بررسی آزمون کشش پلیمرها

مقدمه

خواص مکانیکی پلیمرها از طریق بسیاری از پارامترهای مشابهی که برای فلزات استفاده می‌شود، مانند مدول الاستیسیته، تسلیم و استحکام کششی و… تعریف می‌شوند. برای بسیاری از مواد پلیمری، آزمایش ساده کشش جهت تعیین بسیاری از این خواص مکانیکی انجام می‌گیرد. خصوصیات مکانیکی پلیمرها در بیشتر موارد، به سرعت تغییر شکل (نرخ کرنش)، دما و ماهیت شیمیایی محیط (وجود آب، اکسیژن، حلال‌های آلی و…) بسیار حساس هستند. این خواص، پلیمرها را از کوچک مولکول‌ها متمایز می‌کند و اطلاعات زیادی درباره نحوه استفاده از پلیمرها به دانشمندان یا مهندسان پلیمر می‌دهد.
در این مقاله به صورت مختصر به بررسی خواص کششی پلیمرها پرداخته شده است.

کلیدواژه: خواص مکانیکی، آزمون کشش، نمودار تنش-کرنش.

آزمون کشش

بیشتر ترموپلاستیک‌ها، رفتار غیر الاستیک دارند به این معنا که تنش و کرنش در بیشتر قسمت‌های نمودار تنش بر حسب کرنش، به صورت خطی باهم در ارتباط نیستند. رفتار این مواد معمولا به صورت ویسکوالاستیک است یعنی هنگامی که یک نیروی خارجی به پلیمر ترموپلاستیک وارد می‌شود، این ماده هر دو تغییر شکل الاستیک و پلاستیک (یا ویسکوز) را از خود نشان می‌دهد. رفتار مکانیکی پلیمرها و تغییر شکل آن‌ها (کرنش) به نحوه تحرک زنجیره‌های پلیمری تحت باری (تنش) که به آن‌ها وارد می‌شود بستگی دارد.
اساسی‌ترین آزمون تعیین خواص مکانیکی یک ماده، آزمایش کشش است. در آزمون کشش، مواد به صورت یکنواخت کشیده می‌شوند.
از آنجایی که نیرو بر روی یک سطح مقطع عمل می کند، تنش به عنوان نیرو در واحد سطح تعریف می شود:
σ=F/A

که در آن σ تنش، F نیروی اعمال شده، و A سطح مقطع نمونه است.
به طور مشابه، کرنش به عنوان درصد تغییر طول تعریف می‌شود. بنابراین کرنش تغییر طول تقسیم بر طول اصلی است:
ε=∆L/L
که در آن، Ɛ کرنش، L∆ تغییر در طول و L معادل طول اولیه است.
درحالت کلی، هنگامی که نمونه تحت کشش قرار می‌گیرد، طول آن افزایش و سطح مقطع آن کاهش می‌یابد. اما در محاسبه کرنش مهندسی، از تغییر در سطح مقطع نمونه صرف نظر می‌شود.
تنش و کرنش تحت تاثیر تغییرات دما و زمان‌های طولانی مدت (خزش) هستند و چندین بار تکرار تنش (خستگی) بر روی کرنش تاثیرگذار است.
خواص کششی، از طریق قرار دادن نمونه‌ای دمبلی شکل میان دو گیره دستگاه کشش که با استفاده از نیروی هیدرولیکی یا مکانیکی با سرعت ثابتی از یکدیگر دور می‌شوند تا زمانی که نمونه دچار پارگی شود، ارزیابی می‌شود. در این صورت، نیروی اعمال شده (تنش) و همچنین ازدیاد طول (کرنش) القا شده در نمونه اندازه‌گیری می‌شود، از آنجایی که سطح مقطع نمونه پلیمری ثابت در نظر گرفته می‌شود، می‌توان نمودار تنش در مقابل کرنش را رسم کرد (شکل 1). منحنی تنش-کرنش می‌تواند اطلاعاتی درباره استحکام، چغرمگی، سفتی، شکل‌پذیری (ductility) و… را ارائه دهد.

همانطور که اشاره شد، خواص مکانیکی پلیمرها نسبت به تغییرات دما بسیار تاثیر‌پذیر است. به عنوان مثال شکل (2) نمودار تنش-کرنش پلی متیل متاکریلات (PMMA) را در دماهای 60-4 درجه سانتیگراد نشان می‌دهد.

همچنین کاهش نرخ تغییر شکل تاثیر مشابهی بر روی منحنی تنش-کرنش پلیمرها می‌گذارد، به این معنا که با کاهش نرخ کرنش، ماده نرم‌­تر می‌شود و چکش‌­خواری (ductility) افزایش می­‌یابد.

نواحی مختلف نمودار تنش-کرنش

نمودار تنش-کرنش پلیمرها از نواحی مختلف تشکیل شده است که در ادامه به توضیح آن‌ها پرداخته می‌شود. شکل(3)، نشان‌دهنده نواحی نمودار تنش-کرنش یک نمونه پلیمری تحت آزمون کشش است:

این نواحی شامل:

1-ناحیه الاستیک

هنگامی که ماده برای اولین بار تحت تنش قرار می‌گیرد، ابتدا از خود رفتار الاستیک نشان می‌دهد. رفتار الاستیک به این معناست که اگرچه ماده تحت تنش دچار تغییر شکل می‌شود، اما پس از برداشتن یا حذف تنش به حالت اولیه خود باز گردد. دلیل این رویداد، کشیده شدن پیوندهای اتمی و بازگشت آن‌ها به حالت اولیه پس از حذف تنش است. بنابراین رفتار الاستیک، اگرچه اندک، در تمامی مواد رخ می‌دهد.
از طریق شیب ناحیه الاستیک، مدول یانگ محاسبه می‌شود.

2-ناحیه پلاستیک

بالاترین نقطه در نمودار تنش-کرنش، ناحیه تسلیم (Yield) نامیده می‌شود. هنگامی که ماده به نقطه تسلیم می‌رسد وارد ناحیه تغییر شکل دایمی می‌شود. تنش و تغییر شکل متناظر با این نقطه را به ترتیب، تنش تسلیم (yield strength) و ازدیاد طول در نقطه تسلیم (elongation at yield) می‌نامند. فراتر از نقطه تسلیم، مواد به صورت قابل توجهی کشیده و منبسط می‌شوند و این ناحیه، ناحیه پلاستیک نامیده می‌شود. افزایش طول و کشش بیشتر نمونه، منجر به پدیده strain hardening می‌شود. در این ناحیه، در ابتدا زنجیره‌های پلیمری از حالت ارتجاعی خود خارج می‌شوند (yielding) و سپس نمونه از یک ناحیه دچار انقباض عرضی و کشش طولی شده و شکلی به فرم گردن به خود می‌گیرد، که به این ناحیه، necking می‌گویند. پدیده necking پیشروی می‌کند تا تغییر شکل زنجیره‌ها هم‌راستا شوند. در ناحیه پلاستیک، به دلیل جهت‌گیری زنجیره‌ها در راستای کشش، استحکام نمونه افزایش می‌یابد در نهایت، پدیده necking در امتداد نمونه گسترش می‌یابد و نمونه دچار پارگی می‌شود. شکل 4 (a-e) مکانیسم زنجیره‌های پلیمری در آزمون کشش و پدیده strain hardening را برای یک نمونه پلیمر نیمه‌کریستالی نشان می‌دهد:

حداکثر مقدار تنش در منحنی تنش-کرنش مهندسی، “استحکام کششی نهایی” (ultimate tensile strength.) نامیده می‌شود. این مقدار، بالاترین تنشی است که نمونه می‌تواند تحمل کند. همچنین تغییر شکل متناظر با نقطه شکست را ازدیاد طول در نقطه شکست (elongation at break) می‌نامند.
رفتار تنش-کرنش یک ماده پلیمری به ویژگی‌های مولکولی و ریزساختار پلیمرها بستگی دارد. پلیمرها می‌توانند رفتارهای تنش-کرنش بسیار متفاوتی داشته باشند، به ویژه به این دلیل که برهمکنش‌های پلیمری خاص می‌توانند در سطوح مختلف تنش تغییر کنند. شکل 5، انواع رابطه تنش-کرنش بدست آمده برای گروه‌های مختلف پلیمری را نشان می‌دهد.

از تصویر بالا استنباط می‌شود که مواد صلب (rigid)، دارای مدول یانگ بالایی هستند، اما در صورت قرار گرفتن در معرض تنش، سریع‌تر از سایر گروه‌ها دچار شکستگی می‌شوند و به آن‌ها پلاستیک‌های شکننده (brittle) می‌گویند. پلی استایرن (PS) جزو این دسته از پلیمرهاست.
در مقابل، نمودار آخر نشان‌دهنده رفتار مکانیکی گروه رابری پلیمرها به نام الاستومرهاست که هم مقادیر مدول یانگ پایینی دارند و هم می‌توانند مقادیر زیادی از تنش کششی قابل بازگشت را تا قبل از پارگی متحمل شوند.
منحنی دوم مربوط به مواد نیمه چکش‌خوار (Semi-ductile) مانند پلی متیل متاکریلات (PMMA) است و در نهایت منحنی سوم مربوط به مواد چکش‌خوار است که مدول آن‌ها نسبت به مواد صلب و نیمه‌چکش‌خوار پایین‌تر است ولی در مقایسه سطح زیر نمودار این مواد با گروه‌های دیگر، چغرمگی آن‌ها بالاتر است و انرژی بیشتری را تا رسیدن به نقطه پارگی تحمل می‌کنند. پلی کربنات دراین گروه از مواد قرار گرفته است.

نتیجه‌گیری

ویژگی کشش یکی از مهمترین خواص مکانیکی انواع پلیمرها محسوب می‌شود. شناخت و بررسی خواص مکانیکی از مهمترین بخش تولید محصولات پلیمری به شمار می‌آید و بیش از خواص دیگر مانند خواص حرارتی، نوری و رئولوژیکی، امکان مقایسه مواد و کنترل کیفیت آنها در جهت بهبود خواص محصول تولیدی در اختیار تولیدکننده قرار می‌دهد. آزمون کشش برای تعیین ویژگی‌های مکانیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این آزمون، محصول مورد آزمایش تحت نیروی کششی تا نقطه شکست قرار می‌گیرد و در همین حین، ازدیاد طول به صورت همزمان با نیروی بار اعمالی ثبت می‌شود. نتایج این آزمون به منظور کنترل کیفیت و پیش‌بینی اینکه یک ماده تحت انواع نیروها چگونه واکنش نشان می‌دهد به کار می‌رود. نتیجه این آزمون به صورت منحنی تنش-کرنش می‌باشد،که مشخص‌کننده رفتار ماده تحت کشش است. داده‌های به دست آمده از این آزمون برای تعیین خواص مکانیکی ماده به کار می‌رود.گردآورنده: ثمین سالکی
ویراستار علمی: مرضیه شمس هرندی

منابع

1.https://insights.globalspec.com/article/7810/how-to-perform-tensile-testing-on-polymers
2.https://msestudent.com/stress-strain-and-the-stress-strain-curve/
3.https://eng.libretexts.org/Bookshelves/Materials_Science/Supplemental_Modules_(Materials_Science)/Polymer_Chemistry/Polymer_Chemistry%3A_Mechanical_Properties
4. https://polymerinnovationblog.com/characterization-thermosets-part-21-tensile-testing-polymers-molecular-interpretation