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다양한 하중과 온도에서 PE-HD의 크리프 거동

소개

금속에 힘이 가해지면 일반적으로 즉시 변형된 후 오랜 시간이 지나도 같은 모양을 유지합니다. 하중이 너무 높지 않았다면 하중이 제거되면 금속도 탄성적으로 원래 상태로 돌아갑니다. 폴리머도 힘을 가하면 즉시 변형되지만, 시간이 지나면 변형이 더 심해지는 것을 종종 발견할 수 있습니다. 이러한 현상을 크리프라고 합니다. 기본적으로 금속도 크리프 현상이 발생하지만 폴리머의 경우 이러한 현상이 훨씬 더 뚜렷하게 나타나므로 기계적 거동을 설명할 때 반드시 고려해야 합니다. 이러한 이유로 금속의 경우 준정적 응력-변형 다이어그램으로 충분하지만, 폴리머의 경우 시간에 따른 변형도 고려해야 합니다.

여기서 기본적으로 크리프와 이완을 구분하는 것이 중요합니다: 크리프에서는 일정한 하중이 신체에 작용하여 결과적으로 변형이 발생합니다. 이완 상태에서는 신체의 변형이 일정하게 유지되지만 시간이 지남에 따라 필요한 힘이 감소합니다. 이완은 씰과 같은 특정 응용 분야에서는 큰 관심을 끌지만, 많은 구성 요소에서는 오히려 일정한 하중과 변형의 시간 거동이 중요합니다.

재료 테스트에서 실제 크리프 측정은 종종 재료가 원래 모양을 다시 얻을 수 있는 회복 단계(크리프 회복)와 결합됩니다. 이렇게 하면 탄성 크립과 비가역 크립을 구분할 수 있습니다. 비가역적 변형은 온도와 하중 수준에 따라 large 어느 정도 달라집니다. 이러한 관계는 이 문서에서 더 자세히 살펴볼 것입니다.

PE-HD의 크립 복구 측정

여기서 폴리머의 크리프 거동은 반결정 고밀도 폴리에틸렌(PE-HD)의 예를 사용하여 조사합니다. 55 x 5 x 2mm 크기의 샘플은 인장 모드에서 동적 기계식 고하중 NETZSCH DMA GABO Eplexor® 500 N의 도움으로 테스트됩니다(그림 1).

Eplexor® 를 사용하면 -160°C ~ +500°C의 온도 범위에서 최대 1500N의 정적 힘을 가할 수 있습니다.

1) 표준 장력 홀더의 PE-HD

적용 범위에 따라 다양한 인장 시료 홀더를 사용할 수 있습니다: 표준 인장 시료 홀더를 사용하면 시료에 따라 최대 700N의 힘을 가할 수 있습니다. 더 높은 힘의 경우 최대 1500N의 더 강력한 버전을 사용할 수 있습니다.

특히 힘에 대한 크리프의 의존성을 조사해야 하므로 하중을 증가시키면서 개별 측정값을 비교합니다. 이렇게 하면 리클램핑 없이도 단일 측정 시리즈에서 다양한 하중 수준을 조사할 수 있습니다.

그러나 이 절차를 사용하면 원칙적으로 실제 하중 단계 전에 샘플이 변형될 수 있습니다. 기준 형상과의 편차가 너무 커지는 것을 방지하기 위해 10%의 변형률에 도달하면 더 이상의 하중 증가는 수행되지 않습니다. 측정은 각각 정의된 시료 온도에서 수행됩니다. 50°C에서는 각 경우에 안정적인 조건이 확립될 수 있도록 2~6MPa에서 5개의 부하 단계가 수행되며, 2시간의 대기 시간이 주어집니다.

100°C의 높은 온도에서는 최대 변형률에 도달할 때만 하중이 4MPa로 증가합니다.

그림 2에서 볼 수 있듯이 크리프는 일반적으로 각 로딩 단계마다 3단계로 구성됩니다. 먼저 샘플을 비교적 급격하게 늘린 다음 점탄성 크리프가 발생합니다. 이 두 과정은 일반적으로 가역적입니다. 그 후 시료는 오히려 점성 흐름(일정한 변형률)으로 변하고 이 흐름은 더 높은 응력과 온도에서 더 뚜렷하게 나타나는 것을 분명히 볼 수 있습니다. 이 점성 흐름은 되돌릴 수 없기 때문에 후속 언로딩 단계 이후에도 잔류 변형이 남아 있습니다. 이러한 점성 소성 거동은 더 높은 온도와 응력에서 강도가 증가하면서 발생합니다.

2) 다양한 부하 및 온도에서의 크리프 복구 실험

DIN ISO 899 [4]에는 크리프 거동을 결정하기 위한 인장 크리프 테스트가 설명되어 있습니다. 여기서 사용된 크리프 회복 실험을 구체적으로 다루지는 않지만 각 크리프 단계에도 사용할 수 있는 일반적인 평가가 제시되어 있습니다. 따라서 그림 3 a) 및 b)는 위의 측정과 관련된 등시성 응력-변형 다이어그램을 보여줍니다. 스트레인은 고정된 시간 후 각 응력에 대해 기록되어 다이어그램에 입력됩니다. 이 테스트 시리즈에서 샘플에 서로 다른 하중이 가해지기 때문에 변형률은 각 경우에서 하중 단계 직전의 상태를 나타냅니다. 이 프레젠테이션은 결과 스트레인을 주어진 하중에 대한 고전적인 응력-변형 다이어그램과 완전히 유사하게 읽을 수 있기 때문에 구성 요소 설계에 특히 유용합니다. 일반적으로 여기에 기록된 것보다 훨씬 더 긴 시간 이후의 변형률도 흥미롭습니다. 위에서 보았듯이 주로 점성 거동이 더 긴 기간 동안 지배적이며, 이에 대해서는 나중에 더 자세히 설명하겠습니다.

또 다른 일반적인 표현으로 DIN ISO 899는 시간에 따른 크리프 계수를 설명합니다(그림 3 c 및 d). 계수의 역수, 즉 크리프 컴플라이언스가 대신 사용되는 경우가 많지만 여기서는 표준에 따라 크리프 계수를 표시합니다. 크리프 계수의 표시는 특히 재료의 비선형성을 조사하는 데 적합합니다. 응력이 높을수록 일반적으로 크리프 계수가 낮아지고 따라서 컴플라이언스가 높아진다는 것을 알 수 있습니다.

3) a) 및 b): 해당 등시 응력-변형률 다이어그램; c) 및 d): 다양한 온도 및 응력에서 PE-HD의 크리프 모듈러스를 보여줍니다

아이링에 따른 크립 레이트 설명

폴리머 크리프는 종종 4변수 유변학 모델로 설명됩니다(그림 4). 이 모델은 직렬로 연결된 스프링과 댐핑 요소(맥스웰 요소)로 구성됩니다. 스프링은 순간 변형률 점프를 설명하는 데 사용하고 댐퍼는 점성 흐름을 모델링하는 데 사용할 수 있습니다. 점탄성 거동은 병렬 스프링 댐핑 요소로 설명됩니다. 따라서 이전에 수행한 각 크리프 회복 실험에 대해 해당 모델을 식별할 수 있습니다.

4) 유변학 4변수 모델

위에서 살펴본 바와 같이 장기 크리프와 관련된 점성 플라스틱 성분은 주로 점성 흐름에 의해 발생합니다. 온도와 응력에 대한 점성 흐름의 의존성은 분자가 특정 장애물을 극복할 확률로부터 모델 기반으로 도출할 수 있습니다. 자세한 내용은 [2]에서 확인할 수 있습니다. 이 모델에 따르면 응력과 온도 사이의 관계는 변형률의 로그에 선형적으로 의존한다는 결과가 나와 있습니다. 따라서 스트레스가 증가하면 변형률이 기하급수적으로 증가합니다.

그림 5는 각 응력에 대해 결정된 변형률을 보여줍니다. 위에서 이미 제시한 측정값과 함께 110°C에서 추가로 실험을 수행했습니다. 50°C에서 변형률과 응력 사이의 거동은 모델에 의해 매우 잘 설명되며, 즉 응력과 로그 변형률 사이에는 대체로 선형적인 관계가 있습니다. 더 높은 온도와 응력에서는 더 많은 분자 프로세스가 가능하여 로그 변형률에 굴곡이 생깁니다.

아이링 플롯 [1]에서는 각 온도에 대해 별도의 선이 기록됩니다. 이 점에서 이 플롯은 다른 응력에 대한 변형률의 외삽을 제시할 수 있습니다. 그러나 추가적인 시간-온도 중첩을 포함하는 더 고급 접근 방식도 있다는 점에 유의해야 합니다(예: [3] 참조).

5) PE-HD의 크립에 대한 아이링 플롯

결론

크리프 거동은 온도와 부하 수준에 따라 크게 달라집니다. 탄성 크리프 구성 요소는 더 작은 힘에서도 측정할 수 있지만, 많은 응용 분야에서 더 높은 힘과 응력이 발생합니다. DMA GABO Eplexor® 를 사용하면 실제와 관련된 많은 경우에서 하중 의존적 플라스틱 크리프의 특성을 분석할 수 있습니다. 이를 통해 장기적인 크리프 거동은 주로 폴리머의 점성 흐름에 의해 결정된다는 것을 알 수 있습니다. 작용 응력에 대한 변형률의 이러한 의존성은 아이링 플롯에서 명확하게 설명할 수 있습니다.

Literature

  1. [1]
    S. 글래스 스톤, K. 레이들러 및 H. 아이링, 속도 과정 이론 : 화학 반응, 점도, 확산 및 전기 화학 현상의 동역학, 뉴욕: McGraw-Hill, 1941.
  2. [2]
    J. Rösler, H. Harders 및 M. Bäker, Mechanisches Verhalten der Werkstoffe, Springer, 2012.
  3. [3]
    Y. C. Bhuvanesh und V. B. 굽타, "섬유 섬유의 장기적인 크리프 예측", Polymer, 2226-2228, 10 1994.
  4. [4]
    DIN EN ISO 899-1:2018-03 Kunststoffe - Bestimmung데스 크리슈발텐 - Teil 1: Zeitstand-Zugversuch, 2018.