صفر تا صد تعیین خواص مکانیکی پلیمرها

تعیین خواص مکانیکی پلیمرها از آن دسته کارهایی است که انجام آن می تواند اطلاعات به دردبخور بسیاری را در اختیار محققان قرار دهد. می دانیم که می دانید پلیمر یا بسپار، درشت مولکولی متشکل از تعداد قابل توجهی تکپار است. در واقع تکپارها به صورت زنجیره ای به هم وصل شده و واحد بزرگتری به نام بسپار تولید می نمایند. بسپارها چه از نوع طبیعی و چه از نوع مصنوعی؛ نقش غیر قابل انکاری در زندگی روزمره ما انسان ها ایفا می نمایند. شاید باورتان نشود، اما پشم، پنبه، ابریشم، نشاسته و سلولز سرشار از بسپار یا اصطلاحا پلیمرند.

به عقیده شمار زیادی از محققان پلیمرها موادی مقاوم، چقرمه و شکل پذیر هستند. در واقع مقاومت، چقرمگی و چکش خواری مهم ترین خواص مکانیکی پلیمرها محسوب می شوند. اما مقاومت به چه معناست و چگونه می توان مقدار آن را تعیین کرد؟چقرمگی یعنی چه و چه تفاوتی با مقاومت دارد؟ آیا این سه مورد تنها خواص مکانیکی پلیمرها هستند یا این درشت مولکول های کارآمد، خواص مکانیکی دیگری نیز دارند؟!

اگر پاسخ جامع و قانع کننده ای برای سوالات فوق الذکر در چنته ندارید، جای خوبی آمده اید. این جا بهشت شما و این مطلب مختص شماست. تا پایان همراهمان باشید که به همراهیتان دلگرمیم!

همه چیز درباره مقاومت پلیمرها

مقاومت یکی از مهم ترین خواص مکانیکی پلیمرهاست که شاید در نگاه اول درک دقیق آن برایتان دشوار به نظر برسد. نخست باید بدانید که پلیمرها دارای دو نوع مقاومت هستند؛ یکی مقاومت کششی و دیگری مقاومت فشاری.

مقاومتی که یک پلیمر در برابر کشش اعمال شده از طرفین از خود به نمایش می گذارد؛ مقاومت کششی نام دارد. این نوع مقاومت برای آن دسته از پلیمرهایی که می بایست تحت فرایند کشش قرار بگیرند، بسیار مهم است. الیاف نمونه بارزی از این پلیمرها به شمار می آیند! مقاومت یکی از مهم ترین خواص مکانیکی پلیمرهاست که شاید در نگاه اول درک دقیق آن برایتان دشوار به نظر برسد. نخست باید بدانید که پلیمرها دارای چند نوع مقاومت مهم هستند؛ مقاومت کششی، مقاومت فشاری، مقاومت خمشی، مقاومت پیچشی و مقاومت ضربه ای!

مقاومتی که یک پلیمر در برابر کشش اعمال شده از طرفین از خود به نمایش می گذارد؛ مقاومت کششی نام دارد. این نوع مقاومت برای آن دسته از پلیمرهایی که می بایست تحت فرایند کشش قرار بگیرند، بسیار مهم است. الیاف نمونه بارزی از این پلیمرها به شمار می آیند!

مقاومت فشاری یکی دیگر از انواع مقاومت مکانیکی پلیمرها است. منظور از مقاومت فشاری، مقاومتی است که پلیمر در برابر فشردگی از خود نشان می دهد. با این اوصاف یک نمونه پلیمری را دارای مقاومت فشاری می دانند، اگر بتواند در برابر فشردگی مقاوم باشد. بتن یکی از مقاوم ترین پلیمرها در برابر فشار است.

مقاومت خمشی یکی دیگر از انواع مقاومت های مکانیکی پلیمرها می باشد. در صورتی که یک پلیمر در برابر خم شدن مقاومت کند، می گویند که آن پلیمر دارای مقاومت خمشی است. آیا با توجه به آنچه که تا بدین جا گفتیم، می توانید تعریف مناسبی از مقاومت پیچشی و مقاومت ضربه ای ارائه بدهید؟!

آفرین، درست حدس زدید. مقاومت پیچشی به مقاومت پلیمر در برابر پیچانده شدن و مقاومت ضربه ای به مقاومت آن در برابر ضربه های شدید و ناگهانی اطلاق می گردد. راستی مقاومت شما در برابر پیچانده شدن چقدر است؟! این پیچانده شدن پلیمر گونه نه ها، آن یکی را می گوییم!

تعیین مقاومت پلیمرها

بیایید نحوه تعیین یکی از انواع مقاومت پلیمری نظیر مقاومت کششی را مورد بحث قرار دهیم. برای اندازه گیری این نوع مقاومت، نمونه پلیمری مورد نظر را گرفته و با استفاده از ماشین مخصوص از دو طرف می کشیم. نیرویی که برای این کار لازم است (F)، توسط دستگاه ثبت می گردد. سپس این عدد را به سطح مقطع جسم (A) تقسیم کرده و تنش وارد شده به نمونه را به دست می آورند.

در ادامه روند اندازه گیری میزان مقاومت کششی نمونه، مقدار نیرو را افزایش می دهیم. همان طور که از فرمول فوق پیداست، مقدار نیرو با مقدار تنش رابطه مستقیم دارد. در نتیجه مقدار تنش نیز افزایش پیدا می کند. افزایش مقدار نیرو و تنش تا چه زمانی ادامه پیدا می کند؟!

تا زمانی که نمونه پلیمری دچار شکست شود. مقدار تنشی که برای شکست نمونه مورد نظر لازم است، بیانگر مقاومت کششی آن است.

سیر تا پیاز ازدیاد طول پلیمرها

ازدیاد طول یکی دیگر از خواص مکانیکی پلیمرها است. اگر دقت کرده باشید، مقاومت تنها مقدار نیروی مورد نیاز برای شکست نمونه را در اختیار ما قرار می دهد. اما چه کسی می داند که تا زمان رسیدن به نقطه شکست، چه بلایی سر نمونه پلیمری می آید! این موضوع بررسی رفتار ازدیاد طول نمونه پلیمری را به امری حائز اهمیت تبدیل نموده است. همان طور که در جریان هستید، ازدیاد طول؛ نوعی تغییر شکل نمونه پلیمری تحت تنش محسوب می شود. هنگامی که از مقاومت کششی یک نمونه پلیمری صحبت می کنیم؛ به این موضوع واقفیم که طول نمونه در اثر کشیدگی، افزایش پیدا می کند. درصد این ازدیاد طول از طریق فرمول زیر قابل اندازه گیری است:

L0 طول اولیه نمونه و L طول نمونه پس از کشیده شدن می باشد.

کاربرد نتایج حاصل از آزمون کشش

تا بدین جا دریافتیم که آزمون کشش یکی از کاربردی ترین آزمون های مخرب علم مواد می باشد. در این آزمون یک نمونه پلیمری را تحت اثر کشش تک محوری قرار داده و از این طریق حد شکست آن را مورد مطالعه قرار می دهند. از طریق نتایج این آزمون می توانید خواصی همچون مدول یانگ، مقاومت کشش نهایی و ازدیاد طول را که پیش تر به آن پرداختیم، به طور مستقیم اندازه گیری کنید.

آزمون فشار و نتایج آن

آزمون فشار آزمونی کاربردی است که به منظور ارزیابی رفتار پلیمرها، تحت فشار تک محوره به کار گرفته می شود. در مراحل اولیه آزمون فشار، رابطه میان بار وارد شده به نمونه پلیمری و ازدیاد طول آن خطی است. بنابراین اگر بار وارد بر نمونه در این محدوده برداشته شود، نمونه بدون هیچ گونه تغییر شکلی به شرایط پیش از بارگذاری بر می گردد. این ناحیه را تحت عنوان ناحیه الاستیک نامگذاری می کنند.

در مراحل بعدی آزمون فشار، رابطه میان نیرو و ازدیاد طول از خطی بودن فاصله می گیرد. هرچه نیروی وارد بر نمونه پلیمری بیشتر شود، ماده به ناحیه جدیدی تحت عنوان ناحیه تغییر شکل پلاستیک نزدیک و نزدیک تر می شود. در صورتی که بار اعمال شده بر نمونه در این مرحله از روی آن برداشته شود، ماده قادر به بازگشت به حالت پیشین خود نخواهد بود.

نقطه ای که در آن نمونه پلیمری از حالت الاستیک خارج و به حالت پلاستیک وارد می گردد، حد الاستیک یا نقطه تسلیم نامیده می شود. تست فشار که راهی برای تعیین خواص مکانیکی پلیمرهاست، غالبا تا زمان شکست نمونه ادامه پیدا می کند.

چقرمگی یعنی چه؟

چقرمگی به میزان انرژی ای دلالت دارد که نمونه پلیمری پیش از رسیدن به نقطه شکست جذب می کند. اگر جزء آن دسته از افرادی هستید که فکر می کنید چقرمگی با مقاومت یکی است، سخت در اشتباهید. همان طور که پیش تر نیز اشاره کردیم، مقاومت مقدار نیروی لازم برای رسیدن نمونه به نقطه شکست است و چقرمگی مقدار انرژی جذب شده توسط آن. لازم به ذکر است که مقاوم بودن یک نمونه پلیمری لزوما بدین معنا نیست که آن نمونه چقرمه است. یعنی ممکن است یک نمونه هم مقاوم باشد هم چقرمه یا نه مقاوم باشد، نه چقرمه یا مقاوم باشد، اما چقرمه نباشد. می توانید این موارد را در نمودار زیر به وضوح مشاهده کنید!

رابطه مقاومت و چقرمگی

نمونه ای که با رنگ آبی در نمودار مشخص شده است، مقاوم و غیر چقرمه می باشد. این نمونه به نیروی زیاد و انرژی کمی برای شکست نیاز دارد. کوچکی سطح زیر زیر نمودار گواهی بر این مدعاست. چنین نمونه هایی که در عین مقاوم بودن، تغییر شکل زیادی را تجربه نمی کنند؛ جزء مواد شکننده محسوب می شوند.

نمونه ای که با رنگ قرمز در نمودار مشخص شده است، هم مقاوم است و هم چقرمه. البته مقاومت آن به اندازه نمونه نمودار آبی رنگ نیست. بزرگ بودن سطح زیر نمودار قرمز نشان دهنده زیاد بودن انرژی جذب شده توسط این نمونه برای رسیدن به نقطه شکست است. تغییر شکل این نمونه به طور قابل توجهی زیاد است.

با وجود این مطلب جامع، باز هم سوالی درباره تعیین خواص مکانیکی پلیمرها دارید؟!