تغییر شکل پلیمرها

نویسنده: خانم سیمین حاتمی – عصر مواد

پلیمرها، مولکول های درشتی هستند که از تکرار واحدهای ساختاری در کنار یکدیگر به وجود می آیند. این واحدها که منومر نام دارند، با پیوند کوولانسی به یکدیگر متصل هستند و از تکرار آن ها در کنار هم زنجیره های طویل پلیمری حاصل می شود. به تعداد واحدهای منومر در یک مولکول پلیمر، درجه پلیمریزاسیون گفته می شود. نحوه قرارگرفتن زنجیره های پلیمری به دو صورت آمورف و کریستالی است. شکل ۱ طرحواره ای از زنجیره های پلیمری آمورف و کریستالی را نشان می دهد.

شکل۱- طرحواره ای از زنجیره های پلیمری: الف-کریستالی و ب-آمورف

پلیمرها عمدتاً به سه گروه تقسیم می شوند: ترموپلاستیک یا گرمانرم ها، ترموسِت یا گرما سخت ها و الاستومر یا لاستیک ها. قبل از بررسی رفتار تغییر شکل آن ها، تعربف کوتاهی از این مواد ارائه می شود:

پلاستیک های ترموپلاستیک یا گرمانرم در اثر گرما و فشار نرم می شوند، جریان می یابند و در اثر سرما سخت شده و شکل قالب را به خود می گیرند. گرمانرم ها وقتی با مواد مناسب آمیزه سازی شوند، چندین چرخه گرم و سرد شدن را بدون اینکه دچار شکست ساختاری شوند تحمل می کنند. این قابلیت باعث چند بار مصرف بودن این پلیمرها می شود. این رفتار شبیه رفتار موم شمع یا کره است که با گرما دیدن نرم و مایع می شوند و سپس با سرما دیدن منجمد می شوند و شکل قالب را به خود می گیرند.

در مقابل گرمانرم ها، پلاستیک های ترموست یا گرماسخت وقتی گرم می شوند در تغییرات شیمیایی شرکت می کنند، پیوندهای عرضی در آن ها ایجاد می شود و پلیمر جامد می شود. آن ها را می توان به دلخواه با اعمال گرما و فشار شکل داد، اما این مواد نمی توانند در چرخه های تکراری نرم و سخت شدن شرکت کنند. بنابراین گرماسخت ها قابلیت استفاده و قالب گیری مجدد پس از قالب گیری اول را ندارند.

الاستومرها یا لاستیک ها مواد پلیمری هستند که می توانند در دمای اتاق بیش از دو برابر طول اولیه خود افزایش طول یابند و با آزاد شدن نیرو سریعاً به طول اولیه خود هم باز گردند. الاستومرها دارای جهندگی یا قابلیت کشش و انقباض سریع هستند. الاستومرها قابلیت کش آمدن زیاد، محدوده ۱۰۰ تا ۵۰۰ درصد، را بدون پاره شدن دارند. حد بالاتر این کشسانی برگشت پذیر ۱۰۰۰ درصد افزایش طول خطی است.

بررسی رفتار تغییر شکل پلیمرها:

رفتار تغییر شکل پلیمرها به شرح زیر است:

ترموپلاستیک ها:

در طی تغییر شکل بسته به شرایط تغییر شکل، رفتار الاستیک یا پلاستیک نشان می دهند. رایج ترین پلیمر در این گروه، پلی اتیلن (PE) است که یک پلیمر خطی (Liner Polymer) است. پلیمر خطی، پلیمری است که در آن زنجیره ها همدیگر را قطع نمی کنند. پلی اتیلن ساختاری عمدتاً کریستالی دارد. با افزایش دما پیوندهای ثانویه ذوب می شوند و پلیمر مانند مایعی ویسکوز جریان می یابد. از دیگر پلیمرهای این گروه می توان به پلی استایرن (PS) اشاره کرد که ساختاری آمورف دارد.

ترموست ها:

در طی تغییر شکل همیشه رفتار الاستیک نشان می دهند. این گروه از ترکیب دو جزء ساخته شده اند: رزین و سخت کننده یا هاردنر (hardener). این اجزا در اثر اعمال فشار یا گرما واکنش می دهند و پلیمر سختی ساخته می شود. ترموست ها دارای زنجیره های متقاطع زیادی هستند، لذا به آن ها پلیمرهای شبکه ای هم گفته می شود. با افزایش دما، پیوندهای ثانویه ذوب می شوند و مدول الاستیک (E) کاهش می یابد. در دماهای بسیار بالا، این پلیمرها تجزیه می شوند.

الاستومرها:

در طی تغییر شکل، رفتار ویسکو الاستیک (viscoelastic) نشان می دهند. در رفتار ویسکو الاستیک تغییر شکل وابسته به زمان است و هر دو رفتار ویسکوز و الاستیک با هم مشاهده می شوند. الاستومرها پلیمرهایی نسبتاً خطی هستند با پیوندهای متقاطع تصادفی. الاستومرها همواره به صورت غیرکریستالی مشاهده شده اند. در دماهای بالا، تقریباً پیوندهای ثانویه ذوب می شوند. ولی ماهیت پیوندها به گونه ای است که الاستومرها جزء مواد حافظه دار (memory materials) هستند و بعد از تغییر شکل می توانند به شکل اولیه خود بازگردند.

تغییرات مدول الاستیک:

پلیمرهای آمورف خطی مانند پلی استایرن، در طی تغییر شکل رژیم های متفاوتی از مدول یانگ را نشان می دهند (شکل ۲).

شکل۲- تغییرات مدول یانگ نسبت به دما در یک پلیمر خطی بی شکل

معادله ذیل ارتباط بین مدول الاستیک و شرایط بارگذاری را نشان می دهد. در این رابطه Ϭ تنش اعمالی، ϵ کرنش، T دما و t زمان بارگذاری است.

رژیم شیشه ای شدن و استهلاک تنش:

در پلیمرهای بی شکل، دمایی که ماده نرم می شود را دمای انتقال شیشه ای می گویند. دمای انتقال شیشه ای را با T_g نشان می دهند. شکل ۳ طرحواره ای از یک پلیمر خطی بی شکل را نشان می دهد. در این شکل پیوندهای مستحکم کووالانسی با خطوط توپر و پیوندهای ضعیف ثانویه با خطوط نقطه چین نشان داده شده اند. هنگامی که پلیمر در دماهایی پایین تر از T_g، بارگذاری می شود، پیوندهای ثانویه شروع به انبساط کرده و منبسط می شوند.

شکل۳- طرحواره ای از پلیمر خطی بی شکل

در این حالت کرنش حاصله، از معادله ذیل محاسبه می شود:

در این رابطه Ϭ تنش اعمالی، f کسر حجمی پیوندهای کووالانسی، E₁ تقریباً GPa 10³ و E₂ تقریباً GPa 1 است.

انتقال شیشه ای یا ویسکو الاستیک:

در دماهای بیشتر از T_g، فضای خالی اضافی، سبب کاهش دانسیته تراکمی می شود. هنوز مناطقی که دچار تغییر شکل نشده اند در ساختار وجود دارد و با قطع بارگذاری، منطق الاستیک پلیمر را به شکل اولیه برمی گردانند. با افزایش بیشتر دما، پلیمر مانند یک مایع چسبناک جریان می یابد.

تاثیر دما بر رفتار تغییر شکل:

شکل۴-الف، نمودار استحکام کششی-کرنش پلیمر پلیمر پلی متیل متاکریلات (PMMA) را در دماهای مختلف نشان می دهد. با افزایش دما استحکام کاهش یافته و ازدیاد طول افزایش می یابد.

در دمای ۲۵- درجه سانتیگراد (کمتر از Tg 0.8) رفتار ماده کاملاً ترد بوده و نمودار شکست ترد را نشان می دهد. با افزایش دما به صفر درجه سانتیگراد که تقریباً برابر با Tg 0.8 است، شروع تغییر شکل پلاستیک گزارش شده است. با افزایش دما در بازه ۸۰-۲۵ درجه سانتیگراد همزمان با کاهش استحکام، شروع تغییر شکل پلاستیک در کرنش های کمتری رخ می دهد. شکل ۴-ب، نیز نمودار تغییرات رفتار تنش-کرنش را با افزایش دما نشان می دهد. ملاحظه می شود که در دماهای بیشتر از T_g، رفتار کششی ماده، به صورت جریان ویسکوز یکنواختی است.