بررسی آزمون ESCR پلی اتیلن

یکی از این عملکرد های مورد ارزیابی، مقاومت در برابر فشار های زیست محیطی(Enviromental Stress Crack Resistence یا به اختصار ESCR) است.

به علت اینکه روش های آزمون استاندارد برای اندازه گیری ESCR در بازه های زمانی طولانی(گاهی ماه ها) انجام می شود، اگر تا همان زمان مشخص شده نمونه دچار ترک نشده باشد، کیفیت نمونه، مورد قبول ارزیابی می شود.

آزمون در زمان مشخص   و ESCR به صورت >t نمایش داده می شود. بنا بر همین آزمون های طولانی، آزمون های جدید و استاندارد ها به طرز چشمگیری بهبود یافته اند.

در این مقاله به ترک خوردگی در مقابل فشار های زیست محیطی(Enviromental Stress Cracking یا ESC) و مقاومت پلیمر در برابر این ترک ها یا ESCR و اهمیت ESCR به عنوان یک خاصیت مهم رزین پرداخته می شود.

همچنین به توضیح برخی آزمون های ESCR در محصولات HDPE و چگونگی تاثیر ESCR روی رزین پرداخته می شود.

ESCR چیست؟
طبق استاندارد ASTM D883، خاصیت ESCR عبارت است از “یک ترک بیرونی یا درونی در پلاستیک که سبب کاهش استحکام کششی نسبت به استحکام مکانیکی کوتاه مدت آن می شود.”

این نوع از ترک به معنای شکست نمونه در حالت ترد و شکننده، با کمی ضربه یا بدون ضربه به سطح ترک خورده است.

رشد آهسته ترک اصطلاح دیگری است که عموما برای توضیح این ترک خوردگی استفاده می شود. معروف ترین رشد آهسته ترک، تحت عنوان ترک در برابر فشار های زیست محیطی یا ESC شناخته می شود.

ESC معمولا شامل ترک خوردگی نمونه های پلی اولفین در حضور عوامل خیس کننده فعال سطحی مثل الکل، قلیا، سورفکتانت و… می شود.

عوامل فعال سطحی با نمونه وارد برهمکنش شیمیایی نمی شوند و هیچ اثری جز ترک های میکروسکوپی روی ماده ترد و شکننده نمی گذارند.

در غیاب این محیط فعال سطحی، نمونه در هر دوره منطقی زمانی تحت همان شرایط فشاری دچار ترک خوردگی نمی شود. به نظر می رسد این ترک ها به علت نقایص میکروسکوپی آغاز می شوند و به واسطه مناطق کریستال، توسعه می یابند.

مقاومت پلیمر در برابر این رشد آهسته ترک تحت عنوان ESCR شناخته می شود. پلیمر های مختلف، درجه ESCR متفاوتی دارند. برخی از گرید های HDPE مقاومت خوبی در برابر ESC دارند؛ حال آنکه مقاومت برخی از آن ها کمتر است. برخی پلیمر ها مثل پلی پروپیلن ESCR بالایی دارند.

تاثیر پدیده ESC روی مواد پلیمری
 

شکل۱: ترک های سطح لیوانی از جنس PMMA بر اثر ESC

اهمیت ESCR
از آنجا که ترک خوردگی باعث شکست مواد پلاستیکی می شود، یک ماده پلاستیکی باید تحمل بالایی در مقابل ترک خوردگی داشته باشد.

برای مثال بازه زمانی این تحمل برای یک پلی اتیلن استفاده شده در بطری شیر یا آبمیوه، حدود چند ماه و برای یک مخزن سوخت خودرو یا لوله گاز طبیعی، چند ده سال است.

در اواخر دهه ۱۹۴۰، کشور های غربی با ترک هایی گاه و بیگاه در پوشش سیم های برق کشی مواجه شد.

از آزمایشگاه های Bell دلیل این امر خواسته شد؛ که در نهایت متوجه شدند که استفاده از صابون های روان کننده در هنگام نصب سیم، علت این کار بوده است. در این تحقیق، آزمون ESCR Bent Strip برای اولین بار مورد استفاده قرار گرفت.

نحوه اندازه گیری ESCR
همزمان با بهبود مواد در طول سال ها، اصطلاح مقاومت در برابر “رشد آرام ترک یا slow crack grow(SCG)” برای تبیین روش های مختلف آزمون ESCR در زیر توضیح داده شده است.

گسترده ترین و قدیمی ترین روش آزمون SCG، روش ESCR Bent Strip می باشد. به علت محدودیت های روش ESCR Bent Strip، ایالات متحده و اروپا روش های دیگری از ESCR ارائه داده اند. این روش ها شامل روش PENT و NCTL در ایالات متحده و روش FNCT در اروپا می شود.

شکل۲: یک دستگاه تست ESCR

آزمون ASTM D 1693-Bent Strip ESCR
این آزمون که اواخر دهه ۱۹۴۰ توسط آزمایشگاه های Bell معرفی شد، یکی از اصیل ترین و شناخته شده ترین آزمون های ESCR است. ده قطعه مستطیلی مطابق با روش های استاندارد بریده می شوند.

روی هرکدام از نمونه ها یک برش کوچک کنترل شده به جهت آغاز ترک ایجاد می شود. نمونه ها به شکل C خم می شوند و یک فشار روی نمونه ها اعمال می شود. نمودار این روش آزمون در شکل۱ مشخص است.

سپس نمونه های خم شده در لوله ای که از محلول   (یک ماده ضد عفونی با نام آیوپاک پر شده، قرار داده می شود. لوله در یک محیط گرم قرار داده می شود و ترک خوردگی(شکست) آن هر چند وقت یک بار بررسی می شود. غلظت نمونه، دمای محیط و ابعاد نمونه، بسته به شرایط تست، همانطور که در جدول۱ مشخص است، متفاوت است.

آزمون ASTM D 1693-Bent Strip ESCR
 

شکل۳: روش Bent Strip ESCR

جدول۱: سه مورد از شرایط آزمون. شرایط Aبرای پلی اتیلن با چگالی بین ۰٫۹۱۰ و ۰٫۹۲۵ g/cm3 استفاده می شود.

شرایط B برای پلی اتیلن با چگالی بالاتر از ۰٫۹۲۵ g/cm3 استفاده می شود. شرایط C برای آزمون سریع موادی با مقدار ESCR بالا استفاده می شود.

آزمون ASTM D 1693-Bent Strip ESCR

IGEPAL CO-360

شکل۴: محلول IGEPAL CO-360

آزمون ASTM D 5397-NCTL
روش بار کششی ثابت شکاف در یک نقطه یا Single Point Notched Constant Tensile Load(NCTL) در ایالات متحده برای آزمون مواد ژئوممبران استفاده می شود؛ اما سایر مواد PE با اندازه گیری رشد آرام ترک آزمایش می شوند.

آزمون در شرایط دمایی ۵۰°C و درون حلال   تحت نیرویی به اندازه ۳۰% فشار نقطه تسلیم نمونه انجام می شود.

عمق فشار، معادل ۲۰% ضخامت نمونه است. روش در شکل۲ نمایش داده شده است. زمان شکست نمونه ثبت می شود.

نتایج فقط وابسته به شرایط آزمون است و عملکرد نمونه را در شرایط دیگری نشان نمی دهد. شکست هایی که در حالت ترد و شکننده به وجود می آید، شاخصه عملکرد رشد آرام ترک است.

آزمون ASTM D 5397-NCTL در اندازه گیری ESCR 

شکل۵: روش NCTL

آزمون ASTM F 1473-PENT

روش کشش شکاف پلی اتیلن یا Polyethylene Notch Tensile(PENT) در ایالات متحده برای آزمایش لوله های PE که ESCR بالایی دارد استفاده می شود.

عموما این آزمون زمان بیشتری صرف می کند. شرایط محیطی آزمون، دمای هوای ۸۰°C و فشار ۲٫۴ MPa می باشد.نمودار این آزمون در شکل۳ نشان داده شده.

آزمون ASTM F 1473-PENT در اندازه گیری ESCR

شکل۶: روش PENT

نمونه ها مستقیما از لوله یا پلاک قالبی ساخته می شوند. معمولا ابعاد نمونه ۱۰*۲۵*۱۰۰ mm می باشد. یک شکاف باید روی نمونه ایجاد شود که ترک از آن قسمت شروع شود.

یک سری حفره های جانبی نیز برای تسهیل در امر ترک خوردگی ایجاد می شود.

عمق شکاف به ضخامت نمونه بستگی دارد؛ اما معمولا عمق شکاف جلویی(شکاف اصلی) ۱۳۸ میکرون و شکاف های جانبی ۱۴۰ میکرون است. بار اعمال شده، ترک را گسترش می دهد و منجر به شکست نمونه می شود.

شکست به معنای جدایی کامل از نقطه شکاف است. زمان شکست برای هر نمونه ثبت می شود.

آزمون FNCT

روش آزمون خزش کامل شکاف یا Full Notch Creep Test(FNCT) روش استاندارد پذیرفته ای برای آزمایش لوله های PE با مقادیر بالای ESCR در اروپاست. روش FNCT در اروپا به دلیل کاهش زمان شکست ارجحیت بیشتری نسبت به روش PENT دارد.

کاهش زمان شکست در این آزمون به دلیل طراحی خاص نمونه و حضور عوامل فعال سطحی مثل IGEPAL® در محیط رخ می دهد.

در این آزمون برخلاف آزمون PENT، هنوز هیچ شرایط عمومی مورد قبولی مشخص نشده است. با این وجود، این روش به فراوانی در صنایع لوله اروپا استفاده می شود. شکل۴ نشان دهنده روش فوق است.

نمونه آزمایش در ابعاد ۱۰*۱۰*۱۰۰ به صورت یک پلاک قالب یا مستقیما از خود لوله استفاده می شود.

هر چهار طرف نمونه باید شکاف هایی با عمق ۱۵۰۰ میکرون، با حصول اطمینان از بابت برابر بودن شکاف ها، ایجاد شود.

نمونه درون فک های دستگاه کشش قرار می گیرد و تحت دمای کنترل شده ۸۰°C یا ۹۵°C در حمام گردشی قرار داده می شود.

بار اعمال شده بین ۴ و ۵MPa است. زمان شکست برای هر نمونه ثبت می شود.

آزمون FNCT در اندازه گیری ESCR

شکل۷: روش FNCT

مطالب بالا  سعی در بیان کلیاتی در راستای آشنایی با پدیده ESCR دارد و در مقالات بعدی به عوامل تاثیرگذار روی ESCR مواد پرداخته خواهد شد.

منبع: آریا پلیمر پیشگام