اثر افزودنی بر تست کشش

اثر افزودنی بر تست کشش

آشنایی با آزمون کشش – عوامل مؤثر بر استحکام کششی

مقدمه

در مقاله گذشته، اهمیت نمودار های تنش-کرنش به طور کلی مورد بررسی قرار گرفت. در این مقاله بیش تر به عوامل موثر بر استحکام کششی پرداخته می ­شود.

همان گونه که پیش تر ذکر شد، استحکام کششی یکی از مهم ترین خواص مکانیکی پلیمرها است. استحکام کششی به میزان زیادی به کیفیت و خواص مورد انتظار نمونه پلیمری تولید شده کمک می کند. استحکام مواد به عوامل مختلفی بستگی دارد. در این جا عواملی که باعث افزایش یا کاهش استحکام کششی می­ شود، را بررسی می کنیم.

ساختار شیمیایی

ساختار شیمیایی مواد اثر بسیار زیادی روی استحکام کششی دارد. ساختار شیمیایی باعث تشکیل نیروهای بین مولکولی متفاوت در ماده می شود. نیروهای مولکولی هم عامل تشکیل پیوندهای مولکولی مختلف مواد با یکدیگرند؛ بنابراین هر زمان که تغییری در ساختار شیمیایی مواد شکل بگیرد، استحکام کششی به کلی دچار تغییر می ­شود.
واضح است که پلیمرهای مختلفی که دارای مونومرهایی با ساختار مولکولی متفاوت هستند، نتایج متفاوتی در نمودار تنش-کرنش می­ دهند.

نمودار تنش کرنش
شکل ۱- نمودار تنش کرنش پلیمرهای مختلف

همان گونه که در نمودار مشاهده می شود، پلیمر ها با ساختار شیمیایی مختلف رفتار های متفاوتی دارند. برای مثال پلی متیل متاکریلات (PMMA) دارای استحکام کششی بالا و کرنش پایین است ولی رفتار پلی اتیلن به مواد الاستومر نزدیک تر است. هم چنین از این نمودار استنتاج می شود که LDPE رفتار الاستومری تری نسبت به HDPE دارد؛ گرچه هیچ کدام از پلیمر های فوق، کاملاً الاستومر نیستند.

نمونه ای از کاربردهای PMMA
شکل ۲- نمونه ای از کاربرد PMMA

دما

دمایی که آزمون کشش در آن انجام می پذیرد، عامل بسیار مؤثری در رفتار تنش – کرنش پلیمرها است. معمولاً با افزایش دما، استحکام کششی و الاستیسیته مواد (مخصوصاً فلزات) شروع به کم شدن می ­کند. هم چنین خاصیت چکش خواری و انعطاف پذیری مواد با افزایش دما زیاد می­ شود. این پدیده به تغییرات در ساختار مولکولی پلیمرها با تغییرات دمایی مرتبط می­ شود.
برای بررسی جزیی تر این مفهوم، بهتر است به تعریف و تبیین یک مفهوم جدید به نام “دمای انتقال شیشه ای” پرداخته شود.

مشاهده می ­شود یک سطل پلاستیکی یا هر شیء پلاستیکی دیگر، در زمستان راحت تر از فصل تابستان شکسته می­ شود. این تجربه مربوط به پدیده انتقال شیشه ای یا glass transition است. پدیدۀ یاد شده تنها برای پلیمرها رخ می­ دهد و یکی از مواردی است که پلیمرها را منحصر به فرد می نماید. در این پدیده، دمایی (این دما برای هر پلیمر، متفاوت است) به نام دمای انتقال شیشه ای یا glass transition temperature وجود دارد که به اختصار با Tg نشان داده می شود. هرگاه پلیمری تا دمایی کم تر از دمای مذکور سرد شود، مثل شیشه، سخت و شکننده می شود. پلاستیک های سختی مثل پلی استایرن و پلی متیل متاکریلات، Tg بسیار بالاتری از دمای اتاق دارند (در حدود °C100)؛ پس در دمای محیط، در حالت شیشه ای (glassy state) قرار دارند. الاستومرهای لاستیکی (rubber elastomers) مثل پلی ­ایزوپرن و پلی­ ایزوبوتیلن، در مقایسه با دمای محیط، Tg پایینی دارند به طوری که در دمای اتاق در حالت لاستیکی (rubbery) یعنی به صورت نرم و انعطاف پذیرند.

به عنوان نمونه برای بررسی تأثیر دما بر استحکام کششی، پلی متیل متاکریلات در نمودار زیر بررسی می­ گردد. هرچه قدر دما افزایش پیدا کند، PMMA انرژی گرمایی لازم را برای برخی تحرکات زنجیره ای به دست می­آورد.  Tg این پلیمر، بسته به  جهت گیری فضایی مونومرها (tacticity) از ۴۵°C تا ۱۳۰°C متغیر است. در نمودار زیر، این ماده، Tg در حدود ۵۰ تا ۶۰ درجه سانتیگراد دارد.

تاثیر دما بر آزمون کشش
شکل ۳- تأثیر دما بر استحکام کششی پلیمرها

در نمودار بالا دیده می ­شود که پلیمر در دما های مختلف، رفتار متفاوتی از خود نشان می­ دهد. برای مثال در ۴°C ترد، در دماهای حدود ۲۰°C-50°C در محدوده نیمه چکش خوار و چکش خوار و در دمای ۶۰°C رفتاری شبه الاستومر دارد.

افزودنی ها

ابتدا باید به این سوال پاسخ داد که افزودنی ها (additives) چه موادی هستند؟

بیش تر مواد پلیمری به طور خالص از یک پلیمر ساخته نشده اند؛ بلکه یک سری ترکیبات شیمیایی و معدنی به جهت بهبود رفتار فیزیکی، بیولوژیکی و شیمیایی، به آن ها افزوده می ­شود. این مواد شیمیایی افزوده شده یا افزودنی ها عموماً با هدف اصلاح خواص، کمک به پیشرفت فرایند و افزودن خواصی جدید به ماده استفاده می­ شوند. انواع رایج تر افزودنی ها عبارتند از: پرکننده ها (fillers)، تقویت کننده ها (reinforcements)، روان کننده ها (plasticizers)، آنتی اکسیدانت ها (antioxidant)  و…
در اینجا به عنوان نمونه به تأثیر پرکننده ها می پردازیم .طبق استاندارد ASTM D883 پرکننده به ماده ای گفته می شود که جهت کاهش هزینه ها یا اصلاح استحکام، دوام و سایر خواص افزوده می شود.

در نمودار زیر، استحکام کششی اپوکسی خالص و ترکیبات اپوکسی حاوی سیلیس مقایسه می ­شود.

اثر فیلر بر نمودار تنش کرنش
شکل ۴- تأثیر افزودنی ها بر نمودار تنش کرنش پلیمرها

در شکل بالا، اپوکسی خالص با پرکننده های مختلف (شکل سمت چپ) و استحکام کششی و مدول اپوکسی با تغییر درصد وزنی پرکننده SiO2-GO (شکل سمت راست) بررسی شده است. همان طور که در شکل سمت راست دیده می شود، در ابتدا افزایش درصد وزنی SiO2-GO باعث افزایش استحکام کششی می شود تا به یک حد بهینه می رسد و پس از آن، استحکام کششی کاهش می یابد. در ابتدا که درصد وزنی پرکننده کم است، افزودن پرکننده باعث افزایش استحکام کششی می شود. اما بعد از یک درصد وزنی بهینه، افزودن پرکننده تنها مانعی برای منظم شدن ساختار زنجیره ها در هنگام کشش و درنتیجه باعث کاهش استحکام کششی می شود. در مورد پرکننده SiO2-GO موجود در اپوکسی، این درصد وزنی بهینه برابر ۱۰% است. این در حالی است که مدول کششی با افزایش میزان پر کننده بهبود می یابد.
هم چنین تأثیر الیاف شیشه ای (glass fiber) به عنوان نوع رایج از تقویت کننده ها به نام روی استحکام کششی پلیمرهای مختلف در جدول زیر مورد بررسی قرار گرفته است.

جدول ۱- تاثیر افزودنی تقویت کننده الیاف شیشه ای بر استحکام کششی مواد

تاثیر افزودنی ها بر خواص کششی پلیمرها

در این جدول مشاهده می ­شود که افزودن الیاف شیشه به مواد پلیمری مختلف، تا چه اندازه روی استحکام کششی، درصد کرنش و مدول اثر می­ گذارد. مثلا ABS خالص استحکام کششی ۴۰MPa دارد ولی پس از افزودن ۳۰% الیاف شیشه ای، استحکام کششی آن تا ۶۰MPa افزایش پیدا می کند (تا ۵۰% افزایش).علاوه بر این، از روی داده های جدول بالا، به تأثیر آلیاژسازی هم می توان پی برد. دیده می شود که استحکام کششی پلی ایمید خالص و آلیاژ پلی آمید و پلی ایمید به ترتیب ۸۵MPa و ۱۱۰MPa است. نمودار زیر، به طور اختصاصی تأثیر الیاف شیشه ای روی پلی پروپیلن بررسی می شود.

تاثیر الیاف شیشه بر نمودار تنش کرنش PP
شکل ۵- منحنی های تنش-کرنش پلی پروپیلن خالص، پروپیلن با مقادیر مختلف الیاف شیشه و RPP) Recycled Polypropylene)

در نمودار بالا منظور از RPP) Recycled Polypropylene) پلی پروپیلن بازیافتی است. همان گونه که در نمودار فوق مشاهده می شود با افزایش میزان الیاف شیشه، نمودار تنش کرنش پلیمر تغییر کرده و به سمت کرنش و استحکام کششی بالاتر جابجا می شود.

سرعت کشش

سرعت کشش و نرخ کرنش، از مهم ترین عوامل مؤثر است. در سرعت های بالاتر کشش، ماده، مستحکم تر و سفت تر(stiff) به نظر می­ آید.
برای پلیمرهای ترموپلاستیک و الاستومر که ممکن است بیش تر از ۱۰۰% کرنش داشته باشند، معمولاً بازه سرعت کشش اعمال شده در حدود ۲-۲۰mm/min است.

تاثیر سرعت کشش بر استحکام کششی
شکل ۶- نمودار تأثیر سرعت کشش بر استحکام کششی

مشاهده می شود که هرچه سرعت کشش از V1 به سمت V4 می رود، ماده پلیمری رفتاری تردتر و شکننده تر از خود نشان می دهد.

رطوبت

هنگامی که پلیمری در معرض رطوبت قرار می ­گیرد، بسته به ماهیت پلیمر، می­ تواند رطوبت جذب کند. رطوبت اثر نرم کنندگی دارد؛ از این رو استحکام را کم و کرنش را زیاد می­ کند.

در نمودار زیر، تأثیر رطوبت برروی استحکام کششی و کرنش پلی آمید یا  PA مورد بررسی قرار می­ گیرد.

اثر رطوبت بر خواص استحکام کششی پلیمرها
شکل ۷- اثر رطوبت بر خواص استحکام کششی پلیمرها

از نمودار می توان نتیجه گرفت که هرچه رطوبت جذب شده توسط پلی آمید بیش تر باشد، ماده نرم تر و به مواد الاستومر نزدیک تر است.

درجه بلورینگی

پلیمرها به لحاظ مورفولوژی به دو شکل کریستال و آمورف تقسیم می­ شوند. به طور خلاصه می­ توان گفت بلور یا کریستال به پلیمری اطلاق می­ شود که مولکول های آن به صورت منظم کنار یکدیگر قرار گرفته اند و این ساختار منظم در نواحی دیگر تکرار می­ شود. این نواحی منظم به ساختار کریستالی معروف هستند.

شماتیکی از ساختار کریستالی
شکل ۸- شماتیکی از ساختار کریستالی

شکل دیگر پلیمرها، پلیمرهای آمورف هستند. در این حالت مولکول های پلیمری به صورت تصادفی به یکدیگر گره خورده اند که می ­توان آن را به ظرف ماکارونی تشبیه کرد.

شکل9: شمایی از یک پلیمر آمورف
شکل ۹- شمایی از یک پلیمر آمورف

اگرچه هیچ پلیمری به طور کامل کریستال نیست (به دلیل وجود نواحی آمورف)، اما بسیاری از پلیمرها هستند که دارای نواحی کریستالی زیادی هستند. به این پلیمرها، پلیمرهای شبه کریستالی (semi-crystalline) می گویند.

شمایی از یک پلیمر شبه کریستال
شکل ۱۰- شمایی از یک پلیمر شبه کریستال

برای تعیین میزان کریستال بودن یک پلیمر از پارامتری به نام درجه بلورینگی استفاده می ­کنند. درجه بلورینگی، درصد جرمی یا حجمی نواحی کریستال در پلیمر را نشان می ­دهد.

ارتباط درجه بلورینگی برحسب وزن مولکولی پلی اتیلن
شکل ۱۱- ارتباط درجه بلورینگی برحسب وزن مولکولی پلی اتیلن

نمودار فوق، حالت فیزیکی پلی اتیلن را در درجه های بلورینگی و وزن های مولکولی مختلف نشان می ­دهد. همان گونه که مشاهده می­ شود، هرچه ماده به سمت درجه بلورینگی بیش تر حرکت کند، حالتی سخت تر و شکننده تر به خود می­ گیرد. در موارد قبلی به مقایسه استحکام کششی مواد در حالات فیزیکی مختلف (شکننده، نیمه چکش خوار، چکش خوار و الاستومر) پرداخته شد.

موارد ذکرشده، از مهم­ ترین عوامل مؤثر بر استحکام کششی بودند. از دیگر عوامل تأثیرگذار می­ توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • شکل هندسی نمونه تحت کشش
  • شرایط سطح نمونه
  • کشش در نمونه به دلیل نیروهای خارجی
  • طول و سطح مقطع نمونه
  • لغزش فک دستگاه آزمون کشش

گرد آورنده:

حسین چیانی

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *