Badania właściwości mechanicznych

Wpływ dodatku HAp-g-PEG na właściwości mechaniczne otrzymanych kompozytów POM/HAp-g-PEG badano w statycznej próbie rozciągania, której poddawano po 3 wiosełka otrzymane metodą wtrysku dla każdej z serii próbek. Na podstawie otrzymanych krzywych w układzie naprężenie-odkształcenie wyznaczono wytrzymałość na rozciąganie (Rm), współczynnik sprężystości wzdłużnej (moduł Young’a (E)) oraz maksymalną siłę rozciągającą (Fmax). Wyniki zestawiono na Rys. 64 oraz 65 odpowiednio dla POM_C i jego kompozytów oraz dla POM_H i jego kompozytów. Dla czystego POM_C wytrzymałość na rozciąganie wynosiła 72,7±1,8 MPa. Dodatek HAp-g-PEG powodował nieznaczne obniżanie R_m wraz ze wzrostem zawartości dodatku w kompozytach. Spadek Rm wynosił od 4% dla próbki POM_C/0,5% HAp-g-PEG 600, do 16% dla próbki POM_C/HAp-g-PEG 2000. Odnotowano niewielkie różnice w obniżeniu Rm w zależności od średniej masy cząsteczkowej PEG w dodatkach HAp-g-PEG. Zaobserwowano również obniżenie wartości modułu Young’a oraz maksymalnej siły rozciągającej (Fmax) kompozytów wraz ze wzrostem ilości dodatku HAp-g-PEG. Wyjątek stanowi seria kompozytów zawierających dodatek HAp-g-PEG 2000, który dla niższych stężeń (<2,5%) niemal nie powodował obniżania modułu Young’a, a dla wyższych stężeń (>2,5%) powodował zwiększenie Fmax w porównaniu do czystego POM_C.

137 Rys. 64. Krzywe naprężenie (σ) – odkształcenie (ε) oraz wytrzymałość na rozciąganie (Rm), moduł

Young’a (E) oraz maksymalna siła rozciągająca (Fmax) dla POM_C oraz kompozytów POM_C/HAp-g-PEG 600, 2000 i 6000

POM_H charakteryzował się znacznie wyższymi wartościami wytrzymałości na rozciąganie wynoszącej 81,3±1,6 MPa oraz modułu Young’a wynoszącego 1,85±0,07 GPa w porównaniu do POM_C. Również dla POM_H dodatek HAp-g-PEG spowodował nieznaczne obniżenie wartości R_m od 0,5% dla POM_H/0,5% HAp-g-PEG 2000 do 14% dla POM_H/10,0% HAp-g-PEG 6000. Także wartości modułu Young’a oraz Fmax uległy obniżeniu wraz ze wzrostem zawartości HAp-g-PEG, przy czym odnotowano dość duży spadek oraz rozrzut wartości Fmax dla próbek kompozytowych na bazie POM_H w porównaniu z próbkami zawierającymi POM_C.

Dla kompozytów zarówno o osnowie z POM_C jak i POM_H zawierających niewielką ilość dodatku HAp-g-PEG (<2,5%) oraz dla próbek z czystego polimeru obserwowano tworzenie się podczas rozciągania szyjki poprzedzające zerwanie wiosełka. Dla próbek zawierających większe stężenie HAp-g-PEG nie obserwowano tworzenia przewężenia, a po zerwaniu widoczny był kruchy przełom na obu częściach wiosełka. Obserwując charakterystyki naprężeniowo-odkształceniowe badanych próbek materiały te można zaklasyfikować jako sprężysto-plastyczne, bez wyraźnej granicy plastyczności. W pierwszym etapie rozciągania (do około ε=2,5%) naprężenia są proporcjonalne do towarzyszących im odkształceń zgodnie z prawem Hook’a. Po przekroczeniu tzw. granicy plastyczności dla badanych materiałów zaczynają pojawiać się trwałe odkształcenia plastyczne, których dalsze narastanie pod wpływem przyłożonej siły prowadzi do zerwania. W przypadku próbek kruchych do zerwania dochodzi znacznie szybciej.

138

Rys. 65. Krzywa naprężenie (σ) – odkształcenie (ε) oraz wytrzymałość na rozciąganie (R_m), moduł Young’a (E) oraz maksymalna siła rozciągająca (F_max) dla POM_H oraz kompozytów

POM_H/HAp-g-PEG 600, 2000 i 6000

Zmiany we właściwościach mechanicznych POM jakie wywołuje obecność dodatku HAp-g-PEG są spowodowane wpływem dodatku na procesy krystalizacji POM. Wynika to z faktu, iż obecny w polimerze dodatek zaburza proces jego krystalizacji zachodzącej podczas ochładzania stopu polimerowego. Zmianie ulega stopień krystaliczności POM, ale także sposób krystalizacji, morfologia, wielkość oraz jakość powstających form krystalicznych POM.

Rozkład twardości POM na powierzchni wiosełek otrzymanych metodą wtrysku oraz zmiany twardości próbek POM oraz kompozytów POM/HAp-g-PEG badano za pomocą twardościomierza kulkowego. Wyniki zestawiono na Rys. 66 oraz 67. Dla każdego z badanych materiałów dokonano pomiaru sześciu wgłębień na górnej oraz sześciu wgłębień na dolnej powierzchni wiosełka. Z rozkładu twardości na powierzchni wiosełek niemodyfikowanego POM (Rys. 66) wynika, że spodnia część wiosełka, zarówno dla POM_H i POM_C, charakteryzowała się zbliżonymi wartościami twardości na całej jego długości, natomiast na górnej części wiosełka twardość rosła w kierunku środka wiosełka. Podobną zależność obserwowano dla próbek zawierających dodatek HAp-g-PEG.

Efekt ten jest najprawdopodobniej związany z różnicami w stopniu uporządkowania łańcuchów POM w różnych częściach wiosełka podczas zestalania stopionego polimeru w trakcie jego przetwórstwa. Wraz ze wzrostem stopnia uporządkowania łańcuchów polimerowych, wzrasta jego gęstość, a tym samym twardość polimeru (211). Na stopień uporządkowania polimeru wpływa m.in.

139 czas w jakim polimer ulega zestaleniu, im gwałtowniejsze chłodzenie tym mniej uporządkowana morfologia materiału, co wskazuje na zestalanie wiosełek od końców do wnętrza.

Rys. 66. Rozkład twardości Brinell’a w zależności od położenia punktów pomiarowych na powierzchni wiosełka POM_C i POM_H

Wyniki przeprowadzonych pomiarów wskazują na znaczącą różnicę twardości niemodyfikowanego POM_C (89±4 HB) oraz POM_H (105±4 HB) związaną z różnicą w budowie i stopniu uporządkowania makrołańcuchów (212). W POM_C dodatek HAp-g-PEG nie spowodował większych różnic w twardości badanych materiałów. Dla kompozytów zawierających wyższe stężenie dodatku twardość badanych materiałów uległa nieznacznemu wzrostowi, co można wiązać ze zwiększeniem ilości ceramiki w kompozycie. Próbki POM_H, dla większych stężeń HAp-g-PEG, powyżej 1,0% wykazywały niższą twardość, zwłaszcza dla dodatku HAp-g-PEG 600, co może być związane z częściową degradacją POM_H, podczas przetwórstwa kompozytów oraz niekorzystnym wpływem HAp-g-PEG na procesy krystalizacji POM. W pozostałych przypadkach, nie ma widocznych różnic oraz trendów w zależności od zastosowanego rodzaju dodatku HAp-g-PEG. Nie odnotowano znacząco zwiększonych wartości słupków błędów w pomiarach badanych kompozytów w porównaniu do czystych polimerów, co wskazuje na dużą jednorodność próbek i dobry stopień zdyspergowania dodatku w osnowie polimerowej.

140

Rys. 67. Twardość Brinell’a dla POM_C oraz POM_H i ich kompozytów z HAp-g-PEG 600, z HAp-g-PEG 2000, HAp-g-PEG 6000