauksessa tämä kiertyvyys on niin voimakasta, että molekyylit kiertyvät niin kutsutuksi polymeeripalloksi . Tämä pyrkimys on vain seurausta ketjun pyörimisestä täysin satunnaisiin suuntiin. Yksittäisten atomien järjestely ketjussa molekyylin keskustan ympärillä vastaa Gaussin jakaumaa .
Ketjumolekyylien liukumisen estämiseksi vetokuormituksen alaisena kumiketjut on kytketty toisiinsa rikkisiltojen avulla. Jos vulkanoinnin aikana lisätään paljon rikkiä, syntyy kovaa kumia; jos vähän rikkiä lisätään, syntyy pehmeää kumia.
Käyttäytyminen jännityksen alla
Tärkein syy kumin elastisuuteen on kelattujen polymeeriketjujen kyky reagoida vetokuormitukseen venyttämällä tai irrottamalla ketjuja. Jos polymeeriä venytetään vetojännityksellä, ketjut kohdistuvat ensisijaisesti kuorman suuntaan. Joten elastomeeri on venytetty.
Heti kun vetojännitys on eliminoitu tai vähentynyt, ketjut alkavat uudelleen satunnaisella pyörimisliikkeellä, jonka aikana ne taas ottavat tilastollisesti perustuvan Gaussin jakauman. Ketjut palaavat edullisen pallomainen konformaatioon - elastomeerin sopimukset. Joustavuus koostuu venytyksestä jännityksessä ja supistumisesta jännityksen laskiessa. Tämä vaikutus on samanlainen kuin kaasu, joka puristuttuaan laajenee takaisin vasta saatuun tilaan dekompression jälkeen kaasuaatomien satunnaisen liikkeen vuoksi. Tämä on entropinen vaikutus; Tätä joustavuuden muotoa kutsutaan siksi myös entropian elastisuudeksi . Yleensä se edustaa suurinta osaa elastomeerin elastisesta vaikutuksesta.
Lämpötilariippuvuus
Koska pyörimisliike on nopeampaa ja tehokkaampaa, sitä enemmän energiaa on käytettävissä, tämä vaikutus lisääntyy lämpötilan mukana. Joustavuuden kasvu lämpötilan kanssa on erittäin tyypillinen elastomeerien ominaisuus. Lämpötilaa, jonka alapuolella lämpöenergia ei enää riitä pyörimisliikkeiden suorittamiseen, kutsutaan lasittumislämpötilaksi . Elastomeerit menettävät tyypilliset ominaisuutensa lasittumislämpötilan alapuolella.
Energia-joustava vaikutus
Elastomeerien tapauksessa silloittuminen voi johtaa erittäin pieneen energiajoustavuuteen . Energian joustavuudella ei kuitenkaan yleensä ole merkitystä elastomeerimuoveissa. Energiaa joustavat kappaleet ovat kovia materiaaleja, joissa vetolujuus saa molekyyli- tai atomijärjestelyn poikkeamaan energisesti edullisimmasta asemasta. Jos vetokuormitusta ei ole, atomit tai molekyylit "liukuvat" takaisin näihin energisesti edullisempiin asemiin. Erityisesti metallien ja kertamuovien kimmokerroin määräytyy energian joustavuuden perusteella.
ominaisuudet
Tavanomaiset elastomeerit eivät ole sulavia. Ns. Termoplastiset elastomeerit ovat, mutta tietyissä lämpötila-alueilla termoplastisia , kuten viinipullojen luonnollisen korkin korvaaminen.
Elastomeerien erityispiirre on, että niiden elastisuus (toisin kuin metallijouset ) ei perustu muuttuvien atomietäisyyksien välisiin vetovoimiin, vaan edustaa staattisen ja dynaamisen tasapainon järjestyksen ja entropian välillä. Elastomeeri siis ei tallenna mitään jännitteitä energia sinänsä, vaan säteilee energiaa syötetään venytyksen aikana (ja muut muodonmuutokset) , kuten lämmön ja sen sijaan kasvattaa sisäisen järjestyksen. Kuten lihas , se vaatii siis energiansaannin jälleen supistumiseen, jonka elastomeeri ottaa ympäröivästä lämmöstä Brownin molekyyliliikkeen kautta .
Kun on kylmä, elastomeerit menettävät voimansa ja voivat jäätyä yhtä kovaa kuin lasi. Kohtuullinen lämpötilan nostaminen lisää merkittävästi elastomeerin elastisuutta, koska se toimittaa sille energiaa, mikä saa sen toimimaan . Tämä ilmiö tunnetaan nimellä Gough-Joule-vaikutus . (Liian korkea lämpötila aiheuttaa kuitenkin hajoamista.) Taipuma on huomattavasti suurempi kuin esimerkiksi kiintoaineiden lämpölaajeneminen ja muistuttaa enemmän kaasujen mekaanista käyttäytymistä liikkuvalla männällä varustetussa sylinterissä. Voit jopa rakentaa yksinkertaisen lämpömoottorin joustavasta pyörästä, jonka pinnat ovat kuminauhoista ; Jos pyörää lämmitetään toiselta puolelta, sen vanteen muoto muuttuu toiselta puolelta elastomeerin supistumisen myötä, mikä saa pyörän pyörimään siirtämällä painopistettä, kun nauhat rentoutuvat jälleen viileämmällä puolella.
Erikoismuodot
kirjallisuus
- Georg Abts: Johdanto kumitekniikkaan . Hanser, München 2007, ISBN 978-3-446-40940-8 .
- Gerhard P. Streit et ai .: Elastomeeriset tiivistysjärjestelmät - materiaalit, sovellukset, rakenteet, standardit . Expert-Verlag 2010, ISBN 978-3-8169-2895-9 .
- Valentin L.Popov: Kontaktimekaniikka ja kitka. Teksti- ja sovelluskirja nanotribologiasta numeeriseen simulointiin. Springer, Berliini 2009, ISBN 978-3-540-88836-9 .
Yksittäiset todisteet
- ^ Edition Jule Hammer, kokoomateos Theodor Constantin: Plaste und Elaste Saksan-saksan sanakirja , Haude & Spener Verlag, Berliini 1985, ISBN 3-7759-0249-X