Ker so lepila večinoma polimeri, je smiselno omeniti tudi njihove splošne in fizikalne lastnosti, ki se jih navadno opiše kot viskoelastične.
Polimeri so sestavljeni iz več delov oz. monomerov (poli - več in mer - del). Po njihovih temperaturnih lastnostih so to lahko termoplasti (s segrevanjem se zmehčajo in jih lahko preoblikujemo, po ohladitvi se vrnejo v začetno stanje) ali pa termoseti (s segrevanjem razpadejo). [1], [10]
Termoplaste delimo še na amorfne in delno kristalinične. Pri amorfinih termoplastih so molekule porazdeljene naključno, pri delno kristaliničnih pa so deli molekul urejeni v lepo kristalno strukturo.
Termosete je možno deliti še na elastomere, ki imajo relativno majhno premreženost, in same termosete oz. duroplaste, ki so močno premreženi. [1], [10]
Če polimere obremenimo in beležimo napetost in specifično deformacijo, lahko pridobimo krivulje prikazane na sliki 2.12. Krivulja 1 predstavlja krhek material, ki prenese veliko napetost in majhno deformacijo. Krivulja 2 predstavlja žilav material, ki premore ob veliki napetosti tudi precej deformacije. Krivulja 3 predstavlja elastičen material, ki se že ob majhnih napetostih močno deformira.
Za absorpcijo energije je želja imeti material s krivuljo 2. Težava polimerov je, da lahko en material ob različnih hitrostih obremenjevanja ali temperaturah izkazuje lastnosti krivulje 1, 2 ali 3. To pa lahko povzroči odpoved konstrukcije. [1]
Iz tega primera je razvidno, zakaj je poznavanje reoloških lastnosti pomembno.
Teoretične osnove in pregled literature
15 Slika 2.12: Primeri različnih krivulj napetosti – specifična deformacija [1]
2.4.1 Temperaturni prehodi
Za razliko od ostalih snovi pri polimerih govorimo o temperaturi taljenja (Tm) le pri delno kristaliničnih termoplastih. Ostali polimeri ne izkazujejo tega pojava. Za njih prav tako ni značilna temperatura vrelišča. [1]
Pomembna lastnost polimera je temperatura steklastega prehoda (Tg). Pri zviševanju temperature polimeri preidejo iz krhkega steklastega stanja v viskoelastično stanje.
Temperaturi tega prehoda pravimo temperatura steklastega prehoda. Elastični modul se nad to temperaturo precej zmanjša. Za lepila je priporočljivo, da obratujejo nad Tg ampak pod Tm, saj takrat lahko absorbirajo veliko energije in imajo še dovolj dobro trdnost.
Pri termosetih je Tg višji zaradi povezanih verig. Za zmanjšanje temperature steklastega prehoda se lahko uporabi plastifikatorje. [1], [10]
Temperaturo Tm in Tg lahko določimo iz grafa volumen – temperatura, ali pa s pomočjo diferenčne dinamične kalorimetrije (DSC). Pri DSC vzorec in referenco enakomerno segrevamo in spremljamo potreben toplotni tok za ohranjanje konstantnega spreminjanja temperature. [10]
V prvem primeru Tg določimo kot spremembo naklona premice, Tm pa kot povečevanje volumna brez spremembe temperature (enak princip kot pri drugih snoveh). Pri DSC analizi pa je Tg določen kot prevoj pri dovedenem toplotnem toku. Tm pa kot endotermni vrh pri katerem je za ohranjanje hitrosti spremembe temperature potrebno dovesti več toplotnega toka. [1], [10]
2.4.2 Viskoznost
Vse kapljevine imajo določeno strižno viskoznost, ki jo izračunamo z enačbo (2.9). Če enačbo preuredimo, vidimo, da za strižni tok kapljevine z določeno viskoznostjo potrebujemo pri večjih strižnih hitrostih večjo strižno napetost. Visoka viskoznost lahko
Teoretične osnove in pregled literature
16
prepreči lepilu, da omoči celotno površino, če ni zagotovljena zadostna strižna napetost. [1], [10]
𝜂 =𝜏 𝛾̇
(2.9) Pri Newtonskih kapljevinah, ki smo jih vajeni, je viskoznost neodvisna od strižne hitrosti.
Povezava med strižno hitrostjo in strižno napetostjo je linearna. Lepila večinoma niso Newtonske kapljevine. Pri ne Newtonskih kapljevinah se lahko viskoznost z večanjem strižne hitrosti povečuje ali pa zmanjšuje. Prvim pravimo dilatantne kapljevine, drugim pa psevdoplastične kapljevine. Primer odvisnosti strižne napetosti od strižne hitrosti je za vsako kapljevino prikazan na sliki 2.13. [1], [10]
Slika 2.13: Odvisnost strižne napetosti od strižne hitrosti za različne kapljevine [1]
Poleg teh pojavov pa so lahko kapljevine tudi tiksoskopične. Za te kapljevine je značilno, da se do določene strižne napetosti obnašajo kot trdne snovi ali pa geli (ne tečejo tudi ob določeni strižni napetosti). Ob dovolj veliki napetosti pa stečejo. [10]
2.4.3 Dinamično mehanski testi
Pri dinamično mehanskih testih nas zanima, kako se material obnaša pri različnih hitrostih obremenjevanja. Odziv materiala je pogojen s temperaturo in frekvenco. Material se obnaša trdo ali steklasto pri nizkih temperaturah ali pa pri visokih frekvencah, kjer molekule nimajo časa za reorganizacijo. Prav tako material teče pri visokih temperaturah, kjer je njegov modul nizek ali pa pri nizkih frekvencah, kjer imajo molekule veliko časa za reorganizacijo. Vpliv povečanja temperature je približno enakovreden zmanjševanju frekvence. [10]
Viskoelastične snovi lahko popišemo s tako imenovanim kompleksnim modulom G*, ki je sestavljen iz elastičnega in viskoznega modula (G' in G'') in se ga izračuna z enačbo (2.10).
G predstavlja strižni modul, vendar lahko enak postopek uporabimo tudi za normalnega.
Viskozni modul predstavlja delež izgub, ki se dogajajo v materialu, medtem ko elastični predstavlja delež obremenitve, ki jo bo material po razbremenitvi povrnil. [10]
Teoretične osnove in pregled literature
17
𝐺∗ = 𝐺′+ 𝑖𝐺′′ (2.10)
Za izvedbo teh testov se lahko uporablja različne priprave, vendar med bolj natančne sodi rotacijski reometer, kjer se med dve plošči postavi željen vzorec. Tega se lahko obremenjuje z različnimi deformacijami, spreminjanjem deformacije v odvisnosti od frekvence in s temperaturo. [10]
Tematika je prevelika za natančno razlago, zato se omeni le glavno krivuljo, ki popisuje spreminjanje obeh modulov čez praktično vso frekvenčno območje.
Ker bi bil test za pridobitev teh lastnosti zelo dolg, se uporablja časovno-temperaturno superpozicijo. Meritev se opravi pri manjšem frekvenčnem oknu ob različnih temperaturah.
Eno krivuljo se vzame za referenco. Druga krivulja pri višji temperaturi predstavlja odziv pri manjši frekvenci, kjer se material vede bolj viskozno. Krivulja pri nižji temperaturi pa simbolizira odziv pri višji frekvenci. Shematično je postopek prikazan na sliki 2.14. Pri tem je levo prikazan elastični modul pri različnih temperaturah (T6 > T3 > T1), desno pa je prikazana krivulja po superpoziciji z izbrano referenčno temperaturo T3. [1], [10]
Slika 2.14: Prikaz temperaturne superpozicije [11]