سختی پلیمرها
عوامل مؤثر بر سختی پلیمرها
مقدمه
عوامل مؤثر بر سختی پلیمرها، براساس ویژگی‌های داخلی، فرآیندی و افزودنی آنها دسته‌بندی می‌شوند. در این دسته‌بندی، عوامل تأثیرگذاری مانند ساختار شیمیایی، اختلاط، بلورینگی، دما، رطوبت، افزودنی‌ها (مانند پرکننده‌ها)، تقویت‌کننده‌ها، آنتی اکسیدان‌ها و نرم‌کننده‌ها جای می‌گیرند. در ادامه مهم‌ترین عوامل مؤثر بر سختی پلیمرها را بررسی می‌کنیم.
1) ساختار شیمیایی
مهم‌ترین عامل مؤثر بر سختی یک ماده، نوع ساختار شیمیایی و نوع پیوندهای بین مولکولی آن است. در جدول 1 سختی برخی پلیمرها براساس آزمون Shore D آورده شده که با توجه به تفاوت در ساختار شیمیایی آنها، سختی آنها نیز متفاوت است.
جدول 1- سختی مواد پلیمری براساس تفاوت ساختار شیمیایی آنها
| 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) مخلوط‌ها
در سالیان اخیر، مخلوط کردن پلیمرها روشی اساسی برای بهبود خواص پلیمرها به‌شمار می‌رود و تحقیقات بسیاری در این زمینه صورت گرفته است. در این بخش چگونگی تأثیر مخلوط مواد و پلیمرها بر سختی یک مخلوط را بررسی می‌کنیم. برای این کار، دو پلیمر HDPE و LDPE در آزمایشی به‌صورت خالص در یک‌دیگر ترکیب شده و شش نمونه از این مخلوط تهیه و بررسی شد که نتایج آن در جدول 2 و شکل 1 مشاهده می‌شود. سختی این نمونه‌ها به‌روش Shore D و طبق استاندارد ISO 868 اندازه‌گیری 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 بیشترین و LDPE کمترین سختی را دارد. این تفاوت سختی در HDPE و LDPE به‌دلیل درجه بلورینگی بالاتر و ساختار منظم‌تر 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 مولکول‌های پلیمر در کنار یک‌دیگر است. با توجه به اینکه هیچ پلیمری به‌طور کامل کریستالی نیست و نواحی آمورف دارد، دو مفهوم پلیمرهای شبه کریستال و درجه بلورینگی (شکل 2) تعریف می‌شود. سختی یک پلیمر ارتباط مستقیمی با درجه بلورینگی یا میزان کریستال بودن آن پلیمر دارد، به‌گونه‌ای که هرچه درجه بلورینگی افزایش یابد، سختی نیز افزایش پیدا می‌کند. همان‌گونه که در شکل 3 مشاهده می‌شود، معمولاً پلیمرها با افزایش درجه بلورینگی سخت‌تر می‌شوند.
شکل2. شماتیک ساختار یک پلیمر شبه کریستال که شامل مناطق کریستال و آمورف است.
شکل 3. نمودار درجه بلورینگی برحسب وزن مولکولی که نشانگر افزایش سختی مواد با افزایش درجه بلورینگی است.
4) افزودنی‌ها
افزودنی‌ها ترکیبات شیمیایی و معدنی‌ای هستند که جهت بهینه‌سازی و بهبود خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی پلیمرها به آنها اضافه می‌شوند. رایج‌ترین این افزودنی‌ها، پرکننده‌ها، تقویت‌کننده‌ها، نرم‌کننده‌ها و آنتی اکسیدانت‌ها هستند. در مقاله بعد به‌طور جداگانه اثر افزودنی‌ها را بررسی خواهیم کرد.
جدول 3– اثر افزودن پرکننده‌ها بر سختی پلیمرها
| 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/پلی‌یورتان | 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
