آزمون سختی پلیمرها

مقدمه

    اندازه‌گیری سختی یکی از اصلی‌ترین و رایج‌ترین آزمون‌های فیزیکی و مکانیکی مواد است. سختی به‌عنوان مقاومت یک ماده در برابر نفوذ و فرورفتگی ناشی از یک جسم صلب سخت‌تر از آن و یا به‌عبارت دیگر، مقاومت در برابر ایجاد دندانه دائمی در سطح ماده و تغییر شکل سطح تعریف می‌شود.

    با توجه به تعریف سختی، آزمون‌های استانداردی برای سنجش این خاصیت تعریف شده‌اند. مطابق شکل 1، در این آزمون‌ها یک جسم نفوذکننده سخت به سطح نمونه مورد آزمایش فشار داده می‌شود. با اعمال فشار، یک تنش سه‌جهتی (کششی، فشاری و برشی) ایجاد و سبب تغییر شکل در سطح نمونه می‌شود. این آزمون به‌دلیل سادگی، بسیار رایج و مورد استفاده است. به‌دلیل غیرمخرب بودن این آزمون‌ها برای نمونه، امکان اندازه‌گیری سختی اجزای کوچک و لایه‌های نازک فراهم می‌شود. در شکل 2 یک تجهیز آزمون قابل مشاهده است.

شکل 1. نمایش طرح آزمون سختی

شکل 2. دستگاه دیجیتال آزمون سختی

انواع آزمون‌های استاندارد سختی

    انواع مختلف آزمون‌های سختی، براساس متفاوت بودن هندسه شکل فشاردهنده (indenter) است. رایج‌ترین آنها شامل 1- آزمون سختی برینل (Brinell) (کره)، 2- آزمون سختی راکول (Rockwell) (مخروط و کره) و 3- آزمون سختی Shore Durometer می‌شود. در این بین آزمون سختی Shore Durometer محبوبیت بیش‌تری دارد که در ادامه به‌صورت جامع به آن پرداخته خواهد شد.

1) آزمون سختی برینل (Brinell)

    آزمون سختی برینل شامل یک جسم نفوذکننده با قطر 10 میلیمتر (به‌شکل کره) از جنس استیل و یا کاربید (شکل 3) است که تا بار معادل 3000 کیلوگرم می‌تواند به نمونه ماده مورد نظر وارد کند. برای مواد نرم‌تر، این بار به 1500 و 500 کیلوگرم کاهش پیدا می‌کند. نمونه مورد نظر 10 تا 30 ثانیه تحت بار نفوذکننده قرار می‌گیرد. این آزمون طبق استاندارد ISO 6506 و BS 240:1986 رده‌بندی می‌شود. عدد سختی برینل از معادله زیر محاسبه می‌شود که در آن HB، عدد سختی برینل، F، بار وارده به کیلوگرم، D، قطر کره نفوذ‌کننده به میلی‌متر و d، قطر دندانه ایجادشده بر اثر فرورفتگی است.

شکل 3. نمایش طرح آزمون سختی برینل

    برای مثال نتایج حاصل از آزمون سختی برینل بر روی یک ماده، به‌صورت “75 HB 10/500/30” است که به‌معنای عدد سختی برینل 75 در کره نفوذکننده با قطر 10 میلی‌متر و بار واردشده 500 کیلوگرم در 30 ثانیه است.

2) آزمون سختی راکول (Rockwell)

    آزمون سختی راکول شامل نفوذکننده مخروطی شکل از جنس الماس یا استیل است. ابتدا نیروی اولیه  ̥F به‌وسیله نفوذکننده به مدت 10 ثانیه اعمال شده و به‌میزان h₁ نفوذ می‌کند، سپس نیروی F₁ به‌مدت 15 ثانیه اعمال شده و به‌میزان h₂ نفوذ می‌کند. مقدار سختی راکول مطابق شکل 4 محاسبه می‌شود. استاندارد این آزمون سختی، ISO2039-2 است. این آزمون عمدتاً برای پلاستیک‌های سخت که در آنها کشسانی یا خزش پلیمر، اثر کمی بر نتیجه آزمون دارد، نظیر پلی‌کربنات، نایلون، پلی‌استایرن و استال استفاده می‌شود.

شکل 4. طرح و محاسبه آزمون سختی راکول

3) آزمون سختی Shore Durometer

    شاید محبوب‌ترین و رایج‌ترین روش اندازه‌گیری سختی مواد، روش Shore Durometer است که خود به دو نوع مختلف تقسیم می‌شود. Shore A که در آن یک سوزن به‌شکل مخروط ناقص و Shore D که در آن یک سوزن به‌شکل مخروط با نوک کروی شکل است (شکل 5). این آزمون طبق استانداردهای ASTM D2240 یا ISO 868 قابل انجام است. در هر دو مورد نیرو توسط وزنه و یک فنر اعمال می‌شود و عمق فرورفتگی به‌عنوان میزانی برای سنجش سختی است. یکی از مزیت‌های روش Shore، قابل حمل بودن تجهیزات این آزمون به‌دلیل کوچک بودن دستگاه آن است.

شکل 5. آزمون Shore A و Shore D

    آزمون Shore A برای تعیین سختی لاستیک‌های نرم و پلاستیک‌های خیلی نرم مانند PVC نرم‌شده به‌کار می‌رود. در این روش، سوزن مخروطی ناقص، زاویه 35 درجه و قطر صفحه صاف 0/79 میلی‌متر است و طبق معادله زیر محاسبه می‌شود که در آن F، نیروی وارده بر حسب میلی‌نیوتن و H_a مقدار سختی است.

F = 550 + 75 H_a

    آزمون Shore D برای لاستیک‌های سخت و ترموپلاستیک‌هایی مانند PTFE کاربرد دارد. زاویه قرارگیری سوزن در این روش، 30 درجه و با شعاع کروی 0/1 میلی‌متر است که طبق معادله زیر محاسبه می‌شود.

F = 445 H_d

جدول 1- کاربرد آزمون سختی Shore A  و Shore D در مواد مختلف

شکل 7. محدوده سختی پلیمرها

شکل 8. مقایسه محدوده سختی در آزمون سختی Shore A و Shore D

منابع

1. Brown, Handbook of polymer testing, Rapra Technology, 2002
2. Hardness Comparison of Polymer Specimens Produced with Different Processes, 2018
3. Wear of polymers, B. J. Briscoe, S. K. Sinha, 2002, SAGE Journals
4. https://www.plastikmedia.co.uk/how-hard-is-soft-plunkett-associates-offer-a-new-service

گردآورنده: علی باقری