افت خواص مکانیکی پلاستیک ها (PP و PE) در برابر UV- بخش دوم

مقدمه

پلاستیک‌ها به دلیل وزن مخصوص کمتر و قالب‌پذیری راحت‌تر نسبت به فلزات و سرامیک‌ها کاربرد بسیاری یافته‌اند. استفاده از آن‌ها در تولید قطعات مختلف همان‌گونه که موجب کاهش وزن و هزینه‌های ساخت می‌شود، این فرصت را فراهم می‌کند که این مواد در محیط‌های مختلف در معرض تابش خورشید و تغییر دما به کار گرفته شوند. بنابراین ارزیابی مقاومت پلاستیک‌ها در برابر آب‌و هوا بسیار مهم است. این ارزیابی توسط تست weathering انجام می‌شود. در یکی از مطالعات قبلی در مورد شرایط این آزمون صحبت شد. حال در این نوشته مقاومت نمونه‌های PP استاندارد (بدون مقاومت در برابر شرایط آب‌و هوا) و PP مقاوم در برابر عوامل جوی (با افزودن مستربچ آنتی یووی) مورد مطالعه قرار گرفت. تغییرات شاخص کربونیل، استحکام خمشی، بافت سطح در اثر قرار گرفتن در شرایط مختلف آب و هوایی معیارهایی برای اندازه‌گیری میزان تخریب PP و PE هستند که در این مطالعه به هر کدام از این شاخص‌ها اشاره می‌شود. برای این بررسی 6 نوع گرید PP و یک نوع PE (PE-RS) استفاده می‌شود. مشخصات انواع PP در جدول 1 آمده است. همچنین در دو نوشته قبلی دو معیار دیگر اندازه‌گیری میزان تخریب، تغییر رنگ و تغییر استحکام کششی پلاستیک بررسی شد.

جدول 1: مشخصات PP مورد استفاده در آزمون‌های عوامل جوی

از آن‌جا که تولید سریع محصول مطلوب است برای بررسی مقاومت پلاستیک‌ها در برابر شرایط جوی، آزمون‌های شرایط آب‌و هوایی تسریع یافته به جای قرار گرفتن این مواد در معرض شرایط واقعی آب‌و هوا به کار می‌رود. در این آزمون‌ها سعی شده است که با نور مصنوعی، اسپری کردن آب و شرایط دوره‌ای آزمایش مانند تغییر دما، رطوبت و انرژی تابشی شرایط واقعی جو شبیه‌سازی شود. جدول 2 شرایط مختلف آزمون عوامل جوی تسریع یافته PP را نشان می‌دهد. همانطور که در این جدول مشخص است در این آزمایش دمای محفظه آزمون، رطوبت، شدت و نوع تابش پارامترهای مؤثر بر آزمایش عوامل جوی تسریع یافته می‌باشند.

جدول 2: شرایط مختلف در معرض قرارگیریPP برای آزمون‌های شرایط جوی تسریع یافته

بررسی تأثیر عوامل جوی بر شاخص کربونیل (CI)

شاخص کربونیل CI اثر ترکیبی دمای محیط و تابش UV بر نمونه‌های پلیمری را نشان می‌دهد. طبق آزمایشات شرایط آب‌و هوایی تسریع یافته شاخص کربونیل PE-RS به صورت خطی با افزایش دما و زمان در معرض قرارگیری در یک محیط یکنواخت افزایش می‌یابد که این نتیجه مطابق با زمان قرارگیری نمونه PE-RS در فضای باز می‌باشد. شکل 1 رابطه بین زمان قرار گرفتن نمونه  PE-RS در فضای باز و CI را نشان می‌دهد.

شکل 1: رابطه بین زمان قرارگرفتن نمونه PE-RS در فضای باز و CI

در بررسی‌های بیشتر همانطور که در شکل 2 مشاهده می‌شود، مشخص شد که از بین سه عامل دما، میزان بارش و زمان قرارگیری در برابر نور خورشید، دما بیشترین اثر را بر شاخص CI دارد.

شکل 2: رابطه بین عوامل جوی مختلف و شاخص کربونیل

بررسی تأثیر عوامل جوی بر استحکام خمشی

مطابق شکل 3 استحکام خمشی PP در مراحل اولیه‌ی قرار گرفتن نمونه در معرض شرایط جوی تسریع یافته در تمام حالات افزایش یافت، اما به یک باره استحکام خمشی با افزایش زمان در معرض قرارگیری به طور یکنواخت شروع به کاهش کرد. با این حال هنگام ارزیابی تخریب با استفاده از آزمون‌های استحکام، رابطه بین زمان قرار گرفتن در معرض عوامل جوی و کاهش استحکام در پلیمرهای دیگر همیشه یکنواخت نیست.

شکل 3: رابطه بین استحکام خمشی PP و زمان در معرض قرارگیری در شرایط جوی تسریع‌یافته ( :زنون 60 وات و 63 درجه سلسیوس یا شرایط برابر، :زنون 180 وات و 63 درجه سلسیوس، :زنون 60 وات و 83درجه سلسیوس، : لامپ هالید فلزی)

همانطور که در شکل 4 نمایان است، در فضای باز استحکام خمشی نمونه‌های PP مقاوم در برابر عوامل جوی (2، 4 و 6) با وجود افزایش زمان در معرض و افزایش CI طی 24 ماه کاهش نیافت، در عوض استحکام خمشی نمونه‌های استاندارد (1، 3 و 5) ابتدا برای 6 ماه افزایش یافته است. سپس بعد از 9 ماه قرار گرفتن در فضای باز، تعدادی از نمونه‌ها و بعد از 12 ماه تمام نمونه‌ها کاهش یافت که این روند کاهشی تا 24 ماه ادامه داشت.

شکل 4: رابطه بین استحکام خمشی PP و زمان در معرض قرارگیری در فضای باز

بررسی تأثیر عوامل جوی بر بافت سطح

طبق شکل 5 بیشترین تغییر در بافت سطح نمونه‌های PP ایجاد ترک در جهت عمود بر جهت جریان است. تعداد ترک‌ها با افزایش زمان در معرض قرارگیری در شرایط جوی تسریع یافته افزایش می‌یابد.

شکل 5: تغییرات بافت سطح pp (نوع 5 از جدول 1) در معرض شرایط جوی تسریع یافته (نوع a از جدول 3)

ترک‌ها باعث تمرکز تنش شده و منجر به شکست brittle می‌شوند. اما هنگامی که تعداد ترک‌ها بسیار زیاد باشد ترک‌ها در طی آزمون‌های خمش باز شده که باعث سبک شدن تمرکز کرنش کششی در نوک ترک‌های مجزا می‌شود و به این ترتیب افزایش خم شدن، منجر به منحنی تنش و کرنش چکش‌خوارتر می‌شود. در واقع نمونه‌های مورد آزمون پس از قرار گرفتن در معرض یووی، به ندرت متحمل شکست brittle در منطقه الاستیک در طول آزمون خم شدن می‌شوند. علاوه بر این باز شدن ترک‌های متعدد باعث کاهش نیروی آزمایش می‌شود. بنابراین تغییر در بافت سطح به شدت در نتیجه‌ی کاهش یکنواخت در استحکام خمشی اثر می‌گذارد.

 به طور خلاصه در طول آزمایش خمش اگر تعداد ترک‌ها کم باشد، شکست brittle رخ می‌دهد و در صورتی که تعداد آن‌ها زیاد باشد، شکست ductile اتفاق می‌افتد.

جهت آشنایی بیشتر با مستربچ های UV شرکت آریا پلیمر می توانید با کارشناسان این شرکت تماس بگیرد.

مراجع

Shimizu, K., et al., Weatherability of polypropylene by accelerated weathering tests and outdoor exposure tests in Japan. Journal of Polymers, 2016. 2016.

گردآورنده: اسما نورمحمد