آشنایی با آزمون کشش عوامل موثر بر استحکام کششی

همانگونه که پیشتر ذکر شده، استحکام کششی یکی از مهمترین خواص مکانیکی مواد است.

استحکام کششی به میزان زیادی به کیفیت و خواص مورد انتظار نمونه پلیمری تولید شده کمک می کند.

استحکام مواد به عوامل موثر مختلف بستگی دارد. در اینجا به عواملی که باعث افزایش یا کاهش استحکام کششی میشود، اشاره میشود.

ساختار شیمیایی
ساختار شیمیایی مواد، اثر بسیار زیادی روی استحکام کششی دارد. ساختار شیمیایی باعث تشکیل نیروهای بین مولکولی متفاوت در ماده می شود.

نیروهای مولکولی هم عامل تشکیل پیوند های مولکولی مختلف مواد با یکدیگرند؛ بنابراین هر زمان که تغییری در ساختار شیمیایی مواد شکل بگیرد، استحکام کششی به کلی دچار تغییر میشود.

واضح است که پلیمرهای مختلفی که دارای مونومرهایی با ساختار مولکولی متفاوت هستند، نتایج متفاوتی در نمودار تنش-کرنش میدهند.
 

شکل1: مقایسه منحنی تنش-کرنش چند ماده پلیمری با ساختار مولکولی متفاوت

همانگونه که در نمودار مشاهده می شود، پلیمر ها با ساختار شیمیایی مختلف دارای رفتار های متفاوتی هستند.

برای مثال PMMA دارای استحکام کششی بالا و کرنش پایین است ولی رفتار پلی اتیلن به رفتار مواد الاستومر نزدیک تر است.

همچنین از این نمودار استنتاج می شود که LDPE رفتار الاستومری تری نسبت به HDPE دارد؛ گرچه هیچکدام از پلیمر های فوق، کاملا الاستومر نیستند.

دما
دمایی که هنگام آزمون کشش اعمال می¬شود، عامل بسیار موثری در رفتار تنش – کرنش پلیمرها است. با افزایش دما اغلب استحکام کششی و الاستیسیته مواد(مخصوصا فلزات) شروع به کم شدن میکند.

همچنین چکش خواری و انعطاف پذیری مواد با افزایش دما زیاد می¬شود. این پدیده به تغییرات در ساختار مولکولی پلیمرها با تغییرات دمایی مرتبط میشود.

برای بررسی جزیی تر این مفهوم، باید به تعریف و تبیین یک مفهوم جدید به نام "دمای انتقال شیشه ای" پرداخته شود.

مشاهده میشود یک سطل پلاستیکی یا هر شی پلاستیکی دیگر، در زمستان راحت تر از فصل تابستان شکسته میشود.

آنچه در این مورد تجربه می¬شود به پدیده انتقال شیشه ای یا glass transition مرتبط میشود.

این پدیده تنها برای پلیمرها رخ می¬دهد و یکی از مواردی است که پلیمرها را منحصر به فرد می نماید.

در این پدیده، دمایی وجود دارد (این دما برای هر پلیمر، متفاوت است) تحت عنوان دمای انتقال شیشه ای یا glass transition temperature که به اختصار Tg نشان داده می شود.

هرگاه پلیمر تا دمایی کمتر از دمای مذکور سرد شود، مثل شیشه، سخت و شکننده می¬شود. پلاستیک های سختی مثل پلی استایرن و پلی(متیل اکریلات) دارای Tg بسیار بالاتری از دمای اتاق هستند (دمایی در حدود °C100(. پس آنها در دمای محیط، در حالت شیشه ای(glassy state) قرار دارند.

الاستومر های لاستیکی(Rubber elastomers) مثل پلیایزوپرن و پلیایزوبوتیلن دارای Tg پایینی در مقایسه با دمای محیط دارند به طوری که در دمای اتاق دارای حالت لاستیکی(rubbery) هستند که مواد در این حالت، نرم و انعطاف پذیرند.

برای بررسی تاثیر دما بر استحکام کششی، پلی(متیل متاکریلات) یا به اختصار PMMA به عنوان نمونه در نمودار زیر بررسی میگردد.

هرچقدر دما افزایش پیدا کند، PMMA انرژی گرمایی لازم را برای برخی تحرکات زنجیره ای به دست میآورد.  Tg این پلیمر، بسته به  جهت گیری فضایی مونومر ها(tacticity) از 45°C تا 130°C متغیر است.

در نمودار زیر، این ماده دارای Tg در حدود 50°C-60°C است.
 

شکل3: نمودار تاثیر دما بر استحکام کششی PMMA

در نمودار بالا دیده میشود که ماده در دما های مختلف، رفتار متفاوتی از خود نشان میدهد.

برای مثال در 4°C ترد، در دماهای حدود 20°C-50°C در محدوده نیمه چکش خوار و چکش خوار و در دمای 60°C رفتاری شبه الاستومر دارد. 

افزودنی ها

ابتدا باید به این سوال پاسخ داد که افزودنی ها(additives) چه موادی هستند.

بیشتر مواد پلیمری به طور خالص از یک پلیمر ساخته نشده اند؛ بلکه یک سری ترکیبات شیمیایی و معدنی به جهت بهبود رفتار فیزیکی، بیولوژیکی و شیمیایی، به آنها افزوده میشود.

این مواد شیمیایی افزوده شده یا افزودنی ها عموما با هدف اصلاح خواص، کمک به پیشرفت فرایند و افزودن خواصی جدید به ماده استفاده میشوند.

انواع رایج تر افزودنی ها عبارتند از: پرکننده ها(fillers)، تقویت کننده ها(reinforcements)، نرم کننده ها(plasticizers)، آنتی اکسیدانت ها(antioxidant)  و...

به عنوان نمونه در اینجا به تاثیر پرکننده ها پرداخته می شود.طبق استاندارد ASTM D883 پرکننده به ماده ای گفته می شود که به جهت کاهش هزینه ها یا اصلاح استحکام، دوام و سایر خواص افزوده می شود.

در نمودار زیر، استحکام کششی اپوکسی خالص وترکیبات اپوکسی حاوی سیلیس مقایسه میشود.
 

شکل4: a)منحنی تنش-کرنش اپوکسی خالص و ترکیبات اپوکسی؛ b)تاثیر مقادیر مختلف SiO2-GO روی استحکام کششی و مدول رزین اپوکسی.

در شکل بالا به مقایسه اپوکسی خالص با پرکننده های مختلف(شکل سمت چپ) و استحکام کششی و مدول اپوکسی با تغییر درصد وزنی پرکننده SiO2-GO (شکل سمت راست) پرداخته شده است.

همانطور که در شکل سمت راست دیده می شود، در ابتدا افزایش درصد وزنی SiO2-GO باعث افزایش استحکام کششی می شود تا به یک حد بهینه می رسو و پس از آن، استحکام کششی کاهش می بابد.

این امر یک دلیل میکروسکوپی دارد. در ابتدا که درصد وزنی پرکننده کم است، افزودن پرکننده باعث افزایش استحکام کششی می شود. اما بعد از یک درصد وزنی بهینه، افزودن پرکننده تنها مانعی برای منظم شدن ساختار زنجیره ها در هنگام کشش و درنتیجه باعث کاهش استحکام کششی می شود.

در مورد پرکننده SiO2-GO موجود در اپوکسی، این درصد وزنی بهینه برابر 10% است.

این در حالی است که مدول کششی با افزایش میزان پر کننده بهبود می یابد.

همچنین به تاثیر الیاف شیشه ای(glass fiber) به عنوان نوع رایج از تقویت کننده ها به نام روی استحکام کششی پلیمرهای مختلف در جدول زیر مورد بررسی قرار گرفته است.

جدول1: تاثیر افزودی تقویت کننده الیاف شیشه ای بر استحکام کششی مواد
 
در این جدول مشاهده میشود افزودن الیاف شیشه به مواد پلیمری مختلف، تا چه اندازه روی استحکام کششی، درصد کرنش و مدول تاثیر می¬گذارد. مثلا ABS خالص دارای استحکام کششی 40MPa می باشد ولی پس از افزودن 30% الیاف شیشه ای، استحکام کششی آن تا 60MPa افزایش پیدا می کند(تا 50% افزایش)

علاوه بر این، از روی داده جدول بالا، به تاثیر آلیاژسازی هم می توان پی برد. دیده می شود که استحکام کششی پلی ایمید خالص و آلیاژ پلی آمید و پلی ایمید به ترتیب 85MPa و 110MPa است.نمودار زیر، اختصاصا به تاثیر الیاف شیشه ای روی پلی پروپیلن می پردازد.
 

شکل5: منحنی های تنش-کرنش پلی پروپیلن خالص، پروپیلن با مقادیر مختلف الیاف شیشه ای و RPP(Recycled Polypropylene) 

در نمودار بالا منظور از RPP(Recycled Polypropylene) پلی پروپیلن بازیافتی است. همانگونه که در نمودار فوق مشاهده می شود با افزایش میزان الیاف شیشه، نمودار تنش کرنش پلیمر تغییر کرده و به سمت کرنش و استحکام کششی بالاتر شیفت می کند.

سرعت کشش
سرعت کشش و نرخ کرنش، از مهم ترین عوامل تاثیرگذار است. در سرعت های بالاتر کشش، ماده، مستحکم تر و سفت تر(stiff) به نظر میآید.

برای پلیمرهای ترموپلاستیک و الاستومر که ممکن است بیشتر از 100% کرنش داشته باشند، معمولا بازه سرعت کشش اعمال شده در حدود 2-20mm/min است.
 

شکل6: نمودار تاثیر سرعت کشش بر استحکام کششی

مشاهده می شود که هرچه سرعت کشش از V1 به سمت V4 می رود، ماده پلیمری رفتاری ترد تر و شکننده تر از خود نشان می دهد.

رطوبت
هنگامی که پلیمری در معرض رطوبت قرار می¬گیرد، بسته به ماهیت پلیمر، می¬تواند رطوبت جذب کند. رطوبت اثر نرم کنندگی دارد؛ از این رو استحکام را کم و کرنش را زیاد میکند.

در نمودار زیر، تاثیر رطوبت برروی استحکام کششی و کرنش پلی آمید یا  PA مورد بررسی قرار می-گیرد. 

شکل7: نمودار تنش-کرنش پلی آمید در یک سرعت کشش ثابت با مقادیر مختلف رطوبت 

از نمودار می توان نتیجه گرفت که هرچه رطوبت جذب شده توسط پلی آمید بیشتر باشد، ماده نرم تر و به مواد الاستومر نزدیک تر است.

درجه بلورینگی
پلیمرها به لحاظ مورفولوژی به دو شکل کریستال و آمورف تقسیم میشوند. به طور خلاصه میتوان گفت کریستال به پلیمری اطلاق میشود که مولکول های آن به صورت منظم کنار یکدیگر قرار گرفته اند و این ساختار منظم در نواحی دیگر تکرار میشود.

این نواحی منظم به ساختار کریستالی معروف هستند. 

 
شکل8: شمایی از  کریستال ها

شکل دیگر پلیمرها، پلیمرهای آمورف هستند. در این حالت مولکول های پلیمری به صورت تصادفی به یکدیگر گره خورده اند که میتوان آن را به ظرف ماکارونی تشبیه کرد.

شکل9: شمایی از یک پلیمر آمورف

اگرچه هیچ پلیمری به طور کامل کریستال نیست (به دلیل وجود نواحی آمورف) اما بسیاری از پلیمرها هستند که دارای نواحی کریستالی زیادی هستند. به این پلیمرها، پلیمرهای شبه کریستالی(semi-crystalline) میگویند.

شکل10: شمایی از یک پلیمر شبه کریستال

برای تعیین میزان کریستال بودن یک پلیمر از پارامتری به نام درجه بلورینگی استفاده می¬کنند. درجه بلورینگی، درصد جرمی یا حجمی نواحی کریستال در پلیمر را نشان میدهد.

شکل11: نمودار درجه بلورینگی برحسب وزن مولکولی پلی اتیلن

نمودار بالا، حالت فیزیکی پلی اتیلن را در درجه بلورینگی متفاوت، در وزن های مولکولی مختلف نشان می¬دهد. مشاهده میشود که هرچه ماده به سمت درجه بلورینگی بیشتر حرکت کند، حالتی سخت تر و شکننده تر به خود میگیرد.

پیشتر به مقایسه استحکام کششی مواد در حالات فیزیکی مختلف(شکننده، نیمه چکش خوار، چکش خوار و الاستومر) پرداخته شد.

موارد ذکرشده، از مهمترین عوامل موثر بر استحکام کششی بودند. از دیگر عوامل تاثیرگذار میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

•    شکل هندسی نمونه تحت کشش
•    شرایط سطح نمونه
•    کشش در نمونه به دلیل نیروهای خارجی
•    طول و سطح مقطع نمونه
•    لغزش فک دستگاه آزمون کشش، تغییر شکل ناشی از فشار فک ها، اعمال تنش بیشتر و در نتیجه کرنش بیشتر در ناحیه گردن نمونه و سایر عواملی که باعث افزایش خطای اندازه گیری می¬شوند.

گرد آورنده: حسین چیانی

منبع: آریا پلیمر پیشگام