سختی پلیمرها
عوامل مؤثر بر سختی پلیمرها
مقدمه
عوامل مؤثر بر سختی مواد بر اساس ویژگی های داخلی، فرآیندی و افزودنی آن ها دسته بندی می شوند. در این دسته بندی عوامل تأثیرگذاری مانند ساختار شیمیایی، اختلاط، بلورینگی، دما، رطوبت، افزودنی ها (مانند پرکننده ها)، تقویت کننده ها، آنتی اکسیدان ها و نرم کننده ها جای می گیرند. در ادامه مهم ترین عوامل مؤثر بر سختی مواد را بررسی می کنیم.
1) ساختار شیمیایی
مهم ترین عامل مؤثر بر سختی یک ماده نوع ساختار شیمیایی و نوع پیوند های بین مولکولی آن است. در جدول 1 سختی برخی پلیمر ها بر اساس آزمون Shore D آورده شده که با توجه به تفاوت در ساختار شیمیایی آن ها، سختی آن ها نیز متفاوت است.
جدول 1- سختی مواد پلیمری بر اساس تفاوت ساختار شیمیایی آن ها
| نام پلیمر | حداقل مقدار Shore D | حداکثر مقدار Shore D |
| ABS | 100 | 100 |
| EVA | 15 | 45 |
| HDPE | 60 | 70 |
| LDPE | 40 | 50 |
| PA 66 | 80 | 95 |
| PET | 85 | 95 |
| PMMA | 90 | 99 |
| PVC | 15 | 70 |
2) مخلوط ها
در سال های اخیر مخلوط کردن پلیمرها روشی اساسی برای بهبود خواص پلیمرها به شمار می رود و تحقیقات بسیاری در این زمینه صورت گرفته است. در این بخش چگونگی تأثیر مخلوط مواد و پلیمرها بر سختی یک مخلوط را بررسی می کنیم.
برای این کار در آزمایشی دو پلیمر HDPE و LDPE به صورت خالص و یک دیگر ترکیب شده و شش نمونه از این مخلوط تهیه و بررسی شد که نتایج آن در جدول 2 و شکل 1 مشاهده می شود. سختی این نمونه ها به روش Shore D طبق استاندارد ISO 868 اندازه گیری شده است.
جدول 2- اثر اختلاط دو پلیمر HDPE و LDPE بر سختی
| نمونه | HDPE, % | LDPE, % | سختی |
| HDPE | 100 | 0 | 91 |
| مخلوط 1 | 80 | 20 | 85 |
| مخلوط 2 | 60 | 40 | 83/3 |
| مخلوط 3 | 40 | 60 | 81/9 |
| مخلوط 4 | 20 | 80 | 80 |
| LDPE | 0 | 100 | 72 |
شکل 1– مقایسه اثر اختلاط HDPE و LDPE بر سختی
با توجه به نتایج واضح است که HDPE بیش ترین و LDPE کم ترین سختی را دارد. این تفاوت سختی در HDPE و LDPE به دلیل درجه بلورینگی بالاتر و ساختار منظم تر HDPE است. با مخلوط کردن این دو پلیمر سختی مخلوط آن نیز بین سختی HDPE و LDPE است.
3) درجه بلورینگی
کریستالینیتی یا بلورینگی در پلیمر، نشانگر ساختار منظم مولکول های پلیمر در کنار یک دیگر است. با توجه به این که هیچ پلیمری به طور کامل کریستالی نیست و نواحی آمورف دارد، دو مفهوم پلیمرهای شبه کریستال و درجه بلورینگی (شکل 2) تعریف می شود. سختی یک پلیمر ارتباط مستقیمی با درجه بلورینگی یا میزان کریستال بودن آن پلیمر دارد، به گونه ایی که هرچه درجه بلورینگی افزایش یابد سختی نیز افزایش پیدا می کند. همان گونه که در شکل 3 مشاهده می شود معمولاً پلیمرها با افزایش درجه بلورینگی سخت تر می شوند.
شکل2– شماتیک ساختار یک پلیمر شبه کریستال که شامل مناطق کریستال و آمورف است.
شکل 3– نمودار درجه بلورینگی بر حسب وزن مولکولی که نشانگر افزایش سختی مواد با افزایش درجه بلورینگی است.
4) افزودنی ها
افزودنی ها ترکیبات شیمیایی و معدنی هستند که جهت بهینه سازی و بهبود خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی پلیمرها به آن ها اضافه می شوند. رایج ترین این افزودنی ها، پرکننده ها، تقویت کننده ها، نرم کننده ها و آنتی اکسیدانت ها هستند.
در مقاله ی بعد به طور جداگانه اثر افزودنی ها را بررسی خواهیم کرد.
جدول 3– اثر افزودن پر کننده ها بر سختی پلیمر ها
| پرکننده / پلیمر | حدود غلظت (درصد وزنی) | افزایش (+) یا کاهش (-) سختی |
| الیاف آرامید / TPU | 3-10 phr | +3 تا +8 |
| کربنات کلسیم / EVA | 5-45 phr | +15 تا +135 |
| کائولن / پلی یورتان | 3-10 phr | +17 تا +37 |
| نیکل / TPE | 0/5 تا 10 phr | -4 تا +4 |
| سیلیکا / رزین اپوکسی | 1 تا 5 phr | +3 تا +19 |
| پودر روی / PA6 | 5 تا 45 phr | +7 تا +14 |
منابع:
1. Tanrattanakul, V; Bunchuay, A, J. Appl. Polym. Sci., 105, 2036-45, 2007
2. Pinto, G; Maidana, M B, J. Appl. Polym. Sci., 82, 1449-54, 2001
3. Anour Shebani, Abdalah Klash, The Influence of LDPE Content on the Mechanical Properties of HDPE/LDPE Blends
4. .TECHNICAL WHITEPAPER Low Temperature Properties of Polymers, ©2005 Zeus Industrial Products, Inc
5. http://www.qualitysmart.co.uk
گردآورنده:
علی باقری
