رفتار کششی پلی اتیلن (PE) با چگالی بالا (HDPE) با اثرات تکنیک پردازش، ضخامت، دما و نرخ کرنش
هدف اصلی از این مطالعه بررسی رفتار کششی یکنواخت پلی اتیلن چگالی بالا (HDPE) در اشکال بکر، دوبار آسیاب شده و چند لایه است. HDPE رایج ترین پلیمر مورد استفاده در بسیاری از صنایع است. انواع آزمایشات کششی با استفاده از نمونه های صفحه ای ساخته شده از پلاک های مستطیلی انجام شد. عوامل متعددی مانند ضخامت، تکنیک پردازش، دما و نرخ کرنش می توانند بر رفتار کششی تأثیر بگذارند. دماهای آزمایش در -40، 23 (دمای محیط)، 53 و 82 درجه سلسیوس انتخاب شدند. خواص کششی من جمله مدول الاستیک، استحکام تسلیم و مقاومت کشش نهایی در همه شرایط مشاهده شد. این خواص بطور قابل توجهی با افزایش دما کاهش می یابند، در حالی که مدول الاستیک و استحکام کششی نهایی بطور خطی در نرخ های کرنش بالاتر افزایش می یابد. اثر قابل توجهی از خواص کششی ضخامت برای نمونه های قالب گیری تزریقی در 23 درجه سلسیوس مشاهده شد، اما اثر ضخامت در نمونه های فشاری 23 یا 82 درجه سلسیوس بود. در اینجا، این خواص و اثرات آنها ارائه شده است. روابط چند متغیری برای خواص کششی من جمله مدول الاستیک، استحکام تسلیم و استحکام کششی نهایی بعنوان تابعی از دما و نرخ کرنش توسعه داده شد. چنین روابطی را میتوان برای تخمین خواص کششی HDPE بعنوان تابعی از دما و یا نرخ کرنش در طراحی قطعات ساخته شده از این ماده بکار برد.
کاربرد مواد پلیمری و کامپوزیت های آنها به دلیل مزایایی من جمله سبک وزن بودن و مقاومت سایشی بالا در مقایسه با فلزات در صنایع مختلف مانند صنعت خودروسازی بطور فزاینده ای رو به رشد است. پلی اتیلن از لحاظ حجمی پر مصرف ترین پلیمر جهان است؛ در مقایسه با سایر پلیمرها، پلی اتیلن دارای خواص مهمی همچون چقرمگی، مقاومت سایشی، مقاومت در برابر ضربه، جذب کم آب (نزدیک به صفر)، هزینه کم و قابلیت بازتاب است. همچنین دارای سه گرید اصلی است: پلی اتیلن چگالی کم (LDPE)، پلی اتیلن چگالی متوسط (MDPE) و پلی اتیلن چگالی بالا (HDPE). براساس چگلی مولکولی و کریستالی بودن ساختار پلی اتیلن، HDPE استحکام و رفتار کششی بهتری دارد. تقاضای جهانی برای رزین های HDPE در حال افزایش است و از 11.9 میلیون تن در سال 1990 به 43.9 میلیون تن در سال 2017 با رشد سالانه 3.3 درصد رسیده است. ساختار مولکولی و جنبه های زیرساختاری مانند میزان تبلور، اندازه بلور، ضخامت کریستال و جهت گیری کریستال ممکن است بر خواص فیزیکی و مکانیکی پلی اتیلن تأثیر بگذارد. پلی اتیلن یک پلیمر با تبلور سریع در دماهای بالا است که در آن تبلور گرما فعال می شود. ازطرفی، میزان تبلور نیز خواص مکانیکی پلیمرهای نیمه کریستال مانند HDPE را تحت تأثیر قرار می دهد. خواص مکانیکی و تغییرات مورفولوژیکی در HDPE نیز باتوجه به آرایش مولکولی و کریستالی، بطور قابل توجهی به جهت تغییر شکل ها بستگی دارد. استحکام تسلیم و ضخامت کاملا متناسب با تبلور است و شاخص تبلور بصورت خطی افزایش می یابد. باتوجه به مشاهدات آزمایشی، از آنجا که بیشترین استحکام کششی به سطح کریستالی بستگی دارد؛ مستقل از وزن مولوکلی است. با این حال، کاراسف و همکارانش مشاهده کردند که استحکام کششی به توزیع وزن در دماهای بالا (80-100 درجه سلسیوس) بستگی دارد. از سوی دیگر، نقطه تسلیم نیززیر حدود 100 درجه سلسیوس یک ساختار غیرحساس است که بدون وابستگی به جزئیات مورفولوژیکی؛ به عواملی مانند استحکام پیوندهای واندروالس بستگی دارد. وزن مولکولی بالا به دلیل قابلیت کم لغزش مولکول ها بر روی یکدیگر باعث استحکام بالاتر می شود. علاوه براین، افزایش وزن مولکولی کاهش تبلور را در پی دارد. تبلور و استحکام باند ثانویه میزان سفتی ترموپلاستیک را کنترل می کند؛ در حالی که درون زنجیره ای، برون زنجیره ای، پیوند ثانویه و تبلور بر میزان استحکام ترموپلاستیک ها حاکم است. همانطور که ذکر شد، میزان تبلور نقش مهمی بر خواص مکانیکی HDPE در مقایسه با وزن مولکولی دارد.
همچنین شرایط پردازش می تواند بر پارامترهای ریزساختار و در نتیجه، خواص مکانیکی تأثیر بگذارد. گرادیانت دما در حین فرایند تولید ممکن است فرایند تبلور را تحت تأثیر قرار دهد و دمای بالای قالب نیز منجر به کاهش نرخ تبلور و مدول بهبود یافته می شود. HDPE می تواند بعنوان مواد بکر یا دوبار آسیاب شده (بازیافت شده) تولید شود؛ این HDPE بازیافتی در خط تولید به منظور کاهش میزان ضایعات مواد استفاده می شود. خواص فیزیکی و مکانیکی این مواد اغلب درگیر متغیرهای بسیاری هستند. پلی اتیلن قابلیت نفوذ به مایعات، گاز و بخار شیمیایی را دارد که در برخی از کاربردها مانند بسته بندی، ظروف نگهداری مواد شیمیایی و مخازن سوخت خودرو مناسب نیست. بنابراین، یک لایه مانع معمولآ در یک ساختار چند لایۀ کواکسترود شده برای به حداقل رساندن نفوذپذیری پلی اتیلن وارد می شود. بعنوان مثال در مخازن سوخت خودروهای ساخته شده از HDPE چند لایه، یک لایه مانع بین 2-5 درصد از ضخامت کل برای کاهش نفوذپذیری بنزین استفاده می شود. متداول ترین روش های پردازش برای تولید HDPE عبارتند از: اکستروژن، قالب گیری تزریقی، قالب گیری دمشی و قالب گیری فشاری. تکنیک های تولید ممکن است بر پاسخ مکانیکی HDPE تأثیر بگذارد؛ مانند مدول الاستیک و استحکام کششی که میتواند به دلیل مورفولوژی ها و ساختارهای مولکولی متفاوت در محصول نهایی شود. در برخی مطالعات مشاهده شده است که بهینه سازی پارامترهای تولید در قالب گیری تزریقی منجر به بهبود قابل ملاحظه ای در خواص کششی می شود. تست کشش علاوه بر سادگی و کم هزینه بودن، باتوجه به خواص کششی همچنان کاربرد فراوانی در طراحی دارند، رایج ترین آزمایش مکانیکی است که بر روی مواد مختلف انجام می شود. علاوه براین، خواص کششی را میتوان در مدل های نیمه تجربی برای تحلیل سایش استفاده کرد. سفتی، استحکام تسلیم، استحکام کششی نهایی و چقرمگی از خواص کششی کلیدی محسوب می شوند که میتوان آنها را ازطریق آزمایشات کششی تعیین کرد. ژو و ویکز تأثیر جهت گیری خواص مکانیکی و مورفولوژیکی را بر فیلم های HDPE اکسترود شده با مذاب تک محوری بررسی کردند. به این نتیجه رسیدند که خواص کششی بطور قابل توجهی به جهت گیری ساختار مولکولی وابسته است که از مورفولوژی های مختلف توسعه یافته در طول فرایند تغییر شکل پلیمر نشأت می گیرد. همچنین خواص کششی اثرات ناهمسانگردی را ازطریق آزمایشات کششی در دماهای 0، 45 و 90 درجه سلسیوس نسبت به جهت اکستروژن برای دو گرید پلی اتیلن (LDPE, HDPE) مورد بررسی قرار دادند. تفاوت محسوسی در خواص کششی بین نمونه ها مشاهده نشد و دریافتند که ماده پلی اتیلن اکسترود شده از نظر رفتار کششی ناهمسانگرد است. با این حال، گرومز و همکارانش نیز اثر ناهمسانگردی در مدول الاستیک در HDPE در فرایند قالب گیری دمشی بین جهت اکستروژن و جهت دمش (عمود بر اکستروژن) در HDPE در قالب گیری دمی بررسی کردند.
این مطالعه با هدف بررسی اثرات عوامل مختلف بر رفتار کششی HDPE من جمله تکنیک پردازش، ضخامت، دما و نرخ کرنش تدوین شده است. مواد HDPE بکر، دوبار آسیاب شده (بازیافتی) و چند لایه در مطالعه تجربی بررسی شده اند. باتوجه به نتایج تجربی حاصل شده و آنالیز انجام شده میتوان گفت که اثر نوآنیزوتروپی بر خواص کششی، نه در قالب گیری تزریقی و نه در قالب گیری فشاری HDPE، مشاهده نشد. تکنیک پردازش و ضخامت خواص کششی HDPE را بطور فزاینده ای تحت تأثیر قرار می دهند. از طرفی، اثر عدم ضخامت بر این خواص کششی در قالب گیری فشاری مشاهده شد؛ در حالی که با افزایش ضخامت از 2 به 4 میلیمتر در قالب گیری تزریقی، 23 درصد افزایش مدول الاستیک و 21 درصد کاهش در استحکام کششی نهایی مشاهده شد. با این حال، بهبود نسبی نیز در مدول الاستیک و استحکام کششی نهایی برای HDPE پس از فرایند آسیاب مجدد مشاهده شد.با بررسی رفتار کششی یکنواخت پلی اتیلن چگالی بالا (HDPE) در اشکال بکر، دوبار آسیاب شده و چند لایه، میتوان گفت که کاربرد مواد پلیمری و کامپوزیت های آنها به دلیل مزایایی من جمله سبک وزن بودن و مقاومت سایشی بالا در مقایسه با فلزات در صنایع مختلف مانند صنعت خودروسازی بطور فزاینده ای رو به رشد است. پلی اتیلن از لحاظ حجمی پر مصرف ترین پلیمر جهان است؛ در مقایسه با سایر پلیمرها، پلی اتیلن دارای خواص مهمی همچون چقرمگی، مقاومت سایشی، مقاومت در برابر ضربه، جذب کم آب (نزدیک به صفر)، هزینه کم و قابلیت بازتاب است.
