آلیاژهای پلیمری و تاثیر آن در بهبود خواص پلیمرها

بخش اول: مقدمات

نحوه عکس ­العمل یک پلیمر به تنش وارده بر آن باعث بروز رفتار چقرمه (Ductile) و شکننده (Brittle) از سوی پلیمرها می­گردد. از جمله مهمترین مزیت رفتار پلیمرهای چقرمه می­توان به قابلیت خبردهی این پلیمرها قبل از شکست و کاهش خسارت احتمالی آن اشاره نمود. نکته­ ی حائز اهمیت در این میان آن است که بسته به شرایط گوناگون از قبیل دمای انجام آزمون و سرعت اعمال تنش، یک پلیمر می­تواند رفتار شکننده و چقرمه از خود نشان دهد (به این مفهوم که با ثابت نگاه داشتن تمام پارامترها و شرایط آزمون و تنها با کاهش دما می­توان از یک پلیمر چقرمه انتظار یک رفتار شکننده را داشت).

خواص نهایی آلیاژ تولید شده به شدت تحت تاثیر عوامل گوناگون از قبیل طبیعت مواد سازنده آلیاژ، تمایل ترمودینامیکی سازنده ­ها به یکدیگر، ترکیب درصد سازنده­ ها، ویسکوزیته سازنده ­ها، ترکیب خوراک ­دهی و … می­باشد.

در همین راستا و به منظور افزایش و تقویت خواص مهندسی در پلیمرها و امکان جایگزینی و استفاده بیشتر این مواد در صنایع مهندسی، روش­های گوناگونی پیشنهاد شده است. از جمله مهمترین راه­کارها در این میان می­توان به استفاده از مفهوم آلیاژسازی و ترکیب چند پلیمر با هم و استفاده از خواص مطلوب آن­ها در کنار یکدیگر جهت تولید  محصول نهایی اشاره نمود. خواص نهایی آلیاژ تولید شده به شدت تحت تاثیر عوامل گوناگون از قبیل طبیعت مواد سازنده آلیاژ، تمایل ترمودینامیکی سازنده ­ها به یکدیگر، ترکیب درصد سازنده­ ها، ویسکوزیته سازنده­ ها، ترکیب خوراک­ دهی و … می­باشد.

در ادامه این مقاله به صورت خلاصه به اثر این موارد در خواص نهایی آلیاژ پرداخته خواهد شد. آلیاژهای پلیمری به­واسطه تمایل ترمودینامیکی مواد سازنده آن به انحلال در یکدیگر به دو زیرمجموعه­ی اصلی آلیاژهای انحلال­پذیر(تک فازی) و آلیاژهای انحلال­ناپذیر( چندفازی) تقسیم می­شوند. رفتار نهایی آلیاژ در حالت تک فاز تنها از ترکیب درصد فازهای سازنده آن تاثیر می­پذیرد. به عبارت مناسب­تر، با افزایش و یا کاهش ترکیب درصد سازنده­ها، می­توان خواص مدنظر در محصول نهایی را تغییر داد. در آلیاژهای چندفاز به واسطه وجود سطح مشترک، می­توان به­واسطه انتخاب مواد سازنده آلیاژ، آلیلژهای چندفازی سازگار و یا ناسازگار داشت. در آلیاژهای چندفازی ناسازگار( برای مثال آلیاژ PE/PA) خواص نهایی محصول همواره پایین­تر از خواص میانگین به­دست آمده در آلیاژهای تک فازی می­باشد. در آلیاژهای چندفازی سازگار نظیر PE/PP به­ واسطه شباهت در ماهیت و ریزساختار مواد سازنده و نیز تمایل ترمودینامیکی این مواد به یکدیگر، خواص محصول نهایی بیشتر از خواص سازنده­های این آلیاژ به صورت تکی می­باشد. در آلیاژهای چندفازی نحوه و موقعیت فازهای سازنده در کنار یکدیگر( مورفولوژی) باعث می­شود هر کدام از این آلیاژها برای مصرفی خاص مناسب باشند. شکل 1 به­صورت شماتیک نحوه و امکان قرارگیری فازهای سازنده یک آلیاژ سه­تایی در کنار یکدیگر را نشان می­دهد.

شماتیکی از مورفولوژی آلیاژ سه¬فازی. الف و ب مورفولوژی هسته-پوسته، پ مورفولوژی ماتریس قطره.

شکل 1 – شماتیکی از مورفولوژی آلیاژ سه¬فازی. الف و ب مورفولوژی هسته-پوسته، پ مورفولوژی ماتریس قطره.

در آلیاژهای چندفازی، فازی که ترکیب درصد بیشتری از مجموع فازهای دیگر را داشته باشد، فاز اصلی و سایر سازنده ­ها، فاز فرعی یا دیسپرس نامیده می­ شوند. نکته حائز اهمیت در این میان آن است که در صورت نزدیک بودن ترکیب درصد فازهای سازنده( برای مثال در آلیاژهای دوفازی)، فازی که ویسکوزیته کمتری دارد به ­عنوان فاز اصلی و ماتریس شناخته می­شود.

در آلیاژهای چندفازی، فازی که ترکیب درصد بیشتری از مجموع فازهای دیگر را داشته باشد، فاز اصلی و سایر سازنده ­ها، فاز فرعی یا دیسپرس نامیده می­شوند. نکته حائز اهمیت در این میان آن است که در صورت نزدیک بودن ترکیب درصد فازهای سازنده( برای مثال در آلیاژهای دوفازی)، فازی که ویسکوزیته کمتری دارد به­ عنوان فاز اصلی و ماتریس شناخته می­شود. با توجه به شکل 1 باید توجه داشت که تعداد و اندازه ­­ی فازهای فرعی و نحوه پخش آن­ها در زمینه ماتریس نیز عامل تعیین­ کننده در خواص آلیاژ نهایی می­باشد. افزودن لاستیک (برای مثال PIB) به پلیمری شکننده( نظیر PS) و افزایش خاصیت چقرمگی آن، مثالی شناخته شده در صنعت آلیاژسازی جهت افزایش خواص چرمگی ماتریس است. در این آلیاژ افزایش چقرمگی القاء شده به­ واسطه­ ی افزودن لاستیک به ماتریس خود به عوامل گوناگونی وابسته است. از جمله مهمترین عوامل قابل بحث در این زمینه می­توان به تاثیر ترکیب درصد و اندازه ذرات لاستیک اشاره نمود:

الف) ترکیب درصد لاستیک:

افزایش ترکیب درصد لاستیک نسبت به فاز ماتریس آلیاژ، در ابتدا باعث افزایش همزمان بسیاری از خواص از قبیل مقاومت در برابر شکست می­شود. منتهی با افزایش درصد فاز فرعی آلیاژ، به ­دلیل افت شدید برخی خواص مهندسی نظیرر مدول و تنش تسلیم، استفاده بیشتر نتیجه معکوس دارد. لذا افزودن لاستیک به ماتریس پلاستیکی به منظور افزایش خاصیت چقرمگی، مقدار بهینه ­ای دارد که بسته به نوع مواد مصرفی، مقدار آن تغییر می­کند.

ب) اندازه ذرات:

اندازه ذرات لاستیکی اضافه شده به ماتریس به ­واسطه ماهیت مواد اثری متفاوت در رفتار چقرمگی آن­ها خواهد داشت. برای مثال در صورت افزودن لاستیک با اندازه کمتر از 1 میکرون به PVC شاهد افزایش خواص چقرمگی آن خواهیم بود. حال آن­که برای تغییر در رفتار چقرمگی استایرن اندازه ذرات لاستیک باید بزرگتر از 1 میکرون باشد. آزمون ضربه یکی از مهمترین آزمون­ها جهت کمی سازی میزان مقاومت پلیمر در برابر ضربه و شکست است.

مقاله بعد به بررسی این آزمون و سایر عوامل موثر بر رفتار آلیاژ ها خواهد پرداخت.

نویسنده این متن محمدعلی معینی، مدیر کیفیت است.
مشاهده سایر مقالات ایشان کلیک نمایید.