04-03 Deformatie mechanismen
Crazing
Crazing treedt op in polymeren omdat het materiaal bij elkaar wordt gehouden door een combinatie van de zwakkere van de Waalskrachten en sterke covalente bindingen. Als er voldoende stress ergens in het monster optreedt, dan kan het zijn dat de van der Waalskrachten overwonnen worden waardoor er een kleine spleet ontstaat in het polymeer. Als de bewegingsruimte van de keten op is, houden covalente bindingen de boel nog bij elkaar totdat alsnog de spleet verder zal groeien. Deze spleetjes, "crazes" genaamd, zijn qua grootte zeer klein. Toch kunnen crazes in doorzichtig materiaal goed worden gezien omdat de crazes het licht reflecteren door de aanwezigheid van de holle spleten (zie figuur 3). Deze spleetjes worden overbrugd door fijne filementen die fibrillen worden genoemd, dat zijn moleculen die uit de verstrekte keten komen. Fibrillen zijn enkele nanomeeters in diameter en kunnen niet zichbaar worden gemaakt met een gewone lichtmicroscoop. Ze zijn wel goed te zien met een electronenmicroscoop.
Het dikte profiel van een craze is als een naald: de tip van de craze is enkele atomen dik, hoe verder de afstand van de tip toeneemt, de te breder wordt de spleet, zie figuur 1 en 2.
Het proces van craze groei voordat een breuk plaatsvindt, zorgt ervoor dat het materiaal energie opneemt voordat die breuk plaatsvindt. De initiele absorptie energie in volumes van materiaal met een craze ligt ongeveer 100x hoger dan dat van het niet gecraze ebied. Crazes vormen vooral bij de hoog onder spanning staande gebieden, zoals in de buurt van foutjes, krassen, vervuiling, en andere spanningsconcentratie veroorzakers. Crazes ontwikkelen zich meestal loodrecht op de toegepaste spanning. Crazing komt het meest voor in amorfe brosse polymeren als PS, PMMA en PC. Crazing valt op doordat de regio die het betreft wit uitslaat. Dat witte licht wordt hier veroorzaakt door het feit dat het licht verstrooid wordt door de aanwezigheid van de crazes.
Figuur 1. Crazing ofwel het vormen van crazes als deformatiemechanisme. Een craze is een soort haarscheurtje.
Figuur 2. Orientatie van ketens rondom de craze: verstrekte ketens in de fibrillen (in de richting van de uitgeoefende spanning) en georiënteerde ketens in de bulk van het materiaal.
Figuur 3. Trekstaafjes van PLA (Polylactide) ondergaan crazing voordat ze breken. De crazes zijn vooral te zien in het gebied rond de uiteindelijke breuk. Dus daar was ook de spanning het hoogst. Bron foto: @Oxbo&MJorden.
Crazes kunnen reversibel zijn: na toepassing van de belasting waarbij crazes zijn ontstaan, kan door temperatuurverhoging tot boven de Tg of het toepassing van druk, de onstane spleetjes zich weer sluiten. De crazes zijn daarna niet meer zichtbaar, het materiaal is niet meer wit uitgeslagen en is optisch weer homogeen.
Als crazes optreden als deformatiemechanisme zal er meestal geen nekvorming worden gezien tijdens een trekproef. Crazevorming vindt typisch vrij homogeen plaats door het hele polymeer bij een trekproef.
Shearbanding
Shear banding (geen goede NL term voor) is een ander deformatiemechanisme waarbij energie wordt opgenomen. Het treedt op in kleine gebieden met een hoge spanning. Het wordt vaak gezien bij de deformatie van thermoplasten. Een shear band (is een smalle zone waarin intensieve afschuiving plaatsvindt die waarin het plastic plastisch deformeert. Taaie materialen kunnen intensieve shearbanding ondergaan voordat uiteindelijk breuk optreedt. De shearbands staan meestal in een hoek van 45 graden t.o.v. de uitgeoefende kracht. Tijdens het vormen van de shearbands deformeert het materiaal en absorbeert energie. De hoeveelheid shearbands neemt toe naarmate de rek toeneemt, uiteindelijke breuk het materiaal, Zie onderstaande figuur 4.
Figuur 4. Voorbeeld van de vorming van shearbands als een proefmonster aan extensieve druk wordt onderworpen.
Inmengen van rubber om de taaiheid of slagvastheid te verhogen
Rubbers worden vaak ingemengd in thermoplastische polymeren. Rubber en de andere polymeerfasen mengen dan niet en vormen aparte fasen. Meestal is de rubber in hoeveelheden rond de 20wt% aanwezig. Omdat beide fasen niet goed mengen, zal de rubberfase die in de minderheid aanwezig is, door de menging in een compounder bolvormige deeltjes in de continue fase vormen. Bolvormig omdat het grensvlak per inhoud dan zo laag mogelijk is. Deze rubberdeeltjes kunnen voor een flinke verhoging in de taaiheid of slagvastheid zorgen. Dit wordt verklaard door de spanningsconcentratie die rond de rubberdeeltjes aanwezig zal zijn. Afhankelijk van het deformatiemechanisme van de continue fase zal nu veel makkelijker excessieve crazing, of shearbanding of gewoon plastische deformatie in de smalle strookjes van de continue fase kunnen plaatsvinden. Dit gebeurt nu in een veel groter gebied waardoor de hoeveelheid energie die wordt opgenomen tijdens de belasting van het materiaal veel groter is.
Figuur 5. Dwarsdoorsnede van een kerfslagstaafje langs het breukvlak van een 80/20wt% nylon-rubber blend.
Voor de belasting was de rubber aanwezig als vrijwel bolvormige bolletjes.
Door de excessieve shearbanding zijn er holtes in de blend zichtbaar die behoorlijk vervormd zijn en kan de blend een enorme hoeveelheid energie opnemen t.o.v. zuivere nylon. De kerfslagvastheid neemt door het inmengen van de rubberdeeltjes ongeveer met een factor 20 toe. .
Foto: @oxbo
I
Hierdoor zal juist meer shearbanding of crazing plaatsvinden als er rubberdeeltjes in de matrix is ingemengd. Het materiaal kan hierdoor in een veel groter gebied (of groter volume) deformeren (en vloeien) en energie opnemen. Inmengen van rubber in een polymeer kan zo de (kerf)slagvastheid en taaiheid vele malen vergroten. Zie figuur 5 voor een dwarsdoorsnede van een kerfslagstaafje van sterk gedeformeerde nylon-rubber blend, waar het materiaal tijdens de kerfslagproef een behoorlijke hoeveelheid energie opneemt. Dit is goed te zien aan de cavitatie van de rubberdeeltjes en de daarmee gepaard gaande vervorming (geen ronde bolletjes meer te zien).
