تغییرات دمایی چه تاثیراتی بر وضعیت پلیمرها دارد؟
رفتار پلیمرها در برابر تغییرات دمایی شباهت بسیار زیادی با رفتار بدن انسان دارد و هر چقدر که مقدار دمای اعمال شده به این مواد بالاتر باشد و یا دمای محیط بالاتر رود عملکرد این مواد نیز کاهش پیدا خواهد کرد. مهندسینی که در گذشته آموزش دیده اند، اطلاعات زیادی در خصوص رفتار فلزها دارند در نتیجه آنها می توانند رفتار وابسته به دما را در مواد پلیمری نیز پیش‌بینی نمایند. حتی فلزاتی با عملکرد بسیار پایین همانند آلومینیوم هم از خواص مکانیکی مشخصی در دمای اتاق یعنی بین ۲۵۰ تا ۳۰۰ درجه سانتیگراد برخوردارمی باشند و حتی اگر به نقطه ذوب دست پیدا کنند ممکن است عملکرد خود را در دمای اتاق به میزان ۸۰ درصد حفظ نمایند. حتی می‌توان مشاهده کرد این میزان یکپارچگی برای تعدادی از فلزات همانند مس، فولاد و سایر موارد بهتر نیز میباشد که نقطه ذوب بالاتری هم دارند. از آن جایی که بلوک های سازنده مواد فلزی بسیار کوچک می باشند ساختار های بلورین قابل پیش‌بینی و خوش ساختاری را به وجود می‌آورند. اما این موضوع در خصوص پلیمرها صدق نمی‌کند زیرا مولکولهای تکی پلیمری که از مواد پلیمری استفاده می کنند بسیار بزرگ بوده و دارای شکل زنجیره مانندی می‌باشند که در نهایت یک ساختار بسیار در هم تنیده را به وجود می‌آورند. البته می‌توان عنوان کرد که این پیچیدگی در مواردی بسیار مفید هم به شمار می‌آید. میزان ازدیاد طول تا پارگی در بیشتر مواد پلیمری بسیار بالا میباشد که ناشی از در هم تنیدگی و پیچیدگی زنجیره اصلی آن است. اما همین درهم تنیدگی خود عاملی برای کاهش آزادی مولکول ها برای تغییر شکل در داخل مواد بلورین است. بنابراین می توان نتیجه گرفت که هیچ پلیمری در شرایط نرمال و در حالت فراوری وضعیت کاملاً بلورین ندارد و حتی تعدادی از پلیمرها اصلاً بلورینه نخواهند شد.
تغییرات دمایی و پلیمرها
عدم وجود ساختار های تکراری و یا قابل پیش‌بینی باعث میشود شرایطی در مواد پلیمری به وجود بیاید که افزایش و یا کاهش دما بتواند به راحتی خواص مکانیکی مواد را تغییر دهد. با انجام آزمایشاتی بروی مواد مورد نظر در دماهای مختلف می‌توان تغییر خواص مکانیکی آنها را به خوبی مشاهده کرد. این روشها به منظور تعیین توانایی ماده برای تحمل فشار در دماهای مختلف با نام تحلیل مکانیکی پویا شناخته میشود. این تکنیک می تواند جنبه های مختلفی از رفتار پلیمری را بسنجد که در واقع تمامی این مقاله نیز به آن اختصاص داده شده است. برای کامل سازی متن خود می‌توانیم به نکته بسیار ظریف تری اشاره کنیم مانند ضریب ارتجاعی یک ماده در تغییرات دمایی. شکل یک طرحی از تفاوت دمایی و ضریب را برای دو پلیمر بسیار کاربردی و شناخته شده نشان می دهد که عبارت است از پلی کربنات و نایلون ۶. هر دو مورد به کار برده شده در این تست در دسته مواد تقویت نشده قرار می گیرند. نایلون ۶ نوع پلیمر نیمه بلوری می باشد و این درحالی است که پلی کربنات حالت کاملاً بدون شکل دارد و نتایج به دست آمده به خوبی رفتار این مواد را نشان میدهد. در دمای اتاق ضریب ارتجاعی هر دو ماده نام برده شده با ضریب کششی آنها در حدود ۲ تا ۳ درصد متغیر می باشد اما این در حالی است که بیشتر مطالعات موجود اطلاعات زیادی در خصوص تأثیرات دما بر پلیمرهای یاد شده ندارند اما همین شکل می تواند رفتار این دو ماده را بر اساس تغییرات دمای به خوبی نشان دهد. پلی کربنات های بدون شکل فقط دارای یک دمای انتقالی می باشند که با نام دمای انتقال شیشه ای شناخته میشود و این موضوع نشان میدهد که زنجیره های مولکولی پلیمر ها در سطح مولکولی حالتی متحرک پیدا می کنند تا بتوانند به صورت آزادانه حرکت کنند و این در حالی است که باید حالت درهم‌تنیدگی خود را حفظ کنند. می‌توان این رخداد را به دمای نرم شدگی ارتباط داد و برای دستیابی به اهداف مهندسی نیز می‌توان عنوان کرد که این ماده در دمای انتقال شیشه ای تمامی ویژگی های مقاومتی خود برای تحمل فشار را از دست میدهد. اگر ماده در معرض دمای اتاق و یا دمای انتقال شیشه‌ای قراربگیرد ضریب پلی کربنات تنها حالتی ثابت دارد و در دمای بین اتاق تا ۱۳۵ درجه سانتیگراد به میزان کمی کاهش پیدا خواهد کرد و این مقدار را با دمای تغییر شکل تحت فشار یاد میکنند. اطلاعات بسیار زیادی در خصوص تغییرات دمای تحت فشار وجود دارد اما متاسفانه اطلاعات کمی را می توان در باره ی تاثیر تغییرات دمایی بر مقاومت ماده برای تحمل بار یافت.
نایلون ۶ نیمه بلورین
رفتار نایلون ۶ نیمه بلورین در مقایسه با پلی کربنات های بدون شکل متفاوت می باشد. همان‌طور که عنوان شد این مواد با نام نیمه بلورین شناخته می شوند زیرا همانند سایر پلیمرهای موجود در این گروه شامل ترکیبی از ساختارهای بلورین و نواحی بدون شکل می شوند و با قرارگیری در معرض دمای بالا تمامی نواحی بدون شکل حالت متحرک پیدا کرده که مجددا با دمای انتقال شیشه ای این حالت تغییر پیدا خواهد کرد. رخداد نام برده شده بین دمای ۵۰ تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد اتفاق می افتد و دمای میانگین آن نیز برابر با ۷۰ تا ۷۵ درجه سانتیگراد است و در نهایت این ضریب در دمای اتاق به ۲۰ درصد کاهش پیدا خواهد کرد. ضریب نامبرده شده همانند پلی کربنات کاملا به صفر می رسد زیرا در آن ساختارهای بلورین وجود دارد. حالت منظم موجود باعث می شود تا عملکرد ماده کاهش پیدا کند که این وضعیت عملکردی تا رسیدن ماده به نقطه ذوب همچنان حفظ خواهد شد می‌توان عنوان کرد که این نقطه ذوب برابر با ۲۲۰ تا ۲۲۵ درجه سانتی گراد است. تمام پلیمرهای بدون شکل رفتار و یا پاسخ گرمایی مشابه با پلی کربنات دارند با این تفاوت که پلیمرهای بدون شکل مانند اکریلونیتریل بوتادین استایرن، پلی وینیل کلراید، پلی کربنات و پلی سولفون دمای انتقال شیشه ای متفاوتی دارند. رفتار وابسته به گرما را در نایلون می‌توان به عنوان مدلی برای تمامی پلیمرهای نیمه بلورین در نظر گرفت. ویژگی های متمایز کننده بین پلیمرهای نیمه بلورین شامل دمای انتقال شیشه ای، نقطه ذوب و میزان کاهش ضریب در ارتباط با دمای انتقال شیشه ای می باشد. توجه کنید که دمای انتقال شیشه ای و نقطه ذوب به عنوان خواص بسیار پایه ای و اساسی برای هر ماده پلیمری به شمار می آیند و ما می‌توانیم میزان اثر دمای انتقال شیشه ای و ضریب ارتجاعی پلیمرهای نیمه بلورین را با افزودن فیلرها و یا مواد تقویت کننده کاهش دهیم. امکان دستیابی به نتایج یکسان درباره پلیمرهای بدون شکل در دمای پایین تر از دمای انتقال شیشه ای هم وجود دارد. این در حالی است که دمای انتقالی اصلا تغییر نخواهد کرد. دمای انتقال شیشه ای برای پلیمرهای بدون شکل و دمای ذوب برای پلیمرهای نیمه بلورین نشاندهنده ی حد بالایی می باشد که در آن پلیمر می تواند حتی برای یک بازه ی بسیار کوچک زمانی نیز با توجه به شرایط محیطی واکنش نشان دهد. مدت زمان یادشده در دقیقه محاسبه شود نه ساعت، روز و هفته.
منحنی تغییر شکل ماده با اعمال فشار
اگرچه تحلیل مکانیکی پویا اطلاعات بسیار کاملی از تغییرات ضریب ماده در برابر دما نشان میدهد اما متاسفانه نمی تواند هیچ اطلاعاتی در خصوص استحکام واقعی مواد به ما ارائه نماید و به همین دلیل ما باید به سراغ منحنی تغییر شکل ماده بر اثر فشار برویم به و ارتباط بین فشار و تغییر شکل ماده را به عنوان تابعی از تغییرات دما در نظر بگیریم. بر خلاف این موضوع تقریباً نیمی از ترکیبات موجود از فیبر های شیشه غیر پلیمری ساخته شده اند اما شکل منحنی تغییر شکل بر اسا س فشار به میزان بسیار بالایی تغییر خواهد کرد به طور کلی سختی و استحکام ماده با افزایش دما کاهش پیدا خواهد کرد. در حالی که مقدار ازدیاد طول تا پارگی به عنوان یکی از شاخص‌های اصلی میزان انعظاف پذیری ماده، افزایش پیدا می‌کند. اگرچه تمامی منحنی های عنوان شده در دمای اتاق شکل بسیار شبیه و نزدیک به یکدیگر هستند اما عملکرد ماده به میزان بسیار زیادی کاهش پیدا خواهد کرد و در دمای ۸۵ درجه سانتیگراد نیز استحکام این مواد در دمای اتاق در مقایسه با نتایج تحلیلی کمتر از ۶۰ درصد میباشد. علاوه بر آن نتایج موجود فقط در خصوص نقطه ویژه ای از این منحنی ها صحبت میکنند. فشار وارده و تغییر شکل اهمیت بسیار زیادی برای ادامه منحنی فشار و تغییر شکل دارند و ضریب به عنوان شیب منحنی نامبرده شده در برخی نواحی شناخته میشود که مقادیر حالتی نسبی دارند. ۶ سال پیش پلاستیک ها تقریباً جایگزین های بسیار ارزان قیمتی برای چوب فلزات و شش ها شناخته می شدند و در این بازار به مقاومت مواد در برابر فشار زیاد و یا تغییرات آنها در برابر دمای متغیر از اهمیت بسیار کمی برخوردار بود اما امروزه مواد پلاستیکی از مصارف بسیار زیادی برخوردارند و برای تولید بسیاری از محصولات مهم و کاربردی مورد استفاده قرار می گیرد که در آن به اعتماد پذیری بالایی از مواد در دماهای متفاوت و در مدت طولانی نیاز است. بنابراین درک ما از خواص این مواد باید با توجه به نیازمندی های روز تغییر پیدا کند.
مترجم: ف.آل احمد
