خواص مکانیکی مواد پلیمری (2)

اثر سرعت و دمای آزمون
مواد پلیمری، مواد ویسکوالاستیک هستند و بنابراین، خواص مکانیکی آنها وابسته به زمان و دماست. با توجه به این مسئله، پارامترهای دما و سرعت انجام آزمون، باید برای هر آزمون، ثبت گردد. بهتر است که میزان رطوبت نیز ثبت شود زیرا برخی از پلیمرها، نسبت به رطوبت حساس هستند. بیشتر آزمون ها تحت شرایط آزمایشگاهی استاندارد انجام می شوند و نمونه ها نیز به محض قالب گیری و پس از خشک شدن، تحت آزمون قرار می گیرند.
سرعت آزمون، همانگونه که در بیشتر استانداردها قید شده است، از 1 تا 500 میلی متر بر دقیقه است. این سرعت با توجه به خاصیت مورد اندازه گیری، انتخاب می شود. برای مثال، اندازه گیری مدول الاستیک به طور نرمال با سرعت یک میلی متر بر دقیقه انجام می شود. شکل 1 و 2 نشاندهنده ی نحوه ی اثرگذاری نرخ انجام آزمایش و دما بر روی رفتار تنش- کرنش پلی استایرن با مقاومت به ضربه ی بالا (HIPS) می باشد. ازدیاد طول تا لحظه ی شکست کاهش یافته و میزان استحکام نیز با افت دما، افزایش می یابد. این مسئله با افزایش نرخ تغییر شکل، مشاهده می شود. اثر دما به طور قابل توجهی بالاتر از اثر نرخ تغییر شکل می باشد.

رویه ی مشابهی برای سایر پلیمرها، مشاهده شده است و بنابراین، نموداری که در شکل 3 نشان داده شده است، می تواند به کل پلیمرها، نسبت داده شود. اگر چه این مسئله برای نمودارهای مربوط به HIPS واضح نیست، روند تغییر مدول الاستیک مشابه استحکام است، در حقیقت، با کاهش دما، افزایش می یابد و یا با افزایش سرعت آزمون، افزایش می یابد. تغییرات مدول نیز به طور خاص در T_g ماده، ادامه می یابد و یک افت به میزان 1000 نیوتن بر میلی متر مربع می تواند نتیجه ی تغییرات ماده از حالت شیشه ای به حالت رابری باشد. این مسئله به طور خاص برای ترموپلاست های آمورف، مشهود است. در این مواد اتلاف قابل توجهی در صلبیت ماده مشاهده می شود و از این رو، ظرفیت تحمل بار در این مواد، به طور قابل توجهی تحت تأثیر این موضوع است. در حالی که ترموپلاستیک های شبه کریستالی و پلاستیک های ترموست و یا الاستومرها، در شرایط مشابه، پایداری ساختاری خود را حفظ کرده زیرا در این مواد، پیوندهای عرضی و ساختار کریستالی، یافت می شود. اثر جذب آب
جذب آب باید به عنوان یکی از ملاحظات خاص در مورد پلیمرها جاذب رطوبت، در نظر گرفته شود. بسیاری از پلیمرهای مهندسی مانند پلی آمیدها (نایلون)، ABS، پلی کربنات، مواد سلولزی، پلی (متیل متا اکریلات) و سایر پلیمرها مانند پلی اتیلن و پلی استایرن، به طور معمولی، رطوبت قابل توجهی جذب نمی کنند اما قادرند تا مقادیر قابل توجهی رطوبت را بر روی سطح خود حفظ کنند. این مسئله در زمانی رخ می دهد که این پلیمرها، در برخورد با رطوبت قرار گیرند. جدول 1 لیستی از مقادیر جذب آب برخی از پلاستیک ها می باشد که بوسیله ی استاندارد ASTM D 570 تعیین شده است. مقادیر تعادلی مربوط به جذب آب به طور قابل توجهی برای این پلیمرها، بیشتر است. زیرا مقادیر جذب آب بدست آمده در این روش ها، در دماهای بالاتر است.

پلی آمیدها به طور گسترده ای به عنوان مواد مهندسی مورد استفاده قرار می گیرند و جذب آب آنها بسیار مورد توجه می باشد از این رو، CAMPUS اطلاعات کافی در مورد این موضوع، تهیه کرده است.
شکل 4 نشاندهنده ی اثر رطوبت بر روی پلی آمید 6 و 6 است. همانگونه که مشاهده می شود، افزایش میزان رطوبت موجب کاهش مدول یانگ می شود و همچنین استحکام تسلیم و نهایی نیز کاهش می یابد. البته با افزایش میزان رطوبت، میزان داکتیلیته و تافنس افزایش می یابد.
میزان رطوبت جذب شده، با افزایش دما، افزایش می یابد. این نشاندهنده ی وضعیت های خطرناک تر در زمان کار این پلیمرها در شرایط سرویس دهی می باشد (شکل 5).

اثر بارگذاری درازمدت
مواد ویسکوالاستیک تحت بارگذاری کوچک به صورت تدریجی تغییر شکل می دهند. این مسئله حتی در دمای اتاق نیز رخ می دهد. عموماً ترموپلاست ها نسبت به ترموست ها استعداد بیشتری برای تغییر شکل دراز مدت تحت بارگذاری معین را دارند. رفتار تنش – کرنش طولانی مدت به عنوان خزش تعریف می شود. خزش در واقع با اعمال یک بار ثابت بر روی نمونه، اندازه گیری می شود. در حقیقت با زمان دهی، میزان تغییر شکل، اندازه گیری می شود. به طور عکس، در رهایش تنش، ماده متحمل کرنش ثابت می شود و تنش ایجاد کننده ی این کرنش، در طی زمان، ثبت می شود.
داده های خزش (یعنی کرنش نسبت به زمان) معمولا در سطح مختلف تنش بدست می آیند و این ضروری است که داده ها در دماهای مختلف نیز اندازه گیری شود. این داده ها، به طور خاص، برای پلاستیک های ترد مهم می باشند که احتمال شکسته شدن در آنها وجود دارد. از یک گروه از داده های مربوط به کرنش خزشی، نمودارهای تنش- کرنش همزمان و نمودارهای رهایش تنش بدست می آید (شکل 6). مشابه نمودارهای ایزومتری، یک نمودار مدول خزشی نسبت به زمان از نسبت های تنش به کرنش و در کرنش های معین، قابل حصول می باشد. نمودارهای همزمان برای انواع مختلف از پلیمرها و پلیمرهای تولیدی از تولیدکننده های مختلف در مرکز دیتابیش مرکز داده های مواد، موجود می باشد (در شکل 7 این داده ها برای PA66 آورده شده است). وابستگی دمایی فرآیندهایی مانند خزش، رهایش تنش و پیرسازی، می تواند بوسیله ی معادله ی آرنیوسی، توصیف شود. خزش به طور نرمال تحت شرایط بارگذاری کششی برای پلاستیک ها، اندازه گیری می شود؛ اما روش های آزمون استاندارد دیگری وجود دارد که در آنها، خزش در حالت خمشی نیز اندازه گیری می شود. به هر حال، آزمون های خزشی برای الاستومرها، عموماً در حالت فشاری و همچنین برشی، اندازه گیری می شود. تقاوت ها انعکاس دهنده ی نوع استفاده از این مواد می باشد. آزمون های رهایش تنش به طور نرمال در حالت تغییر شکل کششی انجام می شود اما در مورد مواد رابری و سایر مواد که برای آب بندی و به عنوان واشر استفاده می شوند، این آزمون در حالت فشاری انجام می شود.
اصول انطباق بولتزمن که در واقع یکی از جنبه های ویسکوالاستیسیته است، کل تاریخچه ی بارگذاری در طی تغییر شکل را در نظر می گیرد و بیان کننده ی تغییر شکل در طی زمان است (ε(t)). این فاکتور به کل تاریخچه ی بارگذاری ماده وابسته می باشد. با توجه به این مسئله، خزش پس از یک دوره ی زمانی t، به دلیل بارگذاری مرحله ای این رویه، و با در نظر گرفتن زمان های این خزش ها به صورت زیر بیان می شود:

که در اینجا، J(t) کومپلیانس خزش است یعنی .
اگر تنش به صورت پیوسته تغییر کند، اصل انطباق می تواند به شکل کاملا انتگرالی بیان شود و بدین صورت، تغییر شکل خزشی به صورت زیر بیان شود:

یا اینکه

که در اینجا، u متغیر زمانی است و انتگرال کل تاریخچه ی تنشی را تحت پوشش قرار می دهد یعنی u بین منفی بینهایت تا t تغییر می کند و بیان کننده ی تغییر شکل الاستیک اولیه است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.

منبع مقاله :
Introduction to polymer science and technology/ Mustafa Akay