Полимерлердегі жіктелген жарықтар және олардың пайда болу себептері
Crazing
Полимерлердегі жіктелген жарықтар (crazing) – материалдың сынуына дейінгі кезең. Микроқуыстар мен жіпшелер пайда болып, жарықтарға әкеледі. Полимерлердің қасиеттері түсіндіріледі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Материалдың бетіндегі ұсақ жарықтар полимерлердегі жіктелу
Fine cracks on the surface of a material
crazing in polymers
Жіктелу – шыны тәрізді термопластикалық полимерлерде сынуға жиі алдын бағатын сызықтық элементтердің тығыз желісі. Жіктелу жоғары гидростатикалық кернеудің немесе өте шешілген пластикалық деформацияның аймақтарында пайда болады, бұл өзара тікелей байланысқан микробос кеңістіктер мен кішкентай жіпшелердің қалыптасуына әкеледі. Егер сыртқы созу күші жеткілікті болса, бұл байланыстар созылып, үзіледі, нәтижесінде микробос кеңістіктер өсіп, бірігеді; микробос кеңістіктер бірігіп, жарықтар пайда бола бастайды.
Crazing is a fine network of linear features which frequently precedes fracture in glassy thermoplastic polymers. Crazing occurs in regions of high hydrostatic tension, or in regions of very localized yielding, which leads to the formation of interpenetrating microvoids and small fibrils. If an applied tensile load is sufficient, these bridges elongate and break, causing the microvoids to grow and coalesce; as microvoids coalesce, cracks begin to form.
Полимерлер
Крейзинг полимерлерде пайда болады, себебі материал әлсіз Ван-дер-Ваальс күштері мен күшті ковалентті байланыстардың үйлесімімен ұсталады. Жергілікті стресс Ван-дер-Ваальс күшін жеңіп, тар саңылаудың пайда болуына мүмкіндік береді. Тізбек тірегі босатылғаннан кейін, тізбекті байланыстыратын ковалентті байланыстар саңылаудың одан әрі кеңеюіне кедергі келтіреді. Крейзингтегі саңылаулар микроскоптық өлшемде болады. Бұл саңылаулар фибрилдер деп аталатын жіңішке жіпшелермен байланыстырылған. Фибрилдердің диаметрі бірнеше нанометрге тең, оларды жарық микроскопымен көру мүмкін емес, бірақ электронды микроскоппен көруге болады. Қалыңдық профилі тігін инесіне ұқсайды: крейзингтің өте ұшы бірнеше атомдық қабаттай жұқа болуы мүмкін. Ұштан қашықтық артқан сайын, қалыңдық біртіндеп артады, бірақ арту жылдамдығы қашықтықпен азаяды. Сондықтан, крейзингтің өсуі ұштан белгілі бір қашықтықта шектеледі. Крейзингтің ашылу бұрышы 2° мен 10° аралығында болады. Крейзинг пен оны қоршаған полимер арасындағы шекара өте анық, оның микроқұрылымын 20 Å немесе одан да аз өлшемге дейін азайтуға болады, яғни оны электронды микроскопия арқылы ғана байқауға болады. Крейзинг жарықтан өзгеше, себебі ол бетте сезілмейді және жүктемеге төтеп беруге қабілетті. Сонымен қатар, жарылуға дейінгі крейзингтің өсу процесі сыну энергиясын сіңіріп, полимердің сыну төзімділігін арттырады. Крейзинг аймағындағы бір шаршы метрге шаққандағы бастапқы энергия сіңіруі, крейзинг болмаған аймақтан бірнеше жүз есе артық болуы мүмкін, бірақ ол тез төмендеп, тұрақтанады. Крейзингтер сызаттар, ақаулар, стресс концентрациясы және молекулалық біртектіліксіздіктермен байланысты жоғары стресстік аймақтарда пайда болады. Крейзингтер көбінесе қолданылған кернеуге перпендикуляр бағытта таралады. Крейзинг көбінесе полистирол (PS), акрил (PMMA) және поликарбонат сияқты аморфты, нашар полимерлерде пайда болады; ол крейзинг аймағының ақ болуымен сипатталады. Ақ түс крейзингтерден жарық шашырауынан туындайды. Крейзингтің пайда болуы қайтымды процесс, соққылық стресс немесе жоғары температура (шыны тәріздес температурадан жоғары) қолданғаннан кейін, ол жойылып, материалдар оптикалық біртекті күйге оралуы мүмкін. Шеар бандинг – бұл жергілікті деформациядан туындаған, жоғары деформациялық кернеуі бар тар аймақ; ол термопластикалық материалдардың деформациясы кезінде де жиі кездеседі. Крейзинг пен шеар бандингтің басты айырмашылығы – крейзинг көлемнің ұлғаюымен жүзеге асады, ал шеар бандингте көлем өзгермейді. Бұл дегеніміз, қысым кезінде, осы нашар, аморфты полимерлердің көпшілігі крейзингке емес, шеар бандингке ұшырайды, себебі көлемнің ұлғаюының орнына қысқару болады. Сонымен қатар, крейзинг пайда болғанда, материалдың бір жерінде күштің шоғырлануы, яғни "мойын" пайда болуын байқамайсыз. Керісінше, крейзинг материалдың барлық бөлігінде біртекті түрде пайда болады.
Crazing occurs in polymers, because the material is held together by a combination of weaker Van der Waals forces and stronger covalent bonds. Sufficient local stress overcomes the Van der Waals force, allowing a narrow gap. Once the slack is taken out of the backbone chain, covalent bonds holding the chain together hinder further widening of the gap. The gaps in a craze are microscopic in size. Crazes can be seen because light reflects off the surfaces of the gaps. The gaps are bridged by fine filament called fibrils, which are molecules of the stretched backbone chain. The fibrils are only a few nanometers in diameter, and cannot be seen with a light microscope, but are visible with an electron microscope. The thickness profile of a crazing is like a sewing needle: the very tip of the crazing may be as thin as several atoms. As the distance from the tip increase, it tends to thicken gradually with the rate of the increase diminishing with distance. Therefore, the growth of crazing has a critical distance from the tip. The opening angle of the crazing lies between 2° and 10°. The boundary between crazing and surrounding bulk polymer is very sharp, the microstructure of which can be scaled down to 20Å or less, which means it can only be observed by electron microscopy. A craze is different from a crack in that it cannot be felt on the surface and it can continue to support a load. Furthermore, the process of craze growth prior to cracking absorbs fracture energy and effectively increases the fracture toughness of a polymer. The initial energy absorption per square meter in a craze region has been found to be up to several hundred times that of the uncrazed region, but quickly decreases and levels off. Crazes form at highly stressed regions associated with scratches, flaws, stress concentrations and molecular inhomogeneities. Crazes generally propagate perpendicular to the applied tension. Crazing occurs mostly in amorphous, brittle polymers like polystyrene (PS), acrylic (PMMA), and polycarbonate; it is typified by a whitening of the crazed region. The white colour is caused by light scattering from the crazes. The production of crazing is a reversible process, after applied compressive stress or elevated temperature (higher than glass transformation temperature), it may disappear and the materials will return to optically homogeneous state. Shear banding is the narrow region with high level of shearing strain from local strain softening; it is also very common during the deformation of thermoplastic materials. One of the main differences between crazing and shear banding is that crazing occurs with an increase in volume, which shear banding does not. This means that under compression, many of these brittle, amorphous polymers will shear band rather than craze, as there is a contraction of volume instead of an increase. In addition, when crazing occurs, one will typically not observe "necking," or concentration of force upon one spot in a material. Rather, crazing will occur homogeneously throughout the material.
Резеңкелерді қатайту
Резеңке бөлшектері көбінесе термопластикалық материалдарды қатайту үшін қолданылады. Айналасындағы матрицаға қарағанда жұмсақ және ыңғайлырақ бөлшектер кернеу концентраторлары ретінде әрекет етеді. Бұл шоғырланған кернеу аймақтары манияларды (жіктерді) бастайды, олар қолданылған күш бағытына перпендикуляр таралады. Бұл "көптік маниялану" деп аталатын құбылысты сипаттайды, ол, мысалы HIPS полимерінде, әдеттегідей сынғыш полимерлік матрицалардың серпімділігінің көзі болып табылады. Өзгертілгеннен кейін энергияны сіңіру қабілеті айтарлықтай артады. Кейбір сынғыш пластикалық материалдар тіпті сынғыш-серпімді түрленуге ұшырайды. Бұрын резеңке бөлшектері энергияны сіңірудің артуына ықпал ететін басты фактор ретінде қарастырылды. Резеңке бөлшектері жарықтардың ұштарында жиналып, жарықтың өсуін тежейді немесе резеңке бөлшектерінің жиырылуы матрицаның шыны тәріздес түрлену температурасын төмендетуі мүмкін деген болжам бар еді. Дегенмен, тәжірибелер көрсеткендей, резеңке бөлшектері сіңіретін энергия жалпы энергияның тек 10% құрайды, ал резеңке салдарынан шыны тәріздес түрлену температурасының төмендеуі шамамен 10 K-қа жетеді, бұл матрицаның бөлме температурасында деформациялануы үшін жеткіліксіз. Шмитт пен Бакналл кернеудің ағаруы және сыну беріктігінен төмен кернеу кезінде иілудің пайда болуына сәйкес резеңкемен қатайту механизмын жасады. Олар резеңке бөлшектері кернеу концентрациясының орталығы ретінде қызмет ететінін, сондықтан матрицалық материалдың сынғыш-серпімді түрленуін және деформациялануын бастайтынын ұсынды. Нақтырақ айтқанда, деформациялану маниялану немесе иілу жолағы түрінде жүзеге асады, ол деформация энергиясының үлкен бөлігін жұмсай алады.
Rubber particles are often used to toughen thermoplastic materials. Particles with a greater compliance which are accordingly softer than the surrounding matrix act as stress concentrators. These regions of concentrated stress initiate crazes, propagating normal to the direction of applied force. This describes a phenomenon termed "multiple crazing", which, such as in HIPS, is a source of ductility for otherwise brittle polymer matrices. After modification, the ability of absorbing energy will be increased significantly. For some brittle plastic materials, they can even go through brittle ductile transformation. Previously, the rubber particles were considered as the main contributor to the increased energy absorption. It was proposed that rubber particles might gather around crack tips under tension and impede the growth of crack, or the contraction of rubber particles induced the decline of glass transformation temperature of the matrix. Nevertheless, experiments showed that the energy absorbed by rubber particles made up only 10% of the total energy, and the decrease of glass transformation temperature caused by rubber was only around 10 K, which was not enough for the matrix to yield at room temperature. Schmitt and Bucknall developed the mechanism of rubber toughening according to the existence of stress whitening and shear yielding when the stress is lower than fracture strength. They proposed that the rubber particles served as the center for stress concentration, hence initiated the brittle ductile transformation and yielding of the matrix material. To specify, yielding happens in the form of crazing or shear band, which can consume a large portion of deformation energy.
Қоршаған ортаға әсері
Қақпақ пайда болуы шыны тәрізді полимерлерде сыртқы орта факторларының әсерінен туындауы мүмкін. Бұл мәселелі, себебі ол төмен кернеу күйінде пайда болады және кейде ұзақ уақыттан кейін дамиды, осылайша оны анықтау және болдырмау қиын. Мысалы, күнделікті қолданыстағы ПММА ыдыстары көзге көрінбейтін зақымдарсыз ылғал мен температураға төзімді келеді. Бірақ машинада жуғаннан кейін және бір-екі күн ауада қалған соң, олар джинмен ылғалданғанда кенеттен қақпақтанып жабылады. Осы процесте қолданылатын кернеу өте аз болса да, ыдыстарда қақпақ пайда болады. Қақпақ пайда болу себептерін түсіндіруге арналған көптеген теориялар бар, олардың ішінде беттік энергияны төмендету және пластикация кеңінен қабылданған және жақсы зерттелген. Сыртқы ортадағы қақпақ пен жарықтардың пайда болуын болдырмау үшін, беттік қаптама, кернеуді азайту сияқты әдістер қолданылады. Дегенмен, сыртқы орта факторларының күрделілігіне байланысты, әсіресе органикалық ортаның әсеріне, жалпы шешім табу және осы әсерді толығымен жою қиын.
Crazing can take place in glassy polymers under environmental effects. It is problematic because it requires a much lower stress state and sometimes happens after a long delay, which means it is hard to detect and avoid. For example, PMMA containers in daily use are quite resistive to humidity and temperature without any visible defects. After machine washing and left in air for one or two days, they will shutter abruptly when wet with gin. During the process, the stress applied is negligible, but crazing is still found on the containers. There are many theories that tried to explain the environmental effects upon formation of crazing, among which surface energy reduction and plasticization are widely accepted and well developed. To eliminate the environmental crazing and cracking, many methods like surface coating, stress reduction are adopted. However, due to the complicity of the environmental effects, especially the effects in organic environment, it's hard to find a general solution and remove the effect completely.
Стоматология
Крейзинг стоматологияда тіс эмаліндегі жіңішке жарықтарды сипаттау үшін де қолданылады.
Crazing is also used as a term in odontology to describe fine cracks in the enamel of teeth.
Метафора
Ағылшын тіліндегі "craze" сөзінің бастапқы мағынасы – "ұзату, қирату немесе сындыру", бұл мағына 1300 жылдарға дейін жетеді. Бүгінгі күні таныс метафоралық мағыналар қыш ыдыстардағы жарықтардан туындаған: "ауру немесе дені сау емес" мағынасы шамамен 1570 жылға; ал "ақыл-есі дұрыс емес" мағынасы шамамен 1610 жылға дейін қалыптасқан.
The root sense of the word craze in English, meaning “to shatter, crush, or break,” dates to the 1300s. The metaphorical senses familiar today derive from crazing in pottery: crazy meaning “diseased or sickly” dates to about 1570; “of unsound mind” to about 1610.