آشنایی با آزمون کشش پلیمرها (بخش دوم/عوامل مؤثر بر استحکام کششی)
مقدمه
در مقاله گذشته، اهمیت نمودارهای تنش-کرنش بهطور کلی مورد بررسی قرار گرفت. در این مقاله بیشتر به عوامل مؤثر بر استحکام کششی پرداخته میشود.
همانگونه که پیشتر ذکر شد، استحکام کششی یکی از مهمترین خواص مکانیکی پلیمرها است. استحکام کششی بهمیزان زیادی به کیفیت و خواص مورد انتظار نمونه پلیمری تولیدشده کمک میکند. استحکام مواد به عوامل مختلفی بستگی دارد. در این جا عواملی که باعث افزایش یا کاهش استحکام کششی میشود را بررسی میکنیم.
ساختار شیمیایی
ساختار شیمیایی مواد اثر بسیار زیادی روی استحکام کششی دارد. ساختار شیمیایی باعث تشکیل نیروهای بین مولکولی متفاوت در ماده میشود. نیروهای مولکولی هم عامل تشکیل پیوندهای مولکولی مختلف مواد با یکدیگرند؛ بنابراین هر زمان که تغییری در ساختار شیمیایی مواد شکل بگیرد، استحکام کششی بهکلی دچار تغییر می شود. واضح است که پلیمرهای مختلفی که دارای مونومرهایی با ساختار مولکولی متفاوت هستند، نتایج متفاوتی در نمودار تنش-کرنش میدهند.
همان گونه که در نمودار مشاهده میشود، پلیمرهای با ساختار شیمیایی مختلف رفتارهای متفاوتی دارند. برای مثال پلیمتیل متاکریلات (PMMA) دارای استحکام کششی بالا و کرنش پایین است، ولی رفتار پلیاتیلن به مواد الاستومر نزدیکتر است. همچنین از این نمودار استنتاج میشود که LDPE رفتار الاستومریتری نسبت به HDPE دارد؛ گرچه هیچ کدام از پلیمرهای فوق، کاملاً الاستومر نیستند.
عوامل مؤثر بر استحکام کششی
دما
دمایی که آزمون کشش در آن انجام میپذیرد، عامل بسیار مؤثری در رفتار تنش–کرنش پلیمرها است. معمولاً با افزایش دما، استحکام کششی و الاستیسیته مواد (مخصوصاً فلزات) شروع به کم شدن میکند. همچنین خاصیت چکشخواری و انعطافپذیری مواد با افزایش دما زیاد میشود. این پدیده به تغییرات در ساختار مولکولی پلیمرها با تغییرات دمایی مرتبط میشود. برای بررسی جزییتر این مفهوم، بهتر است به تعریف و تبیین یک مفهوم جدید بهنام “دمای انتقال شیشهای” پرداخته شود.
مشاهده می شود که یک سطل پلاستیکی یا هر شی پلاستیکی دیگر، در زمستان راحتتر از فصل تابستان شکسته میشود. این تجربه مربوط به پدیده انتقال شیشهای یا glass transition است. پدیده یادشده تنها برای پلیمرها رخ میدهد و یکی از مواردی است که پلیمرها را منحصربفرد مینماید. در این پدیده، دمایی (این دما برای هر پلیمر، متفاوت است) به نام دمای انتقال شیشهای یا glass transition temperature وجود دارد که بهاختصار با Tg نشان داده میشود. هرگاه پلیمری تا دمایی کمتر از دمای مذکور سرد شود، مثل شیشه، سخت و شکننده میشود. پلاستیک های سختی مثل پلیاستایرن و پلیمتیل متاکریلات، Tg بسیار بالاتری از دمای اتاق دارند (در حدود 100 C°)؛ پس در دمای محیط، در حالت شیشهای (glassy state) قرار دارند. الاستومرهای لاستیکی (rubber elastomers) مثل پلیایزوپرن و پلیایزوبوتیلن، در مقایسه با دمای محیط، Tg پایینی دارند، بهطوری که در دمای اتاق، در حالت لاستیکی (rubbery)، یعنی بهصورت نرم و انعطافپذیرند.
به عنوان نمونه برای بررسی تأثیر دما بر استحکام کششی، پلیمتیل متاکریلات در نمودار زیر بررسی میگردد. هرچقدر دما افزایش پیدا کند، PMMA انرژی گرمایی لازم را برای برخی تحرکات زنجیرهای بهدست میآورد. Tg این پلیمر، بسته به جهتگیری فضایی مونومرها (tacticity) از 45 C° تا 130 C° متغیر است. در نمودار زیر، این ماده، Tg در حدود 50 تا 60 درجه سانتیگراد دارد.
در نمودار بالا دیده میشود که پلیمر در دماهای مختلف، رفتار متفاوتی از خود نشان میدهد. برای مثال در 4 C° ترد، در دماهای حدود 50-20 C° در محدوده نیمه چکشخوار و چکشخوار و در دمای 60 C° رفتاری شبه الاستومر دارد.
افزودنیها
ابتدا باید به این سؤال پاسخ داد که افزودنیها (additives) چه موادی هستند؟
بیشتر مواد پلیمری بهطور خالص از یک پلیمر ساخته نشدهاند؛ بلکه یک سری ترکیبات شیمیایی و معدنی بهجهت بهبود رفتار فیزیکی، بیولوژیکی و شیمیایی، به آنها افزوده میشود. این مواد شیمیایی افزودهشده یا افزودنیها، عموماً با هدف اصلاح خواص، کمک به پیشرفت فرآیند و افزودن خواصی جدید به ماده استفاده میشوند. انواع رایجتر افزودنیها عبارتند از پرکنندهها (fillers)، تقویتکنندهها (reinforcements)، روانکنندهها (plasticizers)، آنتی اکسیدانتها (antioxidant) و…
در اینجا بهعنوان نمونه به تأثیر پرکنندهها میپردازیم. طبق استاندارد ASTM D883، پرکننده به مادهای گفته میشود که جهت کاهش هزینهها یا اصلاح استحکام، دوام و سایر خواص افزوده میشود. در نمودار زیر، استحکام کششی اپوکسی خالص و ترکیبات اپوکسی حاوی سیلیس مقایسه میشود.
در شکل بالا، اپوکسی خالص با پرکنندههای مختلف (شکل سمت چپ) و استحکام کششی و مدول اپوکسی با تغییر درصد وزنی پرکننده SiO2-GO (شکل سمت راست) بررسی شده است. همانطور که در شکل سمت راست دیده میشود، در ابتدا افزایش درصد وزنی SiO2-GO باعث افزایش استحکام کششی میشود تا به یک حد بهینه برسد و پس از آن، استحکام کششی کاهش مییابد. در ابتدا که درصد وزنی پرکننده کم است، افزودن پرکننده باعث افزایش استحکام کششی میشود، اما بعد از یک درصد وزنی بهینه، افزودن پرکننده تنها مانعی برای منظم شدن ساختار زنجیرهها در هنگام کشش و درنتیجه باعث کاهش استحکام کششی میشود. در مورد پرکننده SiO2-GO موجود در اپوکسی، این درصد وزنی بهینه برابر 10% است. این در حالی است که مدول کششی با افزایش میزان پرکننده بهبود مییابد.
همچنین تأثیر الیاف شیشهای (glass fiber) بهعنوان نوع رایج از تقویتکنندهها بر روی استحکام کششی پلیمرهای مختلف در جدول زیر مورد بررسی قرار گرفته است.
جدول 1. تأثیر افزودنی تقویتکننده الیاف شیشهای بر استحکام کششی مواد
در این جدول مشاهده میشود که افزودن الیاف شیشه به مواد پلیمری مختلف، تا چه اندازه روی استحکام کششی، درصد کرنش و مدول اثر میگذارد. مثلاً ABS خالص استحکام کششی 40MPa دارد، ولی پس از افزودن 30% الیاف شیشهای، استحکام کششی آن تا 60MPa افزایش پیدا میکند (تا 50% افزایش). علاوه بر این، از روی دادههای جدول بالا، میتوان به تأثیر آلیاژسازی هم پیبرد. دیده میشود که استحکام کششی پلیایمید خالص و آلیاژ پلیآمید و پلیایمید، بهترتیب 85MPa و 110MPa است. در نمودار زیر، به تأثیر الیاف شیشهای روی پلیپروپیلن بهطور اختصاصی بررسی میشود.
در نمودار بالا منظور از RPP) Recycled Polypropylene)، پلیپروپیلن بازیافتی است. همانگونه که در نمودار فوق مشاهده میشود، با افزایش میزان الیاف شیشه، نمودار تنش-کرنش پلیمر تغییر کرده و بهسمت کرنش و استحکام کششی بالاتر جابجا میشود.
سرعت کشش
سرعت کشش و نرخ کرنش، از مهمترین عوامل مؤثر است. در سرعتهای بالاتر کشش، ماده، مستحکمتر و سفتتر (stiff) بهنظر میآید. برای پلیمرهای ترموپلاستیک و الاستومر که ممکن است بیشتر از 100% کرنش داشته باشند، معمولاً بازه سرعت کشش اعمالشده در حدود 20-2 mm/min است.
مشاهده میشود که هرچه سرعت کشش از V1 بهسمت V4 میرود، ماده پلیمری رفتاری تردتر و شکنندهتر از خود نشان میدهد.
رطوبت
هنگامی که پلیمری در معرض رطوبت قرار میگیرد، بسته به ماهیت خود، میتواند رطوبت جذب کند. رطوبت اثر نرمکنندگی دارد؛ از این رو استحکام را کم و کرنش را زیاد میکند. در نمودار زیر، تأثیر رطوبت بر روی استحکام کششی و کرنش پلیآمید یا PA مورد بررسی قرار می گیرد.
از نمودار میتوان نتیجه گرفت که هرچه رطوبت جذبشده توسط پلیآمید بیشتر باشد، ماده نرمتر و به مواد الاستومر نزدیکتر است.
درجه بلورینگی
پلیمرها بهلحاظ مورفولوژی به دو شکل کریستال و آمورف تقسیم میشوند. بهطور خلاصه میتوان گفت بلور یا کریستال به پلیمری اطلاق میشود که مولکولهای آن بهصورت منظم کنار یکدیگر قرار گرفتهاند و این ساختار منظم در نواحی دیگر تکرار میشود. این نواحی منظم به ساختار کریستالی معروف هستند.
شکل دیگر پلیمرها، پلیمرهای آمورف هستند. در این حالت مولکولهای پلیمری بهصورت تصادفی به یکدیگر گره خوردهاند که میتوان آن را به ظرف ماکارونی تشبیه کرد.
اگرچه هیچ پلیمری بهطور کامل کریستال نیست (بهدلیل وجود نواحی آمورف)، اما بسیاری از پلیمرها هستند که دارای نواحی کریستالی زیادی هستند. به این پلیمرها، پلیمرهای شبه کریستالی (semi-crystalline) میگویند.
برای تعیین میزان کریستال بودن یک پلیمر از پارامتری بهنام درجه بلورینگی استفاده میکنند. درجه بلورینگی، درصد جرمی یا حجمی نواحی کریستال در پلیمر را نشان میدهد.
نمودار فوق، حالت فیزیکی پلیاتیلن را در درجههای بلورینگی و وزنهای مولکولی مختلف نشان می دهد. همانگونه که مشاهده میشود، هرچه ماده بهسمت درجه بلورینگی بیشتر حرکت کند، حالتی سختتر و شکنندهتر به خود میگیرد. در موارد قبلی به مقایسه استحکام کششی مواد در حالات فیزیکی مختلف (شکننده، نیمه چکشخوار، چکشخوار و الاستومر) پرداخته شد.
موارد ذکرشده، از مهمترین عوامل مؤثر بر استحکام کششی بودند. از دیگر عوامل تأثیرگذار میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- شکل هندسی نمونه تحت کشش
- شرایط سطح نمونه
- کشش در نمونه بهدلیل نیروهای خارجی
- طول و سطح مقطع نمونه
- لغزش فک دستگاه آزمون کشش
گرد آورنده: حسین چیانی