بررسی آزمون ESCR پلی‌اتیلن (بخش اول)

مقدمه

    در طول دهه گذشته، پلیمرها دستخوش بهبودهای چشمگیری شده‌اند و امروزه نیز این بهبود ادامه دارد. برخی از آزمون‌های ارزیابی عمل‌کرد پلیمرها به خواص محصول در دراز مدت مرتبط می‌شود. یکی از این عمل‌کردهای مورد ارزیابی، مقاومت در برابر فشارهای زیست محیطی (Enviromental Stress Crack Resistence یا به‌اختصار ESCR) است که توسط آزمون ESCR سنجیده می‌شود. به‌علت اینکه روش‌های آزمون استاندارد برای اندازه‌گیری ESCR در بازه‌های زمانی طولانی (گاهی ماه‌ها) انجام می‌شود، اگر نمونه تا همان زمان مشخص‌شده  دچار ترک نشده باشد، کیفیت نمونه مورد قبول ارزیابی می‌شود. آزمون در زمان مشخص و ESCR به‌صورت >t نمایش داده می‌شود. بنا بر همین آزمون‌های طولانی، آزمون‌های جدید و استانداردها به‌طرز چشمگیری بهبود یافته‌اند. در این مقاله به ترک‌خوردگی در مقابل فشارهای زیست محیطی (Enviromental Stress Cracking یا ESC) و مقاومت پلیمر در برابر این ترک‌ها یا ESCR و اهمیت ESCR به‌عنوان یک خاصیت مهم رزین پرداخته می‌شود. هم‌چنین به توضیح انواع آزمون‌ ESCR در محصولات HDPE و چگونگی تأثیر ESCR روی رزین پرداخته می‌شود.

ESCR چیست؟

    طبق استاندارد ASTM D883، خاصیت ESCR عبارت است از “یک ترک بیرونی یا درونی در پلاستیک که سبب کاهش استحکام کششی نسبت به استحکام مکانیکی کوتاه مدت آن می‌شود.” این نوع از ترک به‌معنای شکست نمونه در حالت ترد و شکننده، با کمی ضربه یا بدون ضربه به سطح ترک خورده است. رشد آهسته ترک اصطلاح دیگری است که عموماً برای توضیح این ترک خوردگی استفاده می‌شود. معروف‌ترین رشد آهسته ترک، تحت عنوان ترک در برابر فشارهای زیست محیطی یا ESC شناخته می‌شود. ESC معمولاً شامل ترک خوردگی نمونه‌های پلی‌اولفین در حضور عوامل خیس‌کننده فعال سطحی مثل الکل، قلیا، سورفکتانت و… می‌شود. عوامل فعال سطحی با نمونه وارد برهم‌کنش شیمیایی نمی‌شوند و هیچ اثری جز ترک‌های میکروسکوپی روی ماده ترد و شکننده نمی‌گذارند. در غیاب این محیط فعال سطحی، نمونه در هر دوره منطقی زمانی تحت همان شرایط فشاری دچار ترک خوردگی نمی‌شود. به‌نظر می‌رسد این ترک‌ها به‌علت نقایص میکروسکوپی آغاز می‌شوند و به‌واسطه مناطق کریستال، توسعه می‌یابند. مقاومت پلیمر در برابر این رشد آهسته ترک، تحت عنوان ESCR شناخته می‌شود. پلیمرهای مختلف درجه ESCR متفاوتی دارند. برخی از گریدهای HDPE مقاومت خوبی در برابر ESC دارند؛ حال آنکه مقاومت برخی از آنها کم‌تر است. برخی پلیمرها مثل پلی‌پروپیلن ESCR بالایی دارند.

شکل 1. ترک‌های سطح لیوانی از جنس PMMA بر اثر ESC

اهمیت ESCR

    از آنجا که ترک خوردگی باعث شکست مواد پلاستیکی می‌شود، یک ماده پلاستیکی باید تحمل بالایی در مقابل ترک خوردگی داشته باشد. برای مثال بازه زمانی این تحمل برای یک پلی‌اتیلن استفاده‌شده در بطری شیر یا آبمیوه، حدود چند ماه و برای یک مخزن سوخت خودرو یا لوله گاز طبیعی، چند ده سال است. در اواخر دهه 1940، کشورهای غربی با ترک‌هایی گاه و بیگاه در پوشش سیم‌های برق‌کشی مواجه شد. از آزمایشگاه‌های Bell دلیل این امر خواسته شد؛ که در نهایت متوجه شدند که استفاده از صابون‌های روان‌کننده در هنگام نصب سیم، علت این کار بوده است. در این تحقیق، آزمون ESCR Bent Strip برای اولین بار مورد استفاده قرار گرفت.

نحوه اندازه‌گیری با آزمون ESCR

    هم‌زمان با بهبود مواد در طول سال‌ها، اصطلاح مقاومت در برابر “رشد آرام ترک یا Slow Crack Grow (SCG)” برای تبیین روش‌های مختلف آزمون ESCR در زیر توضیح داده شده است. گسترده‌ترین و قدیمی‌ترین روش آزمون SCG، روش ESCR Bent Strip است. به‌علت محدودیت‌های روش ESCR Bent Strip، ایالات متحده و اروپا روش‌های دیگری از ESCR ارائه داده‌اند. این روش‌ها شامل روش PENT و NCTL در ایالات متحده و روش FNCT در اروپا می‌شود.

شکل 2. یک دستگاه تست ESCR

آزمون ASTM D 1693-Bent Strip ESCR

    این آزمون که اواخر دهه 1940 توسط آزمایشگاه‌های Bell معرفی شد، یکی از اصیل‌ترین و شناخته‌شده‌ترین آزمون‌های ESCR است. ده قطعه مستطیلی مطابق با روش‌های استاندارد بریده می‌شوند. روی هر کدام از نمونه‌ها یک برش کوچک کنترل‌شده به‌جهت آغاز ترک ایجاد می‌شود. نمونه‌ها به‌شکل C خم می‌شوند و یک فشار روی نمونه‌ها اعمال می‌شود. نمودار این روش آزمون در شکل 3 مشخص است. سپس نمونه‌های خم‌شده در لوله‌ای که از محلول (یک ماده ضد عفونی با نام آیوپاک octylphenoxypolyethoxyethanol) پر شده، قرار داده می‌شوند. لوله در یک محیط گرم قرار داده می‌شود و ترک خوردگی (شکست) آن هر چند وقت یک بار بررسی می‌شود. غلظت نمونه، دمای محیط و ابعاد نمونه، بسته به شرایط تست، همان‌طور که در جدول 1 مشخص است، متفاوت است.

شکل 3. روش Bent Strip ESCR

جدول1: سه مورد از شرایط آزمون ESCR. شرایط A برای پلی‌اتیلن با چگالی بین 0.910 و 0.925 g/cm³، شرایط B برای پلی‌اتیلن با چگالی بالاتر از 0.925 g/cm³ و شرایط C برای آزمون سریع موادی با مقدار ESCR بالا استفاده می‌شود.

شکل 4. محلول IGEPAL CO-360

آزمون ASTM D 5397-NCTL

    روش بار کششی ثابت شکاف در یک نقطه یا Single Point Notched Constant Tensile Load (NCTL) در ایالات متحده برای آزمون مواد ژئوممبران استفاده می‌شود؛ اما سایر مواد PE با اندازه‌گیری رشد آرام ترک آزمایش می‌شوند. آزمون در شرایط دمایی 50 C° و درون حلال، تحت نیرویی به‌اندازه 30% فشار نقطه تسلیم نمونه انجام می‌شود. عمق فشار معادل 20% ضخامت نمونه است. روش در شکل 5 نمایش داده شده است. زمان شکست نمونه ثبت می‌شود. نتایج فقط وابسته به شرایط آزمون است و عمل‌کرد نمونه را در شرایط دیگری نشان نمی‌دهد. شکست‌هایی که در حالت ترد و شکننده به‌وجود می‌آید، شاخصه عملکرد رشد آرام ترک است.

شکل 5. روش NCTL

آزمون ASTM F 1473-PENT

    روش کشش شکاف پلی‌اتیلن یا Polyethylene Notch Tensile (PENT) در ایالات متحده برای آزمایش لوله‌های PE که ESCR بالایی دارد، استفاده می‌شود. عموماً این آزمون زمان بیش‌تری صرف می‌کند. شرایط محیطی آزمون، دمای 80 C° و فشار 2.4 MPa است. نمودار این آزمون در شکل 6 نشان داده شده است.

شکل 6. روش PENT

    نمونه‌ها مستقیماً از لوله یا پلاک قالبی ساخته می‌شوند. معمولاً ابعاد نمونه 10*25*100 mm³ است. یک شکاف باید روی نمونه ایجاد شود که ترک از آن قسمت شروع شود. یک سری حفره‌های جانبی نیز برای تسهیل در امر ترک خوردگی ایجاد می‌شود. عمق شکاف به ضخامت نمونه بستگی دارد؛ اما معمولاً عمق شکاف جلویی (شکاف اصلی) 138 میکرون و شکاف‌های جانبی 140 میکرون است. بار اعمال‌شده ترک را گسترش می‌دهد و منجر به شکست نمونه می‌شود. شکست به‌معنای جدایی کامل از نقطه شکاف است. زمان شکست برای هر نمونه ثبت می‌شود.

آزمون FNCT

    روش آزمون خزش کامل شکاف یا Full Notch Creep Test (FNCT) روش استاندارد پذیرفته‌ای برای آزمایش لوله‌های PE با مقادیر بالای ESCR در اروپاست. روش FNCT در اروپا به‌دلیل کاهش زمان شکست، ارجحیت بیش‌تری نسبت به روش PENT دارد. کاهش زمان شکست در این آزمون به‌دلیل طراحی خاص نمونه و حضور عوامل فعال سطحی مثل IGEPAL® در محیط رخ می‌دهد. در این آزمون برخلاف آزمون PENT، هنوز هیچ شرایط عمومی مورد قبولی مشخص نشده است. با این وجود، این روش به‌فراوانی در صنایع لوله اروپا استفاده می‌شود. شکل 7 نشان‌دهنده روش فوق است. نمونه آزمایش در ابعاد 10*10*100 mm³ به‌صورت یک پلاک قالب یا مستقیماً از خود لوله استفاده می‌شود. هر چهار طرف نمونه باید شکاف‌هایی با عمق 1500 میکرون، با حصول اطمینان از بابت برابر بودن شکاف‌ها ایجاد شود. نمونه درون فک‌های دستگاه کشش قرار می‌گیرد و تحت دمای کنترل‌شده 80 C° یا 95 C° در حمام گردشی قرار داده می‌شود. بار اعمال‌شده بین 4 و 5 MPa است. زمان شکست برای هر نمونه ثبت می‌شود.

شکل 7. روش FNCT

    مطالب بالا سعی در بیان کلیاتی در راستای آشنایی با آزمون ESCR دارد و در مقالات بعدی به عوامل تأثیرگذار روی ESCR مواد پرداخته خواهد شد.

گردآورنده: حسین چیانی