บทที่ 6...

26
เอกสารประกอบการสอน วิชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis รศ.ดร.จตุพร วุฒิกนกกาญจน์ คณะพลังงาน สิ่งแวดล้อมและวัสดุ (มจธ.) บทที6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ 6.1 การวัดค่าความถ่วงจาเพาะและค่าความหนาแน่นของพอลิเมอร์ โดยนิยามแล้วค่าความถ่วงจาเพาะ ( specific gravity) ของพอลิเมอร์จะหมายถึงสัดส่วนระหว่าง ้าหนักของวัสดุพอลิเมอร์ที ่ทดสอบเทียบกับน ้าหนักของน ้าที ่มีปริมาตรเท่าวัสดุ ณ อุณหภูมิที ่กาหนด (เช่น 23 องศาเซลเซียส) ดังนั้นค่าความถ่วงจาเพาะจึงเป็นค่าที ่ไม่มีหน่วย ในขณะที ่ค่าความหนาแน่น (density) จะหมายถึงน ้าหนักต่อหนึ ่งหน่วยปริมาตรของวัสดุนั้น ซึ ่งจะเป็นค่าที ่มีหน่วยเป็นกรัมต่อลูกบาศก์เซ็นติเมตร หรือปอนด์ต่อลูกบาศก์ฟุต จะเห็นได้ว่าค่าทั ้ง 2 มีความหมายต่างกันแต่ค่าที ่ได้ใกล้เคียงกันมากและบางครั ้ง มักจะมีการนาตัวเลขไปใช้อ้างอิงสลับกัน ค่าความถ่วงจาเพาะถือเป็นจุดเด่นของวัสดุพอลิเมอร์ เนื ่องจากพอลิเมอร์จะมีน ้าหนักเบาเมื ่อเทียบกับ วัสดุประเภทอื ่น ๆ เช่น โลหะ หรือ เซรามิกส์ นอกจากนั้นในบางกรณีผลิตภัณฑ์พอลิเมอร์จะมีการเติมสาร เติมแต่ง (additive) ลงไปด้วยซึ ่งจะส่งผลให้ค่าความถ่วงจาเพาะเปลี ่ยนแปลงไป ดังนั้นการวัดความถ่วงจาเพาะ หรือความหนาแน่นของพอลิเมอร์จึงมีความสาคัญในแง่ของการควบคุมคุณภาพของผลิตภัณฑ์ 6.1.1 การวัดค่าความถ่วงจาเพาะของพลาสติก ตามมาตรฐาน ASTM D 792 แล้วการวัดค่าความถ่วงจาเพาะของพลาสติก สามารถทาได้ 2 วิธี ทั้งนี ้ทั้งนั้นขึ ้นอยู ่กับลักษณะรูปทรง (form) ของวัสดุที ่จะทดสอบ โดยวิธีที ่ 1 (method A) จะใช้กับวัสดุที ่อยู ่ใน รูปของ sheet, rods, tubes หรือ ชิ ้นงานที ่ขึ ้นรูปแล้ว ในขณะที ่วิธีที ่ 2 ( method B) จะพัฒนาขึ ้นมาสาหรับใชกับวัสดุที ่อยู ่ในรูปของผง (powder) หรือเกล็ด (flakes) หรือเม็ดพลาสติก (pellets) ที ่ยังไม่ได้ขึ ้นรูป การทดสอบวิธีที่ 1 (method A) วิธีนี ้ ต้องการใช้เครื ่องชั่งที ่มีความละเอียดสูง โดยมีอุปกรณ์ที ่สาคัญดังนี 1. ฐานรอง ( stationary support) เพื ่อที ่จะใช้เป็นที ่วางภาชนะบรรจุน ้า ( immersion vessel) บริเวณด้านล่างของตาชั ่ง เพื ่อไว้สาหรับจุ่มชิ ้นงานทดสอบลงในภาชนะบรรจุน ้านั้น (immersion vessel) 2. ลวด (ที ่ทนต่อการกัดกร่อนหรือเกิด corrosion ในของเหลวที ่จะจุ่มชิ ้นงานลงไป) โดยลวด ดังกล่าว ใช้สาหรับแขวนชิ ้นงานจากแขนของตาชั่งลงสู ่ภาชนะบรรจุน ้าดังกล่าว 3. ตัวถ่วง (sinker) เพื ่อช่วยให้วัสดุที ่จะทดสอบไม่ลอยอยู ่บนของเหลวที ่ต้องการจะจุ่มลงไป (ใน กรณีที ่วัสดุทดสอบมีค่า specific gravity < 1) ลักษณะของการจัดตั้งอุปกรณ์ทดสอบสามารถแสดงได้ดังรูปที 6.1

Transcript of บทที่ 6...

Page 1: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

บทท 6 การทดสอบสมบตทางกายภาพของพอลเมอร 6.1 การวดคาความถวงจ าเพาะและคาความหนาแนนของพอลเมอร

โดยนยามแลวคาความถวงจ าเพาะ (specific gravity) ของพอลเมอรจะหมายถงสดสวนระหวางน าหนกของวสดพอลเมอรททดสอบเทยบกบน าหนกของน าทมปรมาตรเทาวสด ณ อณหภมทก าหนด (เชน 23 องศาเซลเซยส) ดงนนคาความถวงจ าเพาะจงเปนคาทไมมหนวย ในขณะทคาความหนาแนน (density) จะหมายถงน าหนกตอหนงหนวยปรมาตรของวสดนน ซงจะเปนคาทมหนวยเปนกรมตอลกบาศกเซนตเมตร หรอปอนดตอลกบาศกฟต จะเหนไดวาคาทง 2 มความหมายตางกนแตคาทไดใกลเคยงกนมากและบางครงมกจะมการน าตวเลขไปใชอางองสลบกน

คาความถวงจ าเพาะถอเปนจดเดนของวสดพอลเมอร เนองจากพอลเมอรจะมน าหนกเบาเมอเทยบกบวสดประเภทอน ๆ เชน โลหะ หรอ เซรามกส นอกจากนนในบางกรณผลตภณฑพอลเมอรจะมการเตมสาร เตมแตง (additive) ลงไปดวยซงจะสงผลใหคาความถวงจ าเพาะเปลยนแปลงไป ดงนนการวดความถวงจ าเพาะหรอความหนาแนนของพอลเมอรจงมความส าคญในแงของการควบคมคณภาพของผลตภณฑ 6.1.1 การวดคาความถวงจ าเพาะของพลาสตก

ตามมาตรฐาน ASTM D 792 แลวการวดคาความถวงจ าเพาะของพลาสตก สามารถท าได 2 วธ ทงนทงนนขนอยกบลกษณะรปทรง (form) ของวสดทจะทดสอบ โดยวธท 1 (method A) จะใชกบวสดทอยในรปของ sheet, rods, tubes หรอ ชนงานทข นรปแลว ในขณะทวธท 2 (method B) จะพฒนาขนมาส าหรบใชกบวสดทอยในรปของผง (powder) หรอเกลด (flakes) หรอเมดพลาสตก (pellets) ทยงไมไดขนรป การทดสอบวธท 1 (method A)

วธน ตองการใชเครองชงทมความละเอยดสง โดยมอปกรณทส าคญดงน 1. ฐานรอง (stationary support) เพอทจะใชเปนทวางภาชนะบรรจน า ( immersion vessel)

บรเวณดานลางของตาชง เพอไวส าหรบจมชนงานทดสอบลงในภาชนะบรรจน าน น (immersion vessel)

2. ลวด (ททนตอการกดกรอนหรอเกด corrosion ในของเหลวทจะจมชนงานลงไป) โดยลวดดงกลาว ใชส าหรบแขวนชนงานจากแขนของตาชงลงสภาชนะบรรจน าดงกลาว

3. ตวถวง (sinker) เพอชวยใหวสดทจะทดสอบไมลอยอยบนของเหลวทตองการจะจมลงไป (ในกรณทวสดทดสอบมคา specific gravity < 1)

ลกษณะของการจดตงอปกรณทดสอบสามารถแสดงไดดงรปท 6.1

Page 2: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

รปท 6.1 แสดงการจดตงอปกรณส าหรบทดสอบเพอหาคาความถวงจ าเพาะ (ทมา Plastics Materials” edited by J.A.Brydson, Butterworths, Great Britain, 1989)

1. โดยในการทดสอบจะเรมจากการชงน าหนกของวสดทดสอบในอากาศ (a ) 2. จากนนจะท าการแขวนวสดทดสอบดวยลวดทเกยวอยกบตาชงแลวท าการจมชนงานทแขวนอย

บนลวดลงในน า (อาจจะมตวถวงดวยในบางกรณ) ท าการบนทกคาน าหนกทอานได (b ) (ซงมคาเทากบน าหนกของชนงานทงหมดรวมกบน าหนกของลวดบางสวนน า)

3. ชงน าหนกของลวดเปลา (และตวถวงถาม) ในน า (w )

ซงคาความถวงจ าเพาะของชนงานทดสอบสามารถค านวณไดดงสมการ

gravity Specific = bwa

a

จากสมการจะเหนไดวาคาทค านวณกคอสดสวนระหวางน าหนกของวสดทดสอบในอากาศตอ

น าหนกของน าทถกแทนทดวยวสดดงกลาว (หรอน าหนกของน าทมปรมาตรเทาวสดนนเอง)

ขอควรระวงของการทดสอบและรายละเอยดในการทดสอบ 1. ภาชนะกบลวดหรอวสดทดสอบตองไมสมผสกน 2. วสดทดสอบตองไมละลายน า 3. ขนาดมต (dimension) ของชนงานทจะใชทดสอบสามารถดจากเอกสาร ASTM D792 และระยะ

ของการจม (2.5 cm) สามารถดไดใน ASTM D792

Page 3: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

การทดสอบ specific gravity วธท 2 (method B) วธนตองการใชอปกรณทเรยกวา pycnometer (รปท 6.2) และปมปสญญากาศ (vacuum pump) และ vacuum descicator โดยมขนตอนการทดสอบดงน

1. ชงน าหนกเปลาของ pycnometer 2. เตมน าลงใน pycnometer แลววางลงในอางน าจนกระทงถงอณหภมทสมดลคงท (equilibrium)

จากนนชงน าหนกของ pycnometer รวมกบน าหนกน า 3. ท าความสะอาดและท า pycnometer ใหแหง 4. เตมวสดทดสอบลงไปประมาณ 1-5 กรม จากนนชงน าหนกของ pycnometer รวมกบน าหนกวสด

ชนงานททดสอบ 5. เตมน าลงไปใน pycnometer ดงกลาว 6. น า pycnometer ดงกลาวไปวางไวใน vacuum desiccators 7. ท าการ vacuum จนกระทงอากาศถกดดออกจากอนภาคของชนงานหมด 8. ชงน าหนกของ pycnometor รวมกบน าหนกน ากบน าหนกวสดททดสอบ

รปท 6.2 Pycnometer ส าหรบทดสอบหาคา specific gravity ของพอลเมอร จากนนค านวณหา specific gravity ของผง (powder) หรอเมดพลสตก (pellets) ไดดงน

gravity Specific = mba

a

เมอ a = น าหนกวสดทดสอบ (ซงมคาน าหนกของ pycnometor รวมกบน าหนกของวสดท

ทดสอบ ลบออกดวยน าหนกของ pycnometor เปลา) b = น าหนกของ pycnometor รวมกบน าหนกน า m = น าหนกของ pycnometor รวมกบน าหนกของวสดทดสอบและน าหนกน า

Page 4: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

จากสมการทใชค านวณจะเหนไดวามหลกการคลายกนคอคดจากสดสวนระหวางน าหนกวสดตอน าหนกของน าทมปรมาตรเทาวสด (หรอทถกแทนทดวยวสด) ซงเทอมดานตวลางของสมการจะไดมาจากน าหนกของวสดทดสอบรวมกบน าหนก pycnometor และน าหนกของน า ลบออกดวยน าหนก pycnometor ทบรรจวสดทดสอบและน า

มขอสงเกตวาการหาคา specific gravity โดย method B แตกตางจากวธ method A ตรงทวธการเนองจากลกษณะของสารตวอยางหรอวสดทจะทดสอบมรปทรง (form) ทตางกน 6.1.2 การหาคาความหนาแนนของพลาสตกโดยวธ Density Gradient Technique

อปกรณทดสอบทส าคญจะประกอบดวย 1. Column (รปท 6.3) 2. Calibrated glass floats (glass float ททราบคา density มากอนแลว 3. ของเหลว (liquid) ทจะใชบรรจลงใน column หลกการของเทคนคนคอจะท าการใส glass float ลงไปใน liquid column ซง glass float ทมคาความ

หนาแนนตาง ๆ กจะไหลลงไปและลอยตวอยใน liquid column ทระดบความสงตาง ๆ ขนอยกบความหนาแนนของ glass float นน ๆ (จดนนคอ จดท density ของ glass float match พอดกบ density ของสารละลายหรอของเหลว)

รปท 6.3 ตวอยางคอลมนส าหรบทดสอบแบบ Density Gradient Technique จากนนจงท าการเขยนกราฟระหวางต าแหนงทลอย (float position) กบความหนาแนนของ float

glass เพอใหเกดเปน calibration line หลงจากนนเมอใสวสดทดสอบทตองการทราบคา density ลงไป กจะท าการวดต าแหนงทวสดนนลอยอย เพอน ามาเทยบกบ calibration line เพอท าการอานคาตอไป

ในกรณทวสดทดสอบไมลอยใน liquid column อาจจะเปนไปไดวาชวงของ density ของวสดนน ไมเหมาะสม หรอ match กบชวงความหนาแนนของของเหลวทบรรจอยใน column ดงนนในทางปฏบต จงอาจจ าเปนทจะตองเปลยนชนดของของเหลวดวย ส าหรบตวอยางของของเหลวและคาความหนาแนน ทเหมาะสม แสดงไดดงตารางท 6.1

Page 5: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

ตารางท 6.1 แสดงระบบของของเหลวทแนะน าไวส าหรบทดสอบหาคาความหนาแนน ระบบของเหลว ชวงความหนาแนน (g/ml)

Methanol – benzyl alcohol Isopropanol - water Isopropanol – diethylene glycol Ethanol – carbontetrachloride (CCl4) Isopropanol - water Toluene – water Water – NaBo Water – Calcium nitrate Zinc chloride – ethanol – water CCl4 – 1,3–dibromopropane 1,3 – Dibromopropane – ethylenebromide Ethylene bromide – bromoform Carbon tetrachloride – bromoform (CMBr3) Tetrachloroethylene - bromoform

0.80 - 0.92 0.79 - 1.00 0.79 - 1.11 0.79 - 1.59 0.79 - 1.00 0.87 - 1.59 1.00 - 1.41 1.00 - 1.60 0.80 - 1.70 1.60 - 1.99 1.99 - 2.18 2.18 - 2.89 1.60 - 2.89 1.55 - 2.70

6.2 การทดสอบอณหภมในการออนตวของพลาสตก การทดสอบอณหภมในการออนตวของพลาสตก ในทนหมายถง heat distortion (deflection) temperature (HDT) และ Vicat softening point (VICAT) ซงเปนการทดสอบผลกระทบของอณหภมตอสมบตของพลาสตกในระยะสน ๆ (short tem effects) และอาจจะใชในการบงบอกถงลกษณะเฉพาะของวสด แตอาจจะไมสามารถน าไปใชในการออกแบบหรอท านายการใชงาน เนองจากเมอเวลาผานไปสมบตดานอน ๆ ของวสดจะเปลยนแปลงไปตามเวลาและอณหภม การทดสอบ HDT โดยนยามแลว HDT หมายถงอณหภมทช นงานตวอยาง ในรปของสเหลยม (rectangular bar) ตามขนาดทก าหนดในมาตรฐาน มการโคงงอตวลงมาประมาณ 0.1 นว หรอ 2.5 มลลเมตร อนเนองมาจากแรงกดทกระท ากบชนงานบรเวณตรงกลาง (รปท 6.4)

Page 6: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

รปท 6.4 การทดสอบหาคา heat distortion temperature (ทมา “Plastics Materials” edited by J.A.Brydson, Butterworths, Great Britain, 1989)

โดยชดทดสอบทมชนงานยดอยจะถกหยอนลงไปในอางน าทมตวใหความรอนและของเหลว ทเปนตวกลางในการถายเทความรอนโดย heater จะสามารถก าหนดใหเพมอณหภมขนไดอยางคงท เชน 2C/นาท โดยกอนเรมทดสอบ เมอวางน าหนกกดลงบนชนงานไดประมาณ 5 นาท จะตองท าการ set zero ของเขมวดกอน ส าหรบแรงทใชกดจะม 2 แบบคอ 66 2/ inlb f (4.6 2/ cmKg ) และ/หรอ

264 2/ inlb f (18.5) ความคลาดเคลอนทอาจจะเกดขนในการทดสอบ HDT ไดแก การบดงอตวของชนงาน (warpage) เมอเพมอณหภมสงขน อนเนองมาจาก residue stress ทสะสมอยในชนงานทไดจากการขนรปและเยนตวในแมพมพอยางรวดเรว ซงผลของ warpage นจะท าให คา HDT ทไดคลาดเคลอน ดงนนเพอความถกตองจงอาจควรท าการ anneal ชนงานกอนการทดสอบ เพอให residual stress ผอนคลายออกไป นอกจากนนลกษณะของการเตรยมชนงานทตางกน กอาจจะใหคา HDT ตางกน เชน ชนงานทไดจากการฉดขนรปมกจะม HDT ต ากวาชนงานทไดจากกระบวนการ compression molding เนองจากกรณหลงมกจะม stress ตกคางนอยกวา ในแงของความหนาของชนงานกมผลดวยเชนกน โดยชนงานทหนามกจะใหคา HDT ทสงกวาชนงานทบางกวา เนองจากการน าความรอนทต าของพลาสตกท าใหชนงานทหนาตองใชเวลานานกวาในการทความรอนจะผานเขาไปทวถง ดงนนอณหภม HDT จงสงกวา

Page 7: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

การทดสอบแบบ Vicat softening temperature เปนการทดสอบอณหภมทเขมกด (flat end) ทะลทะลวงเขาไปในเนอชนงานไดลก 1 มลลเมตร โดยใชแรงกดทบรเวณดานบน (รปท 6.5)

รปท 6.5 การทดสอบหาคา vicat softening point (ทมา “Plastics Materials” edited by J.A.Brydson, Butterworths, Great Britain, 1989)

โดยแรงทใชกดจะขนอยกบมาตรฐานทใชทดสอบ และวสดททดสอบ (เชนอาจจะเปน 10 N หรอ 50 N) สวนหวเขมทใชจะม cross sectional area เทากบ 1 ตารางมลลเมตร (mm2) และตว heater จะสามารถตงโปรแกรมเพอเพมอณหภมในอตราคงท เชน 50 องศาเซลเซยสตอชวโมง

Page 8: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

6.3 การทดสอบสมบตทางกล การทดสอบสมบตเชงกลของพอลเมอรมอย 3 ลกษณะทส าคญ (รปท 6.6) คอ

1. Static test ซงหมายถงการทดสอบทอตราการเปลยนรป (หรออตราการดงในกรณ tensile test) คงท ตามเวลาททดสอบ ซงรปแบบ (modes) ของการทดสอบอาจจะเปนลกษณะ การดง (tensile) การกดอด (compression) หรอการเฉอน (shear) แตโดยทวไปแลวจะนยมใช tensile test

2. Transient test เปนการทดสอบทข นอยกบเวลา หรอเปนการวดการเปลยนแปลงของแรงหรอความ

เคนตามเวลา หรอวดการเปลยนแปลงของการเปลยนรปหรอความเครยดตามเวลา กรณแรกเรยกวา การทดสอบแบบ stress relaxation สวนกรณหลงเรยกวา การทดสอบแบบ creep test การทดสอบแบบ creep test หรอ stress relaxation น ถอเปนการทดสอบทใกลเคยงกบสภาวะการใชงานจรงของพอลเมอรมากกวา เนองจากการวด dimension stability นจะเปลยนแปลงไปตามเวลา (ตองไมลมวาสมบตเชงกลของพอลเมอรจะเปลยนแปลงไปตามเวลา)

3. Impact test เปนการทดสอบความเหนยว หรอการทนแรงกระแทกของพอลเมอร ซงอาจจะได 2

รปแบบ คอ pendulum test และ falling weight test

รปท 6.6 การทดสอบสมบตเชงกลของพอลเมอรในรปแบบมาตรฐานตางๆ

Page 9: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

การทดสอบความตานทานแรงดง (Tensile test) สงทส าคญของการทดสอบสมบตดานแรงดงของพอลเมอร คอ ชนงานทดสอบซงสวนใหญจะมรปทรง dumbbell ซงจะไดจากการเตรยมชนงานแบบตาง ๆ ขนอยกบประเภทของวสด เชนกรณทเปนยางกจะไดจากการตดแผนยางเปนรป dumbbell ดวย die (จากแผนยางทไดจากการวลคาไนซใน compression mould) สวนในกรณของพลาสตก อาจจะไดจากกระบวนการฉด (injection moulding) หรอไดจากการตดแผนพลาสตกดวย die ในท านองเดยวกนกบยาง ถาหากพลาสตกดงกลาวมความแขงต า เชน plasticized PVC ในขณะทดสอบจะใชเครอง Universal testing machine (รปท 6.7) โดยจะท าการจบชนงานทต าแหนงปลายทงสองดานดวยระยะคงท (ตามมาตรฐานก าหนด) แลวท าการดงยดชนงานดวยอตราการดงทคงทท าการบนทกการเปลยนแปลงของแรงและระยะยดของชนงานบรเวณตรงกลาง

รปท 6.7 ตวอยางเครองทดสอบแรงดง ผลทไดเบองตนจากการทดสอบคอ กราฟความสมพนธระหวางแรงดงกบระยะทาง (รปท 6.8) ซงอาจจะมรปรางแตกตางกนไปแลวแตชนดของพอลเมอรและสภาวะ (ความเรว, อณหภม) ทท าการดง

Page 10: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

Elongation (mm.)

Lo

ad

(N

)

รปท 6.8 ตวอยางกราฟความสมพนธระหวางแรงดงกบระยะยดตว

จากแรงและระยะทางทได สามารถน ามาค านวณคา tensile parameters ตาง ๆ ไดดงน

คาการยดตว

รปท 6.9 แสดงลกษณะทวไปของชนงานรป dumbbell ส าหรบการทดสอบแรงดง โดยในการค านวณคาความเครยด (strain) จะใชคา L ตอ L0 ซงตองระวงดวยวาคาทใชตองเปนคาทมาตรฐาน กลาวคอ L ควรวดโดยใช extensometer จะแมนย ากวาโดยเฉพาะอยางยงในกรณทวสดทดสอบเปนยางทจะยดตวไดมากจนเขาสบรเวณรอยคอดของชนงาน อยางไรกตามกรณทเปนพลาสตกแขงอาจจะอนโลมใหใชระยะเดนทางของมอจบ (grip) เปน L แทนได เนองจากพลาสตกแขง มกจะยดตวไดนอยและฉกขาดกอนจะเกดการยดบรเวณรอยคอด

Page 11: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

รปท 6.9 ตวอยางขนาดและรปทรงชนงานส าหรบทดสอบแรงดง สวนคา L0 นนตองดตามมาตรฐานของ standard method ทใชทดสอบ (ASTM D638, JIS 2000

ISO, DIN) ซงแตละมาตรฐานจะมขนาดชนงานไมเทากน และมระยะ gauge ไมเทากน และทส าคญตองไมเขาใจผดวา L0 คอระยะระหวาง grip หรอ ระยะระหวางรอยคอด ซงถาใชคา L0 ในการค านวณ strain ไมถกตอง จะท าใหคา strain และ modulus ทไดคลาดเคลอน และอาจมปญหาในการน าไปใชอางองกบตวอยางขางนอก คาการทนแรงดง ในบางครง อาจจะรายงานผลการทดสอบคาการทนแรงดงเปนรปของคา tensile strength ซงโดยปกตจะหมายถงคา maximum tensile stress นอกจากนนบางกรณอาจจะรายงานผลคา tensile strength ทจดใด ๆ กได เชนทจดคราก (yield point) จะได tensile strength at yield หรอทจดขาดจะได tensile strength break สวนค าวา ultimate tensile stress (หรอ strength) จะหมายถงคา strength หรอ stress ทจดสงสดของกราฟ ซงอาจจะเปนท break point หรอ yield point กได คาโมดลส คาโมดลสทกลาวถงขางตนน จะไดจากการคดค านวณจากกราฟในชวง linear หรอชวงทยงมพฤตกรรมเปนแบบอลาสตก (ชวงการยดตวหรอ strain นอย ๆ ) และบางครงจะเรยกคาโมดลสในแบบดงกลาววา Young’s modulus หรอ Initial modulus นอกจากนนยงมคา โมดลสอกลกษณะหนงคอ secant modulus ซงไดจากอตราสวนความเคนตอความเครยดทวดจากชวงตางๆ ในเสนกราฟ (รปท 6.10)

Lo

Thickness

Width

Cross-sectional area (m2) = Width x Thickness

Page 12: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

รปท 6.10 การหาคามอดลสในแบบตางๆ (ทมา “Polymer Science and Technology” edited by J.R.Fried,

Prentice Hall PTR, USA, 1995) คาความเหนยว

คาความเหนยวจากการทดสอบสมบตดานการรบแรงดง (tensile toughness) สามารถหาไดจากพนทใตกราฟระหวางแรง (N) กบระยะทางการยดตว (m) ซงสมพนธกบคา stress และ strain ตามล าดบ อยางไรกตามขอควรระวงในการพจารณาคาความเหนยวจากวธการดงกลาวขางตน คอการทตวเลขทเทากนอาจจะไดมาจากวสดทมพฤตกรรมตางกนได เชน วสดแขงเปราะ (area A รปท 6.11) กบยางทนมยดตวสงแตไมแขงแรง (area C) อาจจะมพนทเทากน แตโดยทวไปแลว พลาสตกสวนใหญจะมพฤตกรรมแบบ area A และ B

รปท 6.11 นยามคาความเหนยวทไดจากการทดสอบแรงดงวสดพอลเมอร (ทมา Polymer Update)

Page 13: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

ส าหรบพฤตกรรมของกราฟ แรง กบ ระยะทาง (หรอ stress – strain) ทเกดขนในแตละวสด แตละประเภทนน จะแตกตางกนออกไป

วสดบางตวจะนม และ ไมแขงแรง (soft and weak) เชน เทยนไข พาราฟนส หรอ Wax วสดบางตวจะแขงแตเปราะ (hard and brittle) เชน PS, PMMA วสดบางตวจะนมแตเหนยว (soft and tough) เชน ยางธรรมชาต NR วสดบางตวจะแขงและแขงแรง (hard and strong) เชน thermosets วสดบางตวจะแขงและเหนยว (hard and tough) เชน Nylon, PC, Kevlar

ซงแตละชนดจะมกราฟทวไปเปนลกษณะดงน (รปท 6.12)

รปท 6.12 ลกษณะกราฟแรงดง – ระยะทาง ของวสดพอลเมอรกลมตางๆ จะเหนไดวามค าทส าคญอย 3 กลม คอ soft/hard, brittle/tough, weak/strong ซงค าส าคญทง 3 กลมจะสมพนธกบสมบตดานการทนแรงดง (tensile parameters) 3 ชนดคอ modulus, toughness และ stress (strength) ตามล าดบ ผลกระทบของอณหภมและความเรวในการดงตอสมบตเชงกลของพอลเมอร ในพฤตกรรมของกราฟแรงดง-ระยะทาง ของพอลเมอรจะเปลยนแปลงไปถาหากอณหภมขณะททดสอบเปลยนไป (รปท 6.13) ยกตวอยางเชน PMMA ซงมลกษณะแขงและเปราะทอณหภมหองอาจจะแสดงกราฟทม yield point และมการยดตวมากขนทอณหภมประมาณ 60C หรอสงกวานน หรอในทางกลบกน ยางทมการยดตวไดมากแตมความแขงต ากอาจจะมการยดตวทลดลง และความแขงเพมมากขนถาหากทดสอบทอณหภมต ากวา glass transition temperature ทงนเนองจากสมบตของพอลเมอรจะขนอยกบอณหภมอยางมาก

Page 14: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

นอกจากนนความเรวในการดงกจะมผลตอสมบตดานแรงดงเชนเดยวกน โดยความเรวในการดงสงจะท าใหพอลเมอรมการตอบสนองในแบบอลาสตกสง หรอมคาโมดลสและความเคนสงแตมคาการยดตวต า ต า ในทางตรงกนขามถาดงพลาสตกอยางชา ๆ ดวยความเรวต ากจะท าใหมการยดตวมากขนและมโมดลสหรอความแขงนอยลง ผลดงกลาวเกดจากการทพอลเมอรมลกษณะการตอบสนองตอแรงกระท าทข นกบเวลา โดยถามเวลานอย (ออกแรงกระท าเรว) พอลเมอรไมมเวลาทจะผอนคลาย (relax) โมเลกลจงเคลอนไหวไดนอยและชนงานไมสามารถยดตวไดมากและตานทานแรงดง จงขาดงายแตแขงแตถาดงชา ๆ โมเลกลพอลเมอรจะมเวลาในการคลคลายโครงสราง หรอเกดการเคลอนไหว ท าใหมการยดตวของชนงานมากขนโดยใชแรงดงทนอยลง ประเดนเรอง time-temperature dependence ของพอลเมอรนมความหมายนยส าคญในแงของการน าไปใชงาน โดยในแงของการน าไปใชงานตองระวงวาถาทดสอบทอณหภมหรอความเรวเทาใดจะไมสามารถเอาตวเลขไปเปรยบเทยบกนผลการทดสอบทอณหภมและความเรวทตางกนได แมวาจะเปนวสดเดยวกนและเครองมอทดสอบเดยวกนกตาม และในแงของการท านายการใชงานในสภาวะทพอลเมอรจะตองรบแรงเปนเวลานาน ๆ ทงในลกษณะของ constant force (รปทรงเปลยนแปลงตามเวลา) หรอ constant strain (โมดลสลดลงตามเวลา) ซงทง 2 ลกษณะจะไมสามารถท านายไดดวยผลการทดสอบจาก static tensile test ทกลาวมาขางตน แตอาจจะตองทดสอบใน mode ทคลายคลงกนมากกวา นนคอ creep test และ stress relaxation test ตามล าดบ

โดยในกรณวสดอลาสตก เมอใหแรงคงทกจะมคาความเครยดคงทและเมอหยดออกแรง คาความเครยดกจะลดลงเปนศนย แตในกรณทวสดมพฤตกรรมแบบ viscous เมอใหแรงคงทคาความเครยดจะคอย ๆ เพมขนตามเวลา (time dependence) และคงทตลอดไป และแมวาจะหยดออกแรงคาความเครยดกจะไมลดลงเปนศนย

รปท 6.13 การเปลยนแปลงลกษณะกราฟแรงดง–ระยะทาง ของพอลเมอรตามอณหภมและอตราการดงทดสอบ

Page 15: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

ส าหรบวสดพอลเมอรนนจะมพฤตกรรมทงในแบบวสคส (viscous) และอลาสตก กลาวคอมทงชวงทตอบสนองตอแรงทนท (immediate response) และชวงทเปน time dependent ( คอย ๆ เพมขนตามเวลา) และจะมการคนตว (recovery) หลงหยดออกแรง แตการคนตวดงกลาวจะเกดขนไมสมบรณ โดยจะยงคงมชวง permanent flow เหลอคางอย ทงนทงนนสดสวนของวสคสและอลาสตกในพอลเมอรแตละชนดจะมคามากหรอนอยขนอยกบโครงสรางของพอลเมอรนนๆ (เชน น าหนกโมเลกล และปรมาณการเกดครอสลงค) และขนอยกบสภาวะทใชทดสอบ เชนอตราเรวในการทดสอบ และอณหภมทใชทดสอบ Time–Temperature Superposition

แมวาการใช creep และ stress relaxation จะมสภาพการทดสอบทใกลเคยงกบสภาวะจรงมากขนแลว แตยงคงมขอจ ากดในแงของชวงเวลาททดสอบกบอายการใชงานจรงอยนนเอง เนองจากไมสามารถ รอผลการทดสอบไดนานเปนเวลาหลาย 10 ป อยางไรกตามทางออกของปญหานคอการท าการทดลอง ทอณหภม ตาง ๆ กน แลวน ามาสรางเปน master curve โดยใชหลก time-temperature superposition (รปท 6.14)

หลกของการท า time - temperature superposition คอการเกบขอมล (เชนคามอดลส) จากการทดสอบทอณหภมตาง ๆ ในชวงเวลา (ความเรวในการดง) ไมยาวมากนก ซงคาโมดลสทไดกจะน ามาขยบเลอนต าแหนงไปทางซายหรอทางขวาของแกนนอนในกราฟระหวาง โมดลสกบคาของเวลา (ในแกน logarithm) โดยมหลกวาถาทดสอบทอณหภมสงกวาอณหภมอางองกจะใชสราง master curve ( refT ) กจะขยบไปทางขวาแตถาทดสอบทอณหภมต ากวา ( refT ) กจะขยบไปทางซาย โดยจะขยบเลอนต าแหนงไปซายหรอขวามากนอยแคไหนนนจะค านวณจาก WLF equation

รปท 6.14 การสราง master curve จากสมการ WLF

log Ta = log

rT

T

T

T =

TTC

TTC r

2

1

1C = 17.44 ในกรณท rT = gT ของพอลเมอรททดสอบ 2C = 51.6

x x x x x x x x x x x x

x Log Modulus Log Time

Data tested at Tref

x x x x x x

x x x x x x x

Log Modulus Log Time

Master curve at Tref

Page 16: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

อยางไรกตาม ขอจ ากดของการท านายสมบตเชงกลของพอลเมอรจาก master curve คอ ความคลาดเคลอนทอาจจะเกดจากสภาพแวดลอม เชนการเสอมสภาพทางโครงสรางและการสญเสยสมบตเนองจากแสงแดดและความรอน เปนตน การทดสอบสมบตดานการทนแรงกระแทก (Impact Properties testing) การทดสอบสมบตดานการทนแรงกระแทกของพอลเมอรจะมจดเดนตรงทเปนการทดสอบดวยอตราการกระแทกดวยความเรวสง โดยมรปแบบ 2 ลกษณะ คอ แบบ pendulum test (6.15) และ falling weight test ลกษณะการทดสอบแบบ pendulum test จะใชคอนเหวยงลงมากระแทกชนงาน พลงงานสวนหนงสญเสยไปในการท าใหชนงานแตกหก ซงสามารถอานคาพลงงานทใชไปไดจากเขมหนาปด (หนวยเปน ft-lbs) ซงในกรณททดสอบแลวชนงานไมหกแสดงวาพลงงานไมพอ ซงจะตองเพมน าหนกขนไปอก (หรอใชเครองทมขนาดใหญกวาหรอ specification ตรงกวา) ชนงานทดสอบจะตองมการท ารอยบากเพอใหเกดจดรวมแรง (stress concentration point) ดงรป (6.16)

รปท 6.15 โดยจากพลงงานทอานไดสามารถน ามาค านวณเปน impact strength ไดจากสตร

strength Impact = m

J

ThicknessEnergy

หรอบางกรณ จะใชสมการ = 2

m

J

(notch) AreaEnergy

L

w

tEnergy (J)

Page 17: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

การวางชนงานจะท าได 2 ลกษณะตามรปแบบของการทดสอบกลาวคอถาเปนแบบ Charpy test จะวางแนวนอน แตถาเปนแบบ Izod test จะวางแนวตง

รปท 6.16 รปแบบการวางชนงาน ส าหรบการทดสอบแรงกระแทกแบบ Izod และ Charpy สงส าคญหรอขอควรระวงในการทดสอบแบบ pendulum คอขนาดของรอยบาก (notch) ตองคงท เพราะขนาดจะมผลตอคา impact strength ทได ตวอยางเชนรอยบากทแหลมกบรอยบากททอหรอปานกวาจะใหคา ไมเทากน โดยทวไปแลวรศมของ notch tip ทเพมขนจะท าให impact strength สงขน (รปท 6.17)

รปท 6.17 ผลของรอยบากตอคาการทนแรงกระแทก นอกจากนนความเหนยวของชนงานทไดจาก tensile test กบทไดจาก impact test อาจจะใหผลไมสอดคลองกนกได เนองจากเปนการทดสอบทสภาวะตางกน โดยในกรณ impact test จะทดสอบดวยความเรวสงมาก และทส าคญคอชนงานจะมรอยบากหรอจดรวมแรง ซงพอลเมอรบางตวจะมความเหนยวลดลงอยางมากถาหากมต าหนหรอจดรวมแรง เชน notch เชน PVC, Nylon เปนตน

Charpy test

Izod test

PVC

PSImpa

ct str

ength

(J/m

2 )

Notch tip radius (mm)

sharp notch

blunt notch

20.5

5

20

Page 18: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

ส าหรบการทดสอบ impact test ในแบบสดทายคอ falling weight test (รปท 6.18) ซงจะเหมาะกบชนงานทเปนแผน sheet หรอชนงานทไดจากการขนรปเปนผลตภณฑในแมพมพแลว เชน หมวกกนนอคเปนตน โดยในการทดสอบจะท าได 2 ลกษณะคอก าหนดใหระดบความสงของลกน าหนกคงท แลวท าการทดสอบโดยเพมน าหนกไปเรอย ๆ จนกระทงชนงานแตก หรอในทางตรงกนขามอาจจะทดสอบโดยใชน าหนกคงทแลวท าการปรบระยะความสงไปเรอย ๆ

รปท 6.18 การทดสอบแบบ falling weight ซงคาทไดจะสามารถน ามาค านวณเปนพลงงาน (impact energy) ไดดงน

Energy ( J ) = hwf เมอ h = ความสง (mm ) w = น าหนก ( Kg ) f = คาทใชแปลงหนวยเปน J ( Nm )

Page 19: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

6.4 การทดสอบความแขง ความแขง (hardness) ในทนหมายถงการตานทานการเปลยนรป (deformation) ของวสด ซงคาทวด

ไดจากการทดสอบจะไมใชคาสมบรณแตจะเปนคาในเชงเปรยบเทยบ (relative term) คาความแขงทกลาวถงนจะแตกตางไปจากคาความตานทานการขดส (abrasion resistance) หรอคาความตานทานการสกหรอ (wear resistance) ของวสด ยกตวอยางเชน พอลสไตรนจดเปนวสดทมความแขง (hardness) สง แตขณะเดยวกนกมความตานทานการขดสต า

การทดสอบความแขงของพอลเมอรสามารถกระท าได 2 วธ ขนอยกบชนดของวสด (ตารางท 6.2) กลาวคอการทดสอบแบบ Rockwell จะใชกบพลาสตกทมลกษณะแขง เชน พอลสไตรน พอลเมธลเมธาครเลต และไนลอน เปนตน ในขณะทการทดสอบแบบ Durometer จะใชกบพอลเมอรทมความออนตวมากกวา ตวอยางเชน ยางชนดตางๆ รวมทงพอลไวนลคลอไรดชนดทเตมสารเพมสภาพพลาสตก (plasticized PVC) และพอลเอธลน ตารางท 6.2 แสดงวธทดสอบความแขง (hardness) ทควรเลอกส าหรบพลาสตกตาง ๆ

วสด วธทดสอบ ยาง

PVC LDPE MDPE HDPE

PP Toughened PS

ABS PS

PMMA

Shore A Shore A Shore D Shore D Shore D Rockwell R Rockwell R Rockwell R Rockwell M Rockwell M

Page 20: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

การทดสอบแบบ Rockwell หลกการพนฐานของการทดสอบความแขงแบบ Rockwell คอ การวดความลกของลกบอลเหลกทใชเปนตวกดวด (indentor) โดยในการทดสอบ จะม 3 ขนตอนหลก (รปท 6.19-6.20) คอ เรมจากการวางน าหนกรอง (minor load) ประมาณ 10 กโลกรม ลงบนลกบอลเหลก เพอใหเกดแรงกดลงสมผสกบผวชนงานทดสอบ จากนนจงท าการ set zero (ภายในเวลา 10 วนาท มฉะนนคาอาจจะเปลยนแปลงไปอกเนองจากความเปน viscoelastic ของพอลเมอร)

รปท 6.20 Rockwell hardness tester หลงจากนนจงเพมแรงหลก (major load) ใหกบลกบอลเหลก เปนเวลานาน 15 นาท จากนนจงยกน าหนกกดออก ปลอยใหชนงานเกดการคนตว (recover) ตอไปอกประมาณ 15 วนาท แลวจงอานคาความแขง hardness จากสเกลของเครองวด โดยจะมหนวยก ากบเปนสญลกษณ R, L, M, E อยขางหลงตวเลข ขนอยกบชนดของลกบอลเหลกและแรงทใชกด (ตารางท 6.3)

รปท 6.19 แสดงขนตอนในการทดสอบความแขง hardness แบบ Rockwell

Page 21: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

ตารางท 6.3 ชนดของลกบอลเหลกและแรงทใชกดในการทดสอบคาความแขงแบบตางๆ Scale Major load (Kg) Diameter of Indentor (in)

R 60 ½ L 60 ¼ M 100 ¼ E 100 1/8

โดยสเกล R และ L จะใชกบพลาสตกทมคาความแขง hardness ต า สวนสเกล M และ E จะใชกบพลาสตกทมคามแขง hardness สง โดยในแตละสเกลทใชทดสอบนน ถาหากตวเลขทอานไดจากหนาปดมคาเกน 115 จะถอวาความไว (sensitivity) ของการวดนนสญเสยไป และตองเปลยนไปใชสเกลทดสอบถดไป การทดสอบความแขงแบบ Durometer

การใช durometer วดความแขงพอลเมอรจะกระท าโดยการวางชนงานบนผวเรยบ กดหวเขมลงบนชนงานจนกระทงสดระยะของหวเขม (ถงจด stop ring) แลวท าการอานคาความแขงจากหนาปดภายในระยะเวลาคงท (เชนประมาณ 10 วนาท) ซงตวเลขทอานคาไดจาก durometer นจะไมมหนวย

นอกจากนน Durometer ทใชในการทดสอบจะแบงยอยออกเปน 2 ประเภท คอ แบบ Shore A และ แบบ Shore D (รปท 6.21) ซงทง 2 แบบนจะแตกตางกนในแงของรปทรงและขนาดของหวกด โดยทวไป Shore A จะใชกบวสดทออนกวา ในขณะท Shore D จะใชกบวสดทแขงกวาเลกนอย

รปท 6.21 แสดงลกษณะของ Durometer แบบ Shore A และ Shore D

Page 22: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

6.6 การทดสอบสมบตทางไฟฟาของพอลเมอร โดยทวไปแลวจะถอวาพลาสตกเปนฉนวนทางไฟฟา ในขณะทโลหะจะเปนตวน าไฟฟาทด เนองจากโลหะจะมอเลกตรอนอสระ (โดยเฉพาะอยางยง Valence electron) ทสามารถเคลอนทได ในขณะทการเคลอนทของอเลกตรอนในพลาสตกจะถกจ ากดอยภายในโมเลกลเทานน ในแงของการใชงานเปนฉนวนแลวสมบตทเกยวของทตองพจารณา ไดแก dielectric strength, dielectric constant, dissipation factor และ resistivity Dielectric strength Dielectric strength หมายถงคาความตางศกยสงสดทวสดทเปนฉนวนไฟฟาจะสามารถทนได กอนทจะเกดการเสยหาย (failure) ดงนนคา dielectric strength จงมหนวยเปนโวลทตอมลลเมตร (ความหนา)

โดยเมอวสดทเปนฉนวนไดรบกระแสไฟฟาจะเกดการหลดรว (leakage) ของกระแสไฟฟาอนเนองมาจาก defects ตาง ๆ ทอยในวสดซง leakage ในลกษณะดงกลาวจะท าใหเกดความรอนขนในวสด ท าใหมกระแสไฟฟาผานไดมากขนและสงผลยอนกลบท าใหความรอนยงสงขนไปอกและท าใหวสดเกด failure ในทสด ดงนนอาจกลาวไดวา dielectric strength กคอ strength ของวสดฉนวนในการใชงานทางไฟฟา และยงวสดทมคา dielectric strength สงกจะยงเปน insulator ทมคณภาพด ส าหรบตวอยางของคา dielectric strength ของวสดตาง ๆ (พลาสตกชนดตาง ๆ) สามารถแสดงไดดงตารางท 6.3 ตารางท 6.3 แสดงคา dielectric strength ของวสดพลาสตกชนดตาง ๆ

พลาสตก Dielectric strength (V/mm) CPVC Rigid PVC Polyester (thermoplastic) Polypropylene HIPS Nylons PS Acetals PTFE Polyethylene Polycarbonate ABS Pheonlics PVF2

1200-1500 800-1400 600-900

650 650

350-560 500 500 500 480 450 415

240-340 260

(ทมา: Handbook of Plastics Testing Technology, 1984)

การวดคา dielectric strength ของวสดสามารถท าไดหลายวธ วธแรกเรยกวา short-times method โดยจะมชนงานทมความหนาทตองการถกประกบดวยอเลคโทรดทง 2 ดาน โดยในการทดสอบจะท าการเพมความตางศกย (voltage) ใหกบชนงานทอตราคงท (โดยใชตวแปลงไฟ หรอ transformer) เรมจาก 0 โวลต

Page 23: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

ไปจนกระทงชนงานแตก โดยทอตราการเพมของศกยไฟฟาอาจจะเปน 100, 500, 1000 หรอ 3000 sec/Volt โดยจดทชนงานแตกหรอเกด failure จะสงเกตไดจากการเกดฉกขาด (rupture) หรอการสญเสย

องคประกอบของชนงาน วธท 2 ในการวดคา dielectric strength คอ slow-rate-of-rise method โดยวธนจะใหศกยไฟฟา ในชวงแรกประมาณ 50% ของ breakdown voltage ทวดไวแลวจาก short time test จากนนจะท าการเพม voltage ขนไปทอตราคงท จนกระทงชนงานพงหรอแตกหก วธสดทาย คอ step-by-step จะเปนการผานศกยไฟฟาในชวงแรกประมาณ 50% ของ breakdown voltage จากนนจงเพม voltage ในสดสวนทเทากน (equal increment) แลวรกษาระดบศกยไฟฟานนไว จนกระทงชนงานพงหรอแตกหก โดยเมอเปรยบเทยบทง 3 วธแลวจะถอวา step-by-step method เปนวธการทสอดคลองกบสภาพการใชงานจรงมากทสด โดยคา dielectric strength ( mmV / ) สามารถค านวณไดจากสมการดานลาง

strength Dielectric = )( Thickness

)( VolitageBreakdown mm

V

ส าหรบปจจยทส าคญทมผลตอคาททดสอบได คอ ความหนาของชนงาน โดยทวไปจะอนมานวา dielectric strength จะแปรผกผนกบความหนา ยกก าลง 0.4 โดยทชนงานทหนาจะมต าหน (defects) มากกวา (เชน internal void, flaws, moisture, หรอความไมสม าเสมอของชนงาน) นอกจากนนยงมปจจย อน ๆ ทมผลตอคา dielectric strength ไดแกรปทรง (geometry) ของอเลคโทรด อณหภม และกระบวนการ ขนรปของชนงานททดสอบทอาจจะท าใหเกดต าหน เชน weld-line, voids, bubbles เปนตน Dielectric Constant (Permittivity) ทมาทไปของ คา dielectric constant เรมจากการทโมเลกลทมข วเมอน ามาวางในสนามไฟฟา จะท าใหเกดการเรยงตวของโมเลกลดงกลาว เกดเปน สนามไฟฟาภายใน (internal electric field) ขน ซงเราอาจจะเรยกปรากฏการณทเกดขนนวา “ dipole polarization ” ซงปรมาณของประจไฟฟา (electric charge) ทสะสมอยในสนามไฟฟาภายในน จะเรยกวาคา capacitance ซงจะมคามากหรอนอยนน จะขนอยกบชนดของวสดทเปนฉนวน นอกจากนนเมอน าคา capacitance ของวสดหนง ๆ มาหารดวยคา capacitance ของอากาศ เราจะเรยกสกสวนดงกลาววา dielectric constant

constant Dielectric = dielectric as )(or VacuumAir e,Capacitanc

dielectric as Material e,Capacitanc

หรออาจกลาวงาย ๆ ไดวา คา dielectric constant หมายถง ความสามารถของฉนวนในการเกบรกษาพลงงานไฟฟาเอาไว (electrical energy storage) ส าหรบคา dielectric constant ของอากาศ จะมคาเทากบ 1 สวนคา dielectric constant ของพลาสตกจะมคาตงแต 2 ถง 20 ขนอยกบสภาพขวของพลาสตก เชน ในกรณของพอลเอธลนซงถอวาเปนโมเลกลทไมมข ว เมอน ามาวางในสนามไฟฟากจะสามารถเกดการกระจายตวของอเลคตรอนไดเลกนอย และจะเกด polarization ไดเลกนอย ดงนนคา dielectric constant ของพลาสตกสวนใหญจงมากกวา 1 เสมอ

Page 24: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

ตารางท 6.4 แสดงคา dielectric constant ของพลาสตกชนดตาง ๆ พลาสตก Dielectric Constant

Melamine Poly(vinylidene fluoride) Cellulose acetate Phenolics Nylon (30% glass filled) Epoxies Polyesters (thermoset) HIPS Acetal copolymer (25% glass filled) Nylons Polycarbonate (30% glass filled) Polyester (thermoplastic) ABS PS PE PVC (plasticized)

5.2-7.9 7.5

3.0-7.0 4.0-7.0 3.5-5.4 4.3-5.1

4.7 2.0-4.0

3.9 3.5-3.8

3.48 3.2 3.2

2.7 2.2-2.6 3.3-4.5

คา dielectric constant จะขนอยกบอณหภม ในแงทวาของเหลวจะมคา dielectric constant สงกวาของแขง เนองจากการเรยงตวของ dipole ในของเหลวเกดไดงายกวา หลงจากนน คา dielectric constant จะลดลงอกครงตามอณหภมทเพมขนโดยเนองมาจากการทโมเลกลมความสามารถในการเคลอนไหวไดสงจงท าใหเกดการชนกนไดมากและเปนการท าลายการเรยงตวของ dipole สงเกตวาในกรณของพอลเมอรแบบอสณฐาน คา dielectric constant จะเพมขนเมออณหภมสงกวา

gT แตการเปลยนแปลงจะคอนขางกวางและไมฉบพลนเหมอนในกรณพอลเมอรทมความเปนผลก (crystalline polymers) Dielectric loss Dielectric loss ดงทไดกลาวมาแลววาเมอวางโมเลกลลงในสนามไฟฟา จะท าใหเกดการเรยงตวตามสนามไฟฟา (polarization) มากหรอนอย ขนอยกบสภาพขวของโมเลกล และความตางศกยทใสเขาไปในสนามไฟฟา ขณะทโมเลกลเกดการเรยงตามในสนามไฟฟานจะท าใหเกดแรงเสยดทานภายในเกดขน (internal friction) ระหวางโมเลกลและท าใหมความรอนเกดขนจากการเสยดสดงกลาวและสญเสยออกไป ในกรณทใสสนามไฟฟากระแสสลบเขาไป เมอความถของกระแสไฟสลบทใสเขาไปต า การสนหรอการเรยงตวของโมเลกลกจะเกดขนชาและความรอนทเกดขนกจะมคานอย แตถาใชความถของกระแสสลบสง กจะท าใหเกดความรอนขนสงและท าใหสมบตดานการเปนฉนวนและสมบตเชงกลของวสดดงกลาว เสยไป ดงนน พลาสตกทจะใชในงานทมสนามไฟฟาความถสงจงควรทจะมคา dielectric loss ต าทสด ซงคา dielectric loss () จะขนอยกบหลายปจจย ดงสมการขางลาง

Page 25: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

tan 2 f เมอ = Dielectric loss 2 = Strength ของสนามไฟฟา f = ความถของกระแสไฟฟาสลบ = Dielectric Constant ของฉนวน tan = Dissipation factor และเนองจากแรงเสยดทานทเกดระหวางในโมเลกลทม dipole ทอยในสนามไฟฟากระแสสลบท าใหเกดความรอนนเอง จงท าใหพอลเมอรทมข วสามารถน าไปใชในกระบวนการขนรปทตองการความรอนจากคลนความถวทยได เชน งานดานการเชอมฟลม PVC ดวย high frequency Dissipation factors (loss factor) Loss factor หรอ tan จะบอกถงระดบของ phase lag ทเกดขนเนองจากโมเลกลพอลเมอรหรอฉนวนไมสามารถปรบตวใหมทศทางการเรยงตวสอดคลองตามความถของสนามไฟฟาทเปลยนไปอยางรวดเรว โดยถาความถสนามไฟฟาต าโมเลกลกจะมเวลานานพอในการปรบทศทางการเรยงตวใหสอดคลองกบสนามไฟฟาทเกดขนและเปลยนแปลงไปมาอยตลอดเวลา แตถาสนามไฟฟามความถสงมากขน จะท าใหโมเลกลไมสามารถเปลยนแปลงทศทางการเรยงตวตามสนามไฟฟาทเปลยนแปลงไปไดทน ซงท าใหเกด phase lag ขน ระหวาง dipole polarization กบ สนามไฟฟา ซงคา dissipation factor นยอมขนอยกบ ชนดของโมเลกลและความถของสนามไฟฟา โดยคา loss factor หรอ dielectric loss จะมคาสงสดในชวง transition ทซงพอลเมอรผานจากการตอบสนองไดเรวในชวงความถต าไปยงชวงทตอบสนอง (หรอ เรยงตว) ไดชาในชวงทความถสง (จดสงสด คอ จดทความถของการเคลอนไหวของโมเลกลพอลเมอรเทากนกบความถของสนามไฟฟากระแสสลบ)

รปท 6.22 การเกด phase lag ขนระหวาง dipole polarization กบ สนามไฟฟา (ทมา “Plastics Materials” edited by J.A.Brydson, Butterworths, Great Britain, 1989)

Page 26: บทที่ 6 การทดสอบสมบัติทางกายภาพของพอลิเมอร์ · 6.1.2 การหาค่าความหนาแน่นของพลาสติกโดยวิธีDensity

เอกสารประกอบการสอน วชา MTT656 Polymer Characterization and Analysis

รศ.ดร.จตพร วฒกนกกาญจน คณะพลงงาน สงแวดลอมและวสด (มจธ.)

นอกจากนนถาท าการวดคา dielectric ทความถเดยวกนกบความถของเครอง dynamic mechanical analysis spectroscopy แลว transition ทเกดขนกจะเกดทอณหภมเดยวกน การวดคา Dielectric Constant และคา Dissipation Factor การทดสอบวดคา dielectric constant และ dissipation factor สามารถท าไดโดยการวางชนงานทจะทดสอบระหวางอเลคโทรด 2 ตว (ดงรปท 6.23) แลวท าการวดคา capacitance เปรยบเทยบกบคา capacitance ของอากาศอกครง โดยความถทใชในการวดพลาสตกจะอยในชวงประมาณ 102-106 Hz

รปท 6.23 การทดสอบวดคา dielectric constant และ dissipation factor