آزمون‌های خزش و آسایش- تنش پایداری ابعادی یک ماده را اندازه‌گیری می‌کنند و از آنجایی که این آزمون‌ها در مدت زمان طولانی انجام می‌شوند، دارای اهمیت زیادی هستند. اندازه‌گیری‌های خزش، در هر نوع کاربردی که پلیمر تحت بار زیادی برای مدت طولانی قرار می‌گیرد به طور ویژه مورد علاقه مهندسان می‌باشد. خزش و آسایش-تنش همچنین برای کسانی که علاقمند به تئوری‌های ویسکوالاستیک و یا منشأ مولکولی ویسکوالاستیک می‌باشند، اهمیت زیادی دارد.

برای مواد الاستیک، لوازم بسیار ساده‌ای برای اندازه‌گیری خزش یا آسایش-تنش می‌توان به کار برد. برای مواد سخت اندازه‌گیری‌ها مشکل‌تر می‌شود و به طور کلی لوازم دقیق‌تری برای اندازه‌گیری‌ها مورد نیاز است. در خزش مواد سخت، این دشواری به علت لزوم اندازه‌گیری خیلی دقیق برای تغییر شکل‌های خیلی کوچک است. در حالی‌که در مورد تنش-آسایش مواد پلیمری سخت، مسئله‌ی دقت در اندازه‌گیری تنش و کرنش‌های کوچک هنگامی که سختی مواد پلیمری با سختی ابزار برابری می‌کند، دارای اهمیت می‌باشد. در این حالت تغییر شکل‌های کوچک دستگاه‌ها یا لغزش نمونه‌ از محل گیره‌ها می‌تواند خطاهای خیلی زیادی را ایجاد کند.

اثر فشار

داده‌های کمی برای خزش و آسایش-تنش در فشارهای به غیر از فشار یک اتمسفر وجود دارد. با این وجود انتظارات از داده‌ها اصولاً بر این پایه است که با اعمال فشار، حجم آزاد و تحرک مولکولی و تحرک اجزای زنجیر کاهش می‌یابد. دوریس و بکمان دریافتند که فشار psi 50000، کامپلیانس خزش پلی‌اتیلن را با یک ضریب بزرگتر از 10 کاهش می‌دهد و همچنین فشار، موجب افزایش مدول آسایش-تنش به میزان قابل مقایسه‌ای می‌شود. در فشارهای زیادتر( psi30000) آسوده شدن تنش بسیار طولانی‌تر از زمان‌های با فشار یک اتمسفر می‌باشد. در واقع به نظر می‌آید که فشار، بعضی از زمان‌های آسایش را به زمان‌های طولانی‌تر منتقل می‌کند، این مورد تنها در الاستومرها مشاهده شده است.

اثر دما

“گرم و سرد کردن کنترل‌شده ” در پلیمرها مدول و نرخ خزش یا آسایش-تنش را در دماهای کمتر از دمای ذوب یا دمای انتقال شیشه‌ای به‌ترتیب افزایش و کاهش می‌دهد. کاهش در خزش یا آسایش-تنش یک پلیمر بعد از قرار گرفتن آن برای مدتی در حرارت بالا، برای آمادگی یک نمونه است که اغلب «زمانمندی فیزیکی» نامیده می‌شود. زمانمندی فیزیکی هم بر روی نرخ خزش یا آسایش و هم بر مقدار این دو پارامتر موثر است.

در زیر دمای T_g، تنش در یک نمونه به سرعت سرد شده نسبت به یک نمونه آمورف به آرامی سرد شده مانند پلی(متیل متاکریلات) سریعتر آزاد می‌شود. نمونه‌های به سرعت سرد شده از یک پلیمر در بارهای اعمالی زیاد، دارای نرخ خزشی به میزان 50 برابر نمونه‌های ” گرم و سرد شده کنترل شده” که به مدت 24h در دمای 95 درجه سانتی‌گراد نگه داشته شده است، می‌باشد. نرخ خزش به شدت به دما و زمان گرم و سرد کردن کنترل شده وابسته است.

گرم و سرد کردن کنترل شده، می‌تواند میزان خزش پلیمرهای بلورین را در حالتی مشابه با پلیمرهای شیشه‌ای کاهش دهد. برای مثال می‌توان گفت که خواص نمونه به سرعت سرد شدن پلی‌اتیلن با چگالی کم، بعد از یک ماه از تولید نیز تغییر خواهد کرد. خزش با زمان کاهش می‌یابد و این در حالی است که مدول و چگالی با زمان زمانمندی در دمای اتاق افزایش می‌یابند. اما برای پلیمرهای بلورین مانند پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن، هر دو دمای ” گرم و سرد کردن کنترل شده” و دمای آزمون به طور عمده بین نقطه ذوب و دمای T_g آن‌ها می‌باشد. بنابراین برای پلیمرهای بلورین دلیل کاهش خزش را در درجه اول باید در درجه بلورینگی، بلورینگی ثانویه، تغییرات مورفولوژی بلورها و تغییرات آنها بر اثر عملیات حرارتی دید و در درجه دوم در تغییر در حجم آزاد و چگالی آنها جستجو کرد.

اثر وزن مولکولی

در دماهای خیلی کمتر از T_g در جایی که پلیمر شکننده و ترد است، وزن مولکولی دارای کمترین تأثیر روی خزش و آسایش- تنش است. این عدم وابستگی خواص به وزن مولکولی مربوط به بخش‌های خیلی کوچک مولکول‌ها بوده که در بردارنده حرکت‌های مولکولی در حالت شیشه‌ای است. حرکت بخش‌های بزرگ زنجیر پلیمر در این حالت ممکن نیست و حرکت‌های محدود بخش‌های کوچک مولکولی می‌تواند بدون تأثیر بر بقیه مولکول انجام شود. اگر وزن مولکولی زیر مقدار بحرانی بوده و یا اگر پلیمر حاوی جزء بزرگی از مواد با جرم مولکولی پایین باشد که با مواد با جرم مولکولی بالا مخلوط شده باشند، پلیمر بی‌نهایت شکننده و دارای استحکام کمتر از حد معمول خواهد شد. مادامی که نیرو و تغییر طول در حد پایینی باشد، این مواد ضعیف نیز به طور ذاتی رفتار خزش یکسان با پلیمرهای معمولی خواهند داشت. در مقادیر بالاتر نیرو و تغییر طول، مواد با جرم مولکولی کم در میزان کشش پایین‌تری از مواد با جرم مولکولی بالا پاره می‌شوند.

ترک‌خوردگی ریز در پلیمرهای با جرم مولکولی پایین به راحتی ایجاد می‌شود، که در این مواد نرخ خزش و آسایش- تنش قبل از پارگی افزایش می‌یابد. به‌علاوه، ترک‌های ریز به عنوان مکانی برای تمرکز تنش بوده و بار اعمالی به بعضی از زنجیرها را زیادتر می‌کنند. این زنجیرهایی که تحت نیروی بیشتری قرار دارند، تمایل به شکستن یا لغزیدن پیدا می‌کنند تا بتوانند تنش‌های وارد شده به خود را آزاد کنند. بنابراین، در حالت شیشه‌ای، ترک‌خوردگی ریز عامل اصلی و مهم در آسایش- تنش و خزش است.

اتصالات عرضی

در دماهای بالاتر از دمای انتقال شیشه‌ای، اولین اثر افزایش اتصالات عرضی، بالا رفتن وزن مولکول بوده که جریان ویسکوز را کاهش داده و الاستیسیته موادکه در زمان طولانی یا دمای زیاد اندازه‌گیری می‌شوند را زیاد می‌کند. وقتی که یک شبکه یا ژل شکل می‌گیرد، اتصالات عرضی، منحنی آسایش-تنش را به یک مقدار مشخص نهایی به جای تنش صفر در زمان‌های طولانی سوق می‌دهند و منحنی خزش به تغییر شکل ثابتی در زمان‌های زیاد میل می‌کند. در یک لاستیک ایده‌آل، تنش در همه زمان‌ها در طول آزمون آسایش-تنش ثابت می‌ماند.

به نظر می‌آید که شبکه‌ای شدن هیچ نوع اثر شاخص و برجسته‌ای در خزش پلیمرها در دماهای خیلی پایین‌تر از ناحیه T_g نداشته باشد. در پلیمرهای شکننده و سخت، حرکت‎‌های مولکولی بسیار محدود بوده و به این علت محدودیت‌های اضافی ناشی از اتصالات عرضی در آن‌ها قابل توجه نیست. خزش در پلیمرهای سخت، مانند فنول فرمالدهید و رزین‌های ملامین، دارای مدول زیاد، اتلاف مکانیکی کم و دمای انتقال شیشه‌ای بالایی هستند.

همه این عوامل به کاهش خزش و کاهش نرخ آن منجر می‌شود و در نتیجه این نوع از پلیمرها به طور عموم دارای خزش کم و پایداری ابعادی بسیار خوبی هستند. از طرف دیگر، بعضی از رزین‌های اپوکسی و پلی‌استر دارای خزش بسیار بیشتری هستند. پلازک و چوی دریافتند که رزین‌های اپوکسی که کمی بیشتر شبکه‌ای شده‌اند، دارای مدول کمتری هستند و بنابراین خزش بیشتری نسبت به آنهایی که کمتر شبکه‌ای شده‌اند، دارند. به علاوه، به علت ساختار شیمیایی آن‌ها و دمای پخت کم، بیشتر رزین‌های پلی‌استر و اپوکسی به نسبت دارای دمای انتقال شیشه‌ای پایین می‌باشند. با توجه به این دلیل‌ها، این گونه رزین‌ها دارای خزش قابل ملاحظه‌ای نسبت به رزین‌های فنول فرمالدهید با درجه شبکه‌ای شدن بالا می‌باشند.

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان