تخمین خواص فیزیکی، مکانیکی مواد پلیمری

امروزه، افزون بر 85000 گرید مختلف از مواد پلاستیکی تجاری در دسترس است که با نام های مختلف تجاری، توسط تولید کنندگان به بازار عرضه می شود. برای انتخاب ماده پلیمری در کاربردی مشخص، ضروری است تا حجم زیادی از داده های فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی به صورت بانک اطلاعاتی در دسترس باشد. با توجه به اینکه اکثر تولیدکنندگان، خواص فیزیکی، مکانیکی تولیدات خود را در قالب دیتا شیت های کامل منتشر می کنند ولی متاسفانه این کار برای تمام مواد عمومیت ندارد و برای تکمیل چنین اطلاعاتی در هر ماده پلیمری، هزینه های زیادی صرف می گردد. در بانک اطلاعاتی، مواد اولیه پلیمری در دمای 23 درجه سانتی گراد اندازه گیری شده اند. اکثر خواص فیزیکی، مکانیکی پلیمرها، تابع درجه حرارت بوده و با تغییر دما، تغییر می کنند. بنابراین، کارایی داده های تابع دما، در بالاتر و پایین تر از دمای اتاق، لزوم جمع آوری اطلاعاتی دیگر را ضروری می سازد.

هرساله، بسیاری از تجهیزات و ماشین آلات، زودتر از طول عمر پیش بینی شده خود، فرسوده و خراب می شوند. این وسایل گرچه ممکن است به دلیل استفاده نامطلوب فرسوده شوند، اما دلیل دیگر می تواند عدم انتخاب صحیح مواد متناسب با تنش ها و کرنش های وارده بر آنها باشد. بر این اساس انتخاب ماده اولیه مناسب برای کاربرد موردنظر بسیار مهم است و بایستی از طریق مطالعه برخی رفتارهای گروه های مختلف مواد پلیمری قوانینی ساده در این زمینه بدست آورد.

جرم مخصوص و اثر دما بر آن:

نمی توان گفت که دما بر جرم مخصوص پلیمرها اثری ندارد، اما این اثر تا زمانی که ماده به نقطه نرمی و یا نقطه ذوب خود نزدیک می شود، نسبتا  کم است. از مزایای دانستن جرم مخصوص یک ماده، وزن قطعه تزریق شده است. در حجم مشخصی از مواد، قطعات بیشتری را که دارای جرم مخصوص کمتری هستند می توان تولید کرد. در مطالعات صنعتی، جرم مخصوص حائز اهمیت بوده و در مواردی کاربرد دارد که صرفه جویی در وزن نوعی ارزش افزوده تلقی می شود. در صنایع خودروسازی، جایگزینی پلاستیک ها با فلزات، مزیت اقتصادی کاهش مصرف سوخت را به همراه دارد و با تبدیل استیل با چگالی مخصوص 7 یا آلومینیوم با چگالی مخصوص 2.7 به مواد پلیمری با چگالی مخصوص 2-1، کاهش وزن خودرو و در نتیجه کاهش میزان مصرف سوخت مشهود است.

سرعت جریان مذاب و اثر دما بر آن:

سرعت جریان مذاب مطابق با استاندارد ASTM، اندازه سرعت جریان یک پلیمر را تحت شرایط خاصی ارائه          می دهد. برای بیان نتیجه اندازه گیری، از واحد جرم بر واحد زمان مانند گرم در ده دقیقه استفاده می شود. از این خاصیت برای بیان تفاوت گریدهای مختلف مواد که دارای اختلاف در وزن مولکولی متوسط هستند، استفاده می شود.

همچنین استفاده از نتایج حاصل از این آزمون برای کنترل یکنواختی گرید مواد، از یک محموله به محموله بعد استفاده می شود. گریدهایی از مواد پلیمری که دارای وزن مولکولی متوسط بالاتری هستند، خواص فیزیکی بهتری از خود بروز می دهند و متقابلا مقاومت بالاتری را نسبت به جریان یافتن از خود نشان می دهند. پلیمرهای عمومی نظیر پلی اتیلن، پلی پروپیلن و پلی استایرن، وابستگی شدیدی به سرعت جریان مذاب دارند. برخی پلیمرهای مهندسی نظیر پلی کربنات نیز دارای همین ویژگی هستند.

هرچه وابستگی پلیمر به تغییرات سرعت جریان مذاب کمتر باشد، آن ماده از کارایی بالاتری برخوردار است و هرچه وابستگی پلیمری به سرعت جریان مذاب بیشتر باشد، خواص فیزیکی مکانیکی در چنین پلیمرهایی ضعیف تر است، لذا برای فرایندهای ساده تر طراحی می شوند.

مدول و اثر دما بر آن:         

مدول، نسبت تنش به کرنش است. در اولین مرحله اعمال نیرو و در منحنی تنش – کرنش، کشش یا خمش با میزان تنش، رابطه ی خطی دارد لذا منحنی تنش- کرنش نیز خطی است. شیب این خط، معرف میزان مدول است. طبق مشاهدات برای مواد هموژن، میزان و اندازه کشش، خمش و مدول های مرتبط با آن ها، مقادیری نزدیک به هم را به دست می دهند.

مدول به تغییرات دمایی وابستگی دارد. با کاهش دما، مدول افزایش و در دماهای بالا، کاهش می یابد. هر ماده پلیمری، منحنی مدول- دمای خاص خود را دارد. در پلیمرهای آمورف،  میزان مدول در محدوده ای وسیع از دما، تقریبا ثابت است.  با نزدیک شدن به محدوده دمای شیشه ای، پلیمر شروع به نرم شدن می کند و در این بازه کوچک، مدول به شدت نزول کرده و در خاتمه، ماده پلیمر با از دست دادن افزون بر 99 درصد از سختی خود در دمای اتاق، دیگر نمی تواند در برابر اعمال نیرو مقاومت کند. تمام پلیمرهای آمورف، از چنین رفتاری تبعیت می کنند، اما محدوده دمای شیشه ای متفاوت است. پلیمرهایی نظیر پلی استایرن و پلی وینیل کلراید دارای دمای شیشه ای پایین و پلی اتر ایمید و پلی اتر سولفون، دارای دمای شیشه ای بالایی هستند. در این زمینه، پلیمری آمورف که فاقد مواد پرکن است مورد بررسی قرار گرفت. تقریبا تمام گریدهای عمومی پلی کربنات، دارای مدولی حدود  GPa 2.5 -2.4   در دمای اتاق هستند. با افزایش دما مدول به آهستگی در رنج وسیعی از دما، شروع به کاهش می کند تا جایی که در حدود 130 درجه سانتی گراد تقریبا حدود 80 درصد از سختی اولیه خود را داشته و تنها 20 درصد آن را به صورت خطی از دست می دهد. در محدوده دمایی 130 تا 160 درجه سانتی گراد، مدول تمام گریدهای پلی کربنات، به سرعت افت کرده و سختی آنها به کمتر از 1 درصد سختی در دمای اتاق می رسد.

رفتار مدول برای مواد نیمه کریستالین، مقداری پیچیده تر است، اما می توان تغییرات آن را در قالب چند قانون ساده، دسته بندی کرد. پلیمرهای نیمه کریستالین، شامل قسمت هایی بلورین هستند که در ماتریسی از مناطق بی شکل، توزیع شده اند. قسمت های بی شکل در این مواد، دارای دمای انتقال شیشه ای مربوط به خود هستند، اما به دلیل ساختار کریستالین بقیه نقاط، شروع محدوده انتقال شیشه ای، باعث نرم شدن کامل ماده نمی شود و پس از گذر از این محدوده، محدوده ای دیگر شکل می گیرد که در آن،  مدول روند کاهشی خود را تا دمای ذوب ادامه می دهد. تمام مواد نیمه کریستالین، فاقد تقویت کننده دارای دمای شیشه ای بالاتر از دمای اتاق، تقریبا چنین رفتاری را از خود بروز می دهند. به این صورت که ابتدا ناحیه ای تقریبا ثابت از دمای اتاق تا دمای انتقال شیشه،  افت 80 تا 90 درصدی مدول را از خود نشان می دهند.

پلی اتیلن ها، پلی پروپیلن ها و استال ها مهمترین دسته از مواد نیمه کریستالین هستند که از قواعد گفته شده مستثنی هستند. در منحنی مدول- دمای این مواد،  ناحیه افت شدید مدول از دمای محیط تا نقطه ذوب، دیده نمی شود و منحنی مدول- دما در این ناحیه، تقریبا خطی و کاهشی است. دلیل این اختلاف آشکار، بسیار ساده است، دمای انتقال شیشه ای این مواد از دمای محیط پایین تر است. در واقع پلی اتیلن ها و استال ها دارای دمای انتقال شیشه ای  130 درجه سانتی گراد هستند و در این محدوده، حدود 60 تا 70 درصد کاهش مدول مشاهده شده است که دلیل این امر، درجه بالای بلورینگی در این مواد و در نتیجه کاهش کمتر مدول در آن هاست.

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان