رفتار پلیمرها (2)

اندازه گیری های مدول تحت شرایط دینامیکی می تواند در حقیقت شاخصی برای طبیعت ویسکوالاستیک پلیمرها باشد یعنی بخش مدول شامل اجزای الاستیک و ویسکوز و یا بخش های واقعی و بخش های از دست رفته باشد.
يکشنبه، 26 شهريور 1396
تخمین زمان مطالعه:
پدیدآورنده: علی اکبر مظاهری
موارد بیشتر برای شما
رفتار پلیمرها (2)
رفتار پلیمرها (2)

مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
 
رفتار گرمایی- مکانیکی در حالت دینامیک
اندازه گیری های مدول تحت شرایط دینامیکی می تواند در حقیقت شاخصی برای طبیعت ویسکوالاستیک پلیمرها باشد یعنی بخش مدول شامل اجزای الاستیک و ویسکوز و یا بخش های واقعی و بخش های از دست رفته باشد.
وقتی یک ماده ی ویسکوالاستیک تحت تغییر شکل سینوسی قرار گیرد، تنش منتج شده که در این ماده ایجاد می شود، به صورت سینوسی تغییر می کند اما به یک میزان زاویه ی δ تفاوت فازی دارد. این زاویه بین 0 تا π/2 است. شکل 1 و 2 نشان دهنده ی تغییر سینوسی در نمودار تنش- کرنش در رفتارهای الاستیکی و ویسکوالاستیکی است.
رفتار پلیمرها (2)
رفتار پلیمرها (2)
تنش سینوسی اعمال شده، می توان به صورت زیر بیان شود:
رفتار پلیمرها (2)
که در اینجا، ε_0 دامنه ی تنش ماکزیمم، ω فرکانش زاویه ای و t زمان است.
تنش منتج شده در نمونه به صورت زیر می باشد:
رفتار پلیمرها (2)
یا
رفتار پلیمرها (2)
این معادله بر این دلالت دارد که تنش می تواند در دو جزء تقسیم شود: در فاز با کرنش و π/2 فاز خروجی با کرنش.
وقتی این دامنه های تنشی هم فاز و غیر هم فاز بر دامنه ی کرنش تقشیم می شوند، دو عبارت مدول بدست می آید:
رفتار پلیمرها (2)
رفتار پلیمرها (2)
روابط میان این دو مدول، به صورت تصویری در شکل زیر نشان داده شده است:
رفتار پلیمرها (2)
دیاگرام شکل 3 یک دیاگرام Argand برای یک عدد مختلط می باشد و بنابراین، یک عدد مختلط بدست می آورد که نشاندهنده ی عبارت مدولی E^' و E^" می باشد. در واقع این عدد یک بخش موهومی و یک عدد واقعی دارد که در کل، به آن، E^* گفته می شود. با توجه به این تعریف:
رفتار پلیمرها (2);
که در اینجا، E^* توصیف کننده ی مدول مختلط، E^' معرفی کننده ی مدول حقیقی و E^" مدول کاهشی می باشد. i نیز بیان کننده ی بخش موهومی عدد می باشد.
دیاگرام مربوط به E^* قابل رسم می باشد و در حقیقت بر طبق این نمودار می توان میزان ویسکوالاستیسیته ی مربوط به برخی مواد را فهمید. این مسئله در شکل 4 نشان داده شده است. در این نمودار، رفتار پلیمرها (2) مقدار مطلق E^* است.
رفتار پلیمرها (2)
زاویه ی δ که در حقیقت انعکاس دهنده ی لگاریتم زمانی میان تنش و کرنش اعمال شده است، می تواند به صورت یک نسبت بیان شود که در واقع فاکتور توزیع انرژی و یا عبارت دامپینگ و یا تانژانت اتلاف نامیده می شود:
رفتار پلیمرها (2)
دامپینگ (Damping) یا میرایی یک سری کاربردها در مورد مهندسی پیدا کرده است مانند نگهداری از موتورها ضد لرزش، تنظیم صدا، کاهنده ی حرکت در بخش های مختلف هواپیما، بخش های ضد زلزله و بلبرینگ های لبه ای. بخش های میرا در پیانو نیز کاربرد دارند.
آزمون مکانیکی دینامیک در گستره ی دمایی مختلف و فرکانس های مختلف انجام می شود. این مسئله مخصوصاً برای مواد پلیمری حساس به عوامل فیزیکی و شیمیایی مورد بررسی قرار می گیرد. این آزمون حساس ترین آزمون برای بررسی استحاله های رهایش مانند استحاله ی تبدیل شدن به حالت شیشه ای و استحاله ی شیشه ای شدن ثانویه در پلیمرها، می باشد.
ابزارهای مورد استفاده برای آزمون گرمایی- مکانیکی در حالت دینامیک، باید با حداقل میرایی ساخته شوند و بدون لرزش و ویبره باشند.
پاندول با نوسان پیچشی، یک ابزار بدون لرزش است و میزان لرزش های ایجاد شده در آن، با زمان، بسیار اندک است (شکل 5 و 6). دامنه ی A کاهش می یابد که علت این مسئله، در واقع ناپدید شدن انرژی و تبدیل آن به حرارت می باشد.
رفتار پلیمرها (2)
رفتار پلیمرها (2)
کاهش لگاریتمی (Δ) در حقیقت یک عبارت میرا است که می تواند از اندازه گیری های مکانیک دینامیکی، بدست آید.
رفتار پلیمرها (2)
مدول حقیقی (E^') می تواند با استفاده از معادله ای بدست آید که بوسیله ی ابعاد نمونه و دوره ی (P) از تشدید، تعیین می شود.
ابزارهای لرزنده
این ابزارها بر اساس لرزش رزونانسی اجباری عمل می کنند. اگر یک نوار از یک ماده به صورت الکترواستاتیکی و در فرکانس های مختلف، تهییج پیدا کند، در این حالت از یک اسیلاتور فرکانس صوتی استفاده می شود. نمونه در زمانی که فرکانس های تهییج به فرکانس رزونانسی برسد، پاسخ می دهند. وقتی فرکانس به فرکانس رزونانسی طبیعی نمونه برسد، دامنه ی نوسان انتهای آزاد مربوط به نمونه به میزان ماکزیمم می رسد. این مسئله موجب بدست آمدن نمودارهایی حاوی پیک های رزونانسی می شود (شکل 7).
رفتار پلیمرها (2)
عبارت های میرایی و مدول واقعی می تواند از عرض باند f_2-f_1تعیین شود. فرکانس رزونانسی f_1 از نوسانات ایجاد شده است، به نحوی که:
رفتار پلیمرها (2)
و
رفتار پلیمرها (2)
ابزارهای با لرزش اجباری و غیر رزونانسی که اغلب جزء ابزارهای مسطح مطرح می شوند، در انتهاهای چفت می شود و به صورت سینوسی لرزش می کند. بیشتر ادواتی که به صورت تجاری موجود می باشند، از نوع لرزش اجباری هستند.
استحاله های رهایشی
استحاله های رهایشی اصلی برای پلیمرهای کریستالی، ذوب شدن و برای پلیمرهای آمورف (و یا بخش های آمورف و پلیمرهای شبه کریستالی)، استحاله ی تبدیل شدن به حالت شیشه ای می باشد. خواص نشاندهنده ی تغییراتی است که در نواحی استحاله ی شیشه ای شدن، رخ می دهد. پلیمرهایی که از خود استحاله ی شیشه ای نشان می دهند، سخت، صلب و شبه شیشه ای هستند. به این دمای شیشه ای شدن، دمای T_g می گویند. در بالای دمای T_g، پلیمرهای آمورف نرم و انعطاف پذیرند و به صورت مایع های الاستومری یا ویسکوز تبدیل می شوند، بنابراین،
برای پلیمرهای صلب: دمای T_g بالاتر از دمای اتاق است.
برای الاستومرها، دمای T_g کمتر از دمای اتاق است.
خواص مکانیکی نشاندهنده ی تغییرات قابل توجه در ناحیه ی انتقال به حالت شیشه است مثلا مدول الاستیک ممکن است با فاکتور 1000 برابر تغییر کند. خواص فیزیکی (خواص نوری، گرمایی و الکتریکی) نیز به سرعت در ناحیه ی تبدیل شدن به حالت شیشه ای، تغییر می کند.
T_g مربوط به پلیمر، می تواند به سهولت و با استفاده از داده های آنالیز گرمایی- مکانیکی در حالت دینامیک، کالوریمتری روبشی- افتراقی و یا اندازه گیری های کالریمتری، تعیین شود. شکل 8 نشاندهنده ی نموداری از مدول واقعی دینامیکی و بخش میرایی نسبت به دما می باشد. این نمودار ویژگی های مناسبی برای تشخیص و تعیین T_g ارائه می کند. در واقع نقطه ی انحنای نمودار مدول و یا نقطه ی ماکزیمم پیک میزایی می تواند به عنوان T_g ثبت شود.
رفتار پلیمرها (2)
یکی از روش های اساسی برای اندازه گیری دمای تبدیل شدن به حالت شیشه ای، روش کالریمتری است. در این روش، حجم به عنوان تابعی از دما، اندازه گیری می شود. یک قطعه ی کوچک از پلیمر با وزن مولکولی شناخته شده، به داخل جیوه موجود در یک حباب شیشه ای، غوطه ور می شود که به یک تیوب کالریمتری مدرج، متصل است. جیوه دارای ضریب انبساط گرمایی ثابت در گستره ی مورد نظر می باشد. این جیوه ، بخشی از تیوب را پر کرده است. دیاتومتر ساخته شده در این روش، سپس در داخل آب و یا یک حمام روغن قرار داده می شود و حرارت دهی می شود. افزایش جیوه در این بخش، اندازه گیری می شود. این افزایش، نشانه ای از انبساط ماده می باشد. از این اطلاعات، می توان حجم ویژه ی مربوط به ماده را به عنوان تابعی از دما، ترسیم کرد. مشابه شکل 9، T_g که بیان کننده ی استحاله ی درجه دوم است، بدست می آید. این دما، دمایی است که در آن، شیب نمودار حجم- دما، تغییر می کند.
رفتار پلیمرها (2)
به هر حال، ذوب شدن یک استحاله ی درجه اول و موجب ایجاد تغییر مرحله ای و یا غیر پیوسته ، در حجم ویژه است و در دمای ذوب ایجاد می شود. برخی اوقات، تغییر در شیب قابل تشخیص نیست که در حقیقت مشتق حجم ویژه نسبت به دماست (شکل 10)، ترسیم می شود و بدین صورت، تغییر گسسته، نشاندهنده ی T_g می باشد.
رفتار پلیمرها (2)
وابستگی مربوط به T_g و T_m به ساختار شیمیایی
عموما هر ویژگی ساختاری که در داخل مولکول ها ایجاد می شود و منجر به افزایش حرکت مولکولی شود، T_g و T_m را نیز کاهش می دهد و به طور عکس، ویژگی های ساختاری که موجب کاهش سرعت مولکولی شود، موجب افزایش در T_g و T_m می شود.
وزن مولکولی
وزن مولکولی هم به طول زنجیره ی مولکولی و هم به تعداد زنجیره های مولکولی وابسته ست. یک پلیمر با زنجیره ی مولکولی کوتاه تر، دارای انتهای زنجیره ی بیشتری نسبت در واحد حجم می باشد و بنابراین، حجم آزادتری وجود دارد که مولکول می تواند در آن، حرکت کند. از این رو، T_g برای ترموپلاست هایی با زنجیره های مولکولی کوتاه تر کمتر است اگر زنجیره ها، طولانی باشند (شکل 11).
رفتار پلیمرها (2)
ترکیب زنجیره ی مولکولی اصلی
ساختار واحدهای تکرارشونده
زنجیره های مولکولی اصلی با گروه های آلیفاتیک مانند رفتار پلیمرها (2) و یا جایگزینی برخی از اتم های کربن با اکسیژن موجب افزایش انعطاف پذیری پلیمر می شود. علت این مسئله، چرخش این گروه ها و کاهش T_g و T_m می باشد.
رفتار پلیمرها (2)
به طور عکس، زنجیره های مولکولی آروماتیکی (مانند وجود بنزن در زنجیره) موجب سفتی زنجیره می شود، برای مثال:
رفتار پلیمرها (2)
طول واحدهای تکرارشونده و نیروهای بین مولکولی
تعداد اتصال های واحدهای سازنده و تعداد و نوع پیوندهای بین مولکولی (مانند نیروهای واندروالسی و هیدروژنی) بر روی T_g و T_m مؤثر می باشد. در مورد نایلون ها، علارغم وجود زنجیره ی اصلی آلیفاتیکی، پیوند هیدروژنی موجب می شود تا نیروهای واندروالسی قوی تر شوند و بدین صورت، زنجیره ها، به طور محکم در کنار زنجیره های مجاور، قرار دارند. این مسئله موجب تثبیت کریستالینیتی می شود. بنابراین، مقادیر T_g و T_m افزایش می یابد. دمای ذوب نایلون ها، با کاهش تعداد پیوند هیدروژنی، کاهش می یابد برای مثال، دمای ذوب نایلون 4و6 (295 درجه ی سانتیگراد) بیشتر از نایلون 6 و 6 (265 درجه ی سانتیگراد) بیشتر از نایلون 6و 10 (223 درجه ی سانتیگراد) و بیشتر از نایلون 10 و 10 است.
گروه های جانبی
گروه های جانبی صلب، حجیم و بدون انعطاف پذیری، موجب افزایش T_g و T_m می شود. این مسئله به دلیل محدود شدن چرخش پیوند و سخت شدن زنجیره ی مولکولی اصلی، رخ می دهد. به طور عکس، گروه های طولانی و انعطاف پذیر و وجود گروه های آلیفاتیکی موجب کاهش T_g و T_m می شود. گروه های صلب شامل ساختارهای آروماتیکی و یا حلقوی و یا اشکال ایزومری ثالث می باشند.
رفتار پلیمرها (2)
قطبیت زنجیره
وجود گروه های قطبی مانند Cl، OH و یا CN موجب افزایش T_g و T_m می شود. در واقع برهمکنش قطبی موجب می شود تا میزان تحرک زنجیره ی اصلی پلیمری محدود شود.
رفتار پلیمرها (2)
رفتار پلیمرها (2)
تقارن مولکولی زنجیره ی اصلی
تقارن موجب می شود تا چرخش در حول زنجیره ی اصلی تسهیل شود و بدین صورت، موجب کاهش در T_g و T_m می شود.
رفتار پلیمرها (2)
همانگونه که در بخش بالا نشان داده شده است، برخی فاکتورها موجب افزایش و یا کاهش T_g و T_m می شود یعنی آنها با هم مرتبط هستند و اصول عملی برای بسیاری از آنها، موجود می باشد:
وقتی دمای به صورت کلوین باشد، نسبت رفتار پلیمرها (2) است.
این مقدار برای پلیمرهای متقارن مانند PE، تقریباً 0.5 است.
این مقدار برای پلیمرهای غیر متقارن مانند PS، تقریباً 0.8 است.
استحاله ی تبدیل شدن به حالت شیشه ای ثانویه
تقریباً تمام پلیمرهای داکتیل و با تافنس بالا که دارای مقاومت به ضربه ی خوبی هستند، دارای استحاله های تبدیل شدن به حالت شیشه ای ثانویه هستند مثلا پلی کربنات ها، نایلون ها، PVC، پلی سولفونات ها، پلی (اتیلن ترفتالات) و رزین های اپوکسی. استحاله های تبدیل شدن به حالت شیشه ای ثانویه عمدتاً با حرکت های گروه های جانبی موجود بر روی زنجیره ی اصلی پلیمری، ارتباط دارد.
راه کنترل T_g
ایجاد پیوند عرضس موجب افزایش T_g یک پلیمر می شود. این کار با ایجاد محدودیت در حرکت مولکولی زنجیره های پلیمری اصلی انجام می شود. پلاستیزاسیون و کوپلیمریزاسیون ترموپلاستیک ها، همچنین بر روی T_g و T_m به صورت نمودار موجود در شکل 12 اثرگذارند.
رفتار پلیمرها (2)
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Introduction to polymer science and technology/ Mustafa Akay
 


مقالات مرتبط
ارسال نظر
با تشکر، نظر شما پس از بررسی و تایید در سایت قرار خواهد گرفت.
متاسفانه در برقراری ارتباط خطایی رخ داده. لطفاً دوباره تلاش کنید.
موارد بیشتر برای شما
بیانات رهبر معظم انقلاب درباره حادثه بالگرد رئیس جمهور
play_arrow
بیانات رهبر معظم انقلاب درباره حادثه بالگرد رئیس جمهور
بازتاب خبر سانحه برای هلیکوپتر رئیسی در رسانه‌های بین‌المللی
play_arrow
بازتاب خبر سانحه برای هلیکوپتر رئیسی در رسانه‌های بین‌المللی
توضیحات تازه رئیس جمعیت هلال احمر آذربایجان شرقی: گروه‌های امدادی تا نیم ساعت دیگر به منطقه می‌رسند
play_arrow
توضیحات تازه رئیس جمعیت هلال احمر آذربایجان شرقی: گروه‌های امدادی تا نیم ساعت دیگر به منطقه می‌رسند
رئیسی در حال غبارروبی ضریح مطهر امام رضا(ع)
play_arrow
رئیسی در حال غبارروبی ضریح مطهر امام رضا(ع)
نجوای ماندگار و زیبا سید ابراهیم رئیسی با شهید سلیمانی...
play_arrow
نجوای ماندگار و زیبا سید ابراهیم رئیسی با شهید سلیمانی...
فوری؛ عملیات هوایی جستجوی بالگرد حامل رئیسی متوقف شد! توضیحات سختگوی اورژانس روی آنتن زنده
play_arrow
فوری؛ عملیات هوایی جستجوی بالگرد حامل رئیسی متوقف شد! توضیحات سختگوی اورژانس روی آنتن زنده
گزارش کامل سقوط بالگرد حامل رئیس‌جمهور
گزارش کامل سقوط بالگرد حامل رئیس‌جمهور
استقرار آمبولانس‌ها و شرایط جوی منطقه
play_arrow
استقرار آمبولانس‌ها و شرایط جوی منطقه
توضیحات رئیس جمعیت هلال احمر در خصوص جستجوها برای بالگرد حامل رئیس جمهور
play_arrow
توضیحات رئیس جمعیت هلال احمر در خصوص جستجوها برای بالگرد حامل رئیس جمهور
تصویر جدید از رئیسی پس از دیدار با علی‌اف در نقطه مرزی ایران و جمهوری آذربایجان در سد قیزقلعه
play_arrow
تصویر جدید از رئیسی پس از دیدار با علی‌اف در نقطه مرزی ایران و جمهوری آذربایجان در سد قیزقلعه
تصاویر جدیدی از تیم‌های جستجوی بالگرد رئیسی
play_arrow
تصاویر جدیدی از تیم‌های جستجوی بالگرد رئیسی
برگزاری مراسم دعای توسل در حرم امام رضا (ع) برای سلامتی رئیسی
play_arrow
برگزاری مراسم دعای توسل در حرم امام رضا (ع) برای سلامتی رئیسی
اطلاعات تازه از منطقه سانحه بالگرد رئیسی: آخرین مکان GPS بالگرد کجا فعال بوده؟
play_arrow
اطلاعات تازه از منطقه سانحه بالگرد رئیسی: آخرین مکان GPS بالگرد کجا فعال بوده؟
تصاویری از رئیسی یک ساعت قبل از فرود سخت در یک منطقه کوهستانی به دلیل مه
play_arrow
تصاویری از رئیسی یک ساعت قبل از فرود سخت در یک منطقه کوهستانی به دلیل مه
چه کسانی در بالگرد حامل رئیس جمهور بوده‌اند؟
play_arrow
چه کسانی در بالگرد حامل رئیس جمهور بوده‌اند؟