آزمون تنش- کرنش در پلیمرها

مقدمه

آزمون های تنش- کرنش نسبت به سایر آزمون های مکانیکی به طور بسیار گسترده ای استفاده می شوند. به دلیل طبیعت ویسکوالاستیک پلیمرها و حساسیت های آن ها به بسیاری از عوامل، آزمون های تنش- کرنش در بهترین حالت فقط یک راهنمای تقریبی برای اینکه یک پلیمر در شکل نهایی خود چگونه رفتار می کند، می باشد. آزمون های تنش- کرنش نه تنها مدول به عنوان مشخصه استحکام ماده را می دهند بلکه چقرمگی آن را نیز اندازه می گیرند. مفهوم چقرمگی با روش های مختلفی بیان می شود که یکی از آ نها محاسبه سطح زیر منحنی تنش- کرنش است. بنابراین چقرمگی نمایان گر انرژی است که مواد می توانند قبل از شکسته شدن جذب کنند. پس چقرمگی و استحکام ضربه به نوعی به هم مربوط هستند. مواد شکننده دارای چقرمگی کمی هستند در حالی که پلیمرهای انعطاف پذیر که به صورت سرد کشیده شده اند خیلی چقرمه هستند. دلیل این امر این است که برای شکسته شدن آن ها احتیاج به مقدار زیادی تغییر طول می باشد.

تئوری های تسلیم و کشش سرد

تسلیم و کشش سرد پدیده های بسیار مهمی هستند، زیرا همه پلیمرهای چقرمه و آن هایی که استحکام ضربه ای بالایی دارند این پدیده ها را نشان می دهند. تسلیم به یک نقطه بر روی منحنی تنش – کرنش اشاره می کند. نقطه تسلیم در منحنی تنش- کرنش، خودش را به صورت یک بیشینه متمایز یا یک منطقه با انحنای شدید که به سمت شیب صفر حرکت می کنند، نشان می دهد. کشش سرد خود را با باریک شدگی پلیمر در حین کشش نشان می دهد. باریک شدگی از یک نقطه مشخص در نمونه شروع شده و سطح مقطع آن نسبت به جزء باقی مانده نمونه در حالی که نیرو تقریبا در طی کشش ثابت می ماند، بسیار کمتر می شود.کشش سرد بعد از نقطه تسلیم این معنی را می دهد که باید یک فرایند سخت شدن کرنش انجام شود وگرنه ماده بدون کشش در یک سطح مقطع که در حال کوچک شدن است در جایی که باریک شدگی اتفاق می افتد، پاره می شود. سخت شدگی در هنگام اعمال کرنش، نتیجه آرایش یافتگی مولکول هاست که استحکام کششی و مدول را افزایش می دهد. با این وجود، سخت شدن کرنش در پلیمرهای بلورین ممکن است تا حدی نتیجه باز بلورینگی توسط کرنش القایی باشد. طول بخش باریک شده با ادامه کشش تا زمانی که همه نمونه کشیده شوند افزایش می یابد. با این وجود، کشش سرد در یک منطقه مشخص در یک افزایش طول بحرانی متوقف می شود که به عنوان نسبت کشش طبیعی،_d λ  شناخته می گردد. نسبت کشش تابعی از دما، آرایش یافتگی مولکول ها و سایر متغیرهاست.

نسبت کشش طبیعی، یعنی نسبت طول منطقه کشش سرد به طول ماده قبل از کشش، ممکن است با دما افزایش یا کاهش یابد ولی این نسبت با وزن مولکولی و سرعت آزمون افزایش می یابد.

پترلین معتقد است که کشش سرد پلیمرهای بلورین انعطاف پذیر شامل سه مرحله است:

1-    تغییر شکل پلاستیک گویچه ها با چرخش خوشه های صفحات نازک بلور، چرخش بلورها و لغزش زنجیرها

2-    تغییر شکل ناپیوسته ساختارهای  گویچه ها به ساختار لیفی شکل به وسیله باریک شدگی بسیار ریز

3-    تغییر شکل پلاستیک ساختارهای لیفی با لغزش زنجیرها و شکست آن ها. 

رفتار تنش- کرنش، استحکام ضربه و پارگی همگی با شکست مرتبط می باشند. شکست یک پدیده بسیار پیچیده بوده که وابسته به ساختار مولکولی و شیمیایی نیست ولی به نواقص، مناطق ضعیف، حفره ها و ترک های ریز در مواد و تنش های دو و سه محوره متاثر از آنها وابسته است. بعضی از عوامل موثر در شکست پلیمرها شامل تشکیل حفره  های بسیار ریز، ترک خوردگی، شکست زنجیر و تولید رادیکال آزاد و کشش سرد است که در آن لغزش زنجیرها و آرایش یافتگی مولکول ها وجود دارد. بعضی از این عوامل در گسیختگی هایی که به صورت شکننده عمل می کنند نسبت به شکست هایی که به صورت انعطاف پذیر هستند، مهم تر می باشند. ابزاری که در مطالعه عوامل این فرایندهای شکست مهم است شامل موارد زیر می باشد:

1-    تفرق اشعه X در زوایای کم برای اندازه گیری تشکیل حفره ها و ترک های ریز

2-    اندازه گیری رزونانس چرخش الکترون(ERS)، به منظورمطالعه تعداد و انواع رادیکال های آزاد تشکیل شده در طی شکست زنجیر های پلیمر.

3-    روش های میکروسکوپی، شامل نوری، الکترونی و میکروسکوپ الکترونی پوششی برای دیدن ترک های ریز، شیارها و سطوح شکست همچنین برای تعیین مورفولوژی پلیمرهای بلورین و دوفازی.

در آزمون تنش- کرنش، عواملی که مدول، تنش تسلیم و استحکام کششی را افزایش می دهند، به طور کلی ازدیاد طول تا پارگی و انعطاف پذیری را کاهش می دهند. برای پلیمرهای انعطاف پذیر یا نسبتا چقرمه، استحکام تسلیم می تواند با سرعت آزمون، افزایش درجه بلورینگی یا کاهش دما افزایش یابد.

به طور کلی استحکام ضربه و چقرمگی با رفتار تسلیم همراه با ازدیاد طول تا پارگی و سطح بزرگ زیر منحنی تنش – کرنش همراه است . با این وجود، یک پلیمر که دارای نقطه تسلیم در سرعت آزمون پایین است ممکن است رفتاری شکننده در سرعت های بالا داشته باشد. همچنین بسیاری از پلیمرها که تحت شرایط معمول آزمون، رفتار انعطاف پذیری از خود نشان می دهند، ممکن است اگر نمونه دارای شکاف یا ترک باشد، شکننده گردند.

آرایش یافتگی مولکولی می تواند اثر زیادی بر روی رفتار تنش- کرنش و ضربه بگذارد. موازی جهت آرایش یافتگی مولکول ها، پلیمر خیلی محکم بوده ولی در جهت عمود بر آرایش یافتگی خیلی ضعیف می باشد. متاسفانه در بیشتر شرایط استفاده، رفتار یک شی به وسیله کمترین استحکام تعیین می شود. یعنی ، به وسیله خواص در جهت عمود بر آرایش یافتگی تک محوره. با این وجود، بسیاری از خواص نامطلوب آرایش یافتگی تک محوره را می توان با آرایش یافتگی دو محوره ماده از بین برد.

پلیمرهای شکننده به وسیله افزودن فاز دوم لاستیکی می توانند به مواد چقرمه و ضربه پذیر تبدیل شوند. تئوری های موجود تنها تا حدی توسعه یافته اند که قادر به تشریح مسایل برای شرایط تجربی لازم و برای تولید یک ماده با استحکام ضربه بالا در مقیاس ماکروسکوپیک باشند.

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان