• لاستیک گسترسامه
• 19 آذر 1401
• 208

خواص مکانیکی پلیمرها

خواص مکانیکی پلیمرها

اولین خواص کاربردی پلیمرها مقاومت مواد پلیمری در برابر نیروها و تنش های وارد شده اعم از نیروهای کششی، برشی و فشاری منجر به ارائه اطلاعات مکانیکی در آن ها می گردد. خواص مکانیکی شامل سختی، استحکام، مدول الاستیسته و چقرمگی شکست، رفتار خستگی و خزشی اصلی ترین خاصیتی است که در پلیمرها، کامپوزیت ها و نانوکامپوزیت های پلیمری مورد توجه بوده و تعیین کننده رفتار مواد در برابر نیروهای وارده هستند. در بین انواع نمودارها و آزمون های مرتبط با خواص مکانیکی، منحنی تنش کرنش که در اثر اعمال نیروی کشش به قطعه پلیمری رسم می شود

اصلی ترین و رایج ترین شکل ارائه دهنده این خواص است. شکل نمودار تنش- کرنش انواع پلیمرها سه حالت متصور است که براساس ساختار زنجیره پلیمری تقسیم بندی می گردد.

خواص حرارتی پلیمرها

دومین خواص کاربردی پلیمرها مورد توجه در پلیمرها پایداری حرارتی آنها است که تابع فاکتورهای گوناگونی می باشد به طور کلی پلیمرها از مقاومت حرارتی پایین برخوردارند و از این رو برحسب نوع کاربرد به لحاظ خواص حرارتی مورد بررسی قرار می گیرند. در بین انواع آزمون های حرارتی، تجزیه گرمایی تفاضلی، گرماسنجی روبشی تفاضلی و به تبع آن آنالیز گرماوزن سنجی که در اثر اعمال گرادیان حرارتی به قطعه پلیمری صورت می گیرد اصلی ترین و رایج ترین شکل ارائه شده این خواص است.

منحنی کالری متری

در منحنی کالری متری که گاهی به صورت رفت و برگشتی گزارش می شود دارای نقاط ذوب   تشکیل بلور ، انتقال شیشه ای  و همچنین رفتار بلورینگی پلیمر در چرخه های مختلف است شکل1 چرخه حرارتی پلیمرهای خطی یا شاخه ای شامل پلیمرهای صددرصد آمورف وینیلی و رابری، نیمه بلورین و بلورین را نشان می دهد.

پلیمرهای صددرصد آمورف رابری دارای پیک ذوب نیستند. در مقابل پیک انتقال شیشه ای برای پلیمرهای صددرصد آمورف وینیلی با توجه به عدم تشکیل ساختارهای بلورین تقریباً بی معنا است. محدوده دمای کاری چندین پلیمر مرسوم در شکل 2 نشان داده شده است. براساس شکل اکثر پلیمرها در دمای بالای 250 درجه سانتیگراد به دلیل ذوب شدن یا تخریب خواص و کارایی خود را از دست می دهند.

از آنجا که مقاومت حرارتی تابعی از انرژی پیوندی است وقتی دما به حدی برسد که باعث گسست پیوندها شود زنجیره های پلیمر از طریق انرژی ارتعاشی شکسته می شود. بنابراین پلیمرهایی که دارای پیوند ضعیفی هستند در دمای بالا قابل استفاده نیستند. هنگامی که از پلیمرهای مقاومت حرارتی صحبت می شود باید مقاومت حرارتی آن ها را برحسب زمان و دما تعریف کرد برخی از شرایط ضروری برای پلیمرهای مقاومت حرارتی، بالابودن نقطه ذوب، پایداری در برابر تخریب اکسیداسیونی در دمای بالا، مقاومت در برابر فرآیندهای حرارتی و واکنش گرمایی شیمیایی است.

شکل1: چرخه حرارتی پلیمرها براساس دما

شکل 2: محدوده کاری چندین پلیمر براساس دما

خواص رسانایی پلیمرها

سومین خواص کاربردی پلیمرها پس از بررسی خواص مکانیکی و حرارتی که معمولاً در تمامی تحقیقات علوم و فناوری پلیمرها صورت می پذیرد خواص دیگری نیز به تناسب کاربرد مورد مطالعه قرار می گیرند. یکی از این خواص رسانایی در پلیمرها است. به طور کلی به دلیل ماهیت غیرقطبی ترکیبات الی، ساختارهای پلیمری عایق هستند. لیکن موادری هم وجود دارد که دارای رسانایی مطلوبی می باشند. پلیمرهای رسانا پلیمرهایی با الکترون های  مزدوج (مانند پیوندهای مزدوم C=C) و دارای خواص الکترونیکی هستند. این گروه از پلیمرها نسبت به پلیمرهای معمول به راحتی اکسایش و کاهش پیدا می کنند هدایت پذیری و آزمون امپدانس از جمله اصلی ترین موارد در ارائه گزارش رسانایی پلیمرها است. شکل 3 محدوده رسانایی پلیمرهای رسانا را نشان می دهد.

شکل 3: محدوده رسانایی مواد پلیمری گوناگون

عمده ترین پلیمرهای رسانا شامل پلی پیرول، پلی آنیلین، پلی تیوفن و ترکیباتش همچون پلی (4-3 اتیلن دی اکسی تیوفن) هستند. خواص این سه پلیمر در جدول 1 خلاصه شده است. شکل 4 نمونه ای از نانوالیاف پلی آنیلین با خاصیت رسانای مورد استفاده در زیست حسگرها را نشان می دهد.

جدول 1: خواص رسانایی و محدودیت چندین پلیمر رسانا

شکل 4: نانو الیاف پلی آنیلین

خواص نوری پلیمرها

چهارمین خواص کاربردی پلیمرها جذب نور، شفافیت و رنگ به عنوان خواص نوری پلیمرها مورد بررسی قرار می گیرد. این آزمون ها براساس میزان جذب، انعکاس و میزان شکست نور مشخص تابیده شده تبیین شده اند. از این جمله می توان به ازمون فرابنفش مرئی برای سنجش میزان جذب، بیضی سنجی، و بازتاب نور برای تعیین مقدار بازتاب، آزمون طیف سنجی فلورسانس و آزمون طیف سنجی رامان را اشاره کرد. بسته به کاربرد موردنظر می توان میزان جذب و شفافیت برخی از پلیمرها را تا حدودی با پارامترهای فرآیند تغییر داد.

در جدول 2 خواص نوری پلیمرهای مختلف شفاف در مقایسه با شیشه با هم مقایسه شده است. پلیمرهای شفاف کاربردهای متنوعی در صنعت شامل فیلم های بسته بندی (پلی الفین ها) لنز چشمی (پلی متیل متاکریلات و پلی کربنات) پوشش سلول های خورشیدی (سیلیکون ها) و آشکارسازهای پلیمری (پلی استایرن و پلی وینیل تولوئن) دارد.

نوع ساختار پلیمر مورد استفاده در این موارد به جز فیلم های بسته بندی از نوع صددرصد آمورف وینیلی است. در خصوص پلی الفین های مصرفی نیز باید گفت که با توجه به ماهیت نیمه بلورین این مواد به منظور افزایش شفافیت حین فرآیند از افزودنی هایی جهت تشکیل ساختارهای بسیار ریزبلورین استفاده می گردد. شکل 5 نمونه ای از آشکارسازهای برپایه پلی وینیل تولوئن را نشان می دهد. اخیراً با توجه به محدودیت در خواص نوری برخی پلیمرها، توجه بیشتری به نانوکامپوزیت های پلیمری شده است. آغشته کردن پلیمرهای مصنوعی به نانوذرات باعث تغییراتی در خواص اپتیکی و الکتریکی آنها می شود.

جدول 2: خواص نوری چندین پلیمر شفاف در مقایسه با شیشه

شکل 5: کاربرد پلیمرهای شفاف بر پایه پلی وینیل تولوئن در آشکارسازها

خواص خوردگی پلیمرها

پنجمین خواص کاربردی پلیمرها خوردگی است. پدیده خوردگی از جمله مواردی است که در کاربردهای خاصی از مواد پلیمری و نانوکامپوزیت های پلیمری حائزاهمیت می باشد گاهی از اوقات واکنش شیمیایی یا الکتروشیمیایی بین یک پلیمر و محیط اطراف آن منجر به تغییر خواص مواد پلیمری می شود. آزمون پاشش نمک از جمله عمده ترین مواردی است که در بحث خوردگی پلیمرها برای بررسی ماکروسکوپی گزارش می گردد. غالب مواد پلیمری به دلیل عدم تمایل به واکنش های شیمیایی نسبت به محیط های گوناگون مقاومت هستند. هرچند پدیده خوردگی در تمامی دسته های اصلی مواد از جمله پلیمرها نیز اتفاق می افتد اما در بیشتر موارد از پلیمرهای اصلاح شده برای مقابله با خوردگی و پوشش دهی سایر مواد استفاده می شود. (جدول 3)

جدول 3: عملکرد و مقاومت چندین نمونه از مواد پلیمری در محیط های خورنده گوناگون

یکی از این موارد تولید پوشش نانوکامپوزیت های پلیمری حاوی یک ماتریس پلیمری ضعیف و نانوذرات از یک پلیمر رسانا است که در رقابت با سطوح فلزی در واکنش های اکسایش– کاهش شرکت می کند. به دلیل سطح ویژه بالا، این نانوذرات دارای خواص ضدخوردگی بالایی هستند. شکل پوشش اپوکسی حامل نانوذرات پلی آنیلین با خاصیت مقاومت بالا در برابر خوردگی را نشان می دهد.

شکل 6: پوشش اپوکسی حامل ذرات پلی آنیلین

نتیجه گیری

همان طور که گفته شد هرچند پلیمرهای گوناگون با خواص مختلف برای کاربری های ویژه در دسترس هستند اما عمده مشکل پلیمرها خواص مکانیکی ضعیف و مقاومت کم آن ها دربرابر حرارت است. برای بهبود هرچند بیشتر کاربری این مواد و همچنین رفع محدودیت خواص آنها، بهره گیری از دانش کامپوزیت و علم نانومواد با نگاهی مفصل به روش های تولید آنها خواهد شد.