خواص مکانیکی پلیمرها

کلمات کلیدی:
ازدیاد طول، مدول، مقاومت، تنش، چقرمگی

---

مقاومت
ازدیاد طول
مدول
چقرمگی
خواص مکانیکی پلیمرهای واقعی
تقویت مقاومت­ها

اگر قسمت عمده‌ای از این سایت را مطالعه کرده باشید، متوجه شده­اید که از پلیمرها به عنوان موادی «مقاوم» ، «چقرمه» و شاید «شکل‌پذیر» بسیار یاد شده است. مقاومت، چقرمگی، و چکش‌خواری، همگی از جمله خواص مکانیکی پلیمرها هستند. اما معنای واقعی این واژه‌ها چیست؟ چگونه می‌توانیم متوجه شویم که «مقاومت» یک پلیمر چقدر است؟ در مورد یک پلیمر چه تفاوتی میان «مقاومت» و «چقرمگی» آن وجود دارد؟ این صفحه به طبقه‌بندی همین موضوع می‌پردازد.

مقاومت

مقاومت، یک ویژگی مکانیکی است که شاید بتوانید با آن ارتباط برقرار کنید، ولی ممکن است که وقتی درباره­ی پلیمرها سخن می‌گوییم، معنای دقیق واژه­ی «مقاومت» را درک نکنید. نخست باید گفت که بیش از یک نوع مقاومت وجود دارد. یکی از آن‌ها مقاومت کششی می‌باشد. یک پلیمر مقاومت کششی دارد، اگر در برابر کششِ اعمال شده به طرفینِ آن مقاوم باشد، مثل این:

 

مقاومت کششی برای ماده­ای که باید تحت فرآیند کشش قرار ‌گیرد، بسیار حائز اهمیت است. الیاف از جمله موادی هستند که به مقاومت کششی بالایی نیاز دارند.

مقاومت فشاری، نوع دیگری از مقاومت‌های مکانیکی است. یک نمونه­ی پلیمری دارای مقاومت فشاری است، اگر در برابر فشردگی مقاوم باشد، مثل این:

به عنوان مثال بتون ماده‌ای با مقاومت فشاری خوب است. هر ماده‌ای که باید وزن اجسام را از زیر تحمل کند، باید دارای مقاومت فشاری مناسبی باشد.

نوع دیگر مقاومت­ها، مقاومت خمشی است. یک نمونه­ی پلیمری دارای مقاومت خمشی است، اگر در برابر خم شدن مقاوم باشد، مثل این:

مقاومت‌های دیگری نیز وجود دارند که می‌توان از آن‌ها صحبت کرد. یک نمونه، مقاومت پیچشی دارد، اگر در برابر پیچانده شدن مقاوم باشد. پس از آن مقاومت ضربه­ای مطرح است. یک نمونه دارای مقاومت ضربه­ای است، اگر در برابر ضربه­ی شدید و ناگهانی، مانند ضربه­ی چکش مقاوم باشد.

مقاومت چیست؟

اما مقاوم بودن به چه معناست؟ ما تعریف بسیار دقیقی داریم. اجازه دهید تا به کمک مفهوم مقاومت کششی آن را بیان کنیم. برای اندازه گیری مقاومت کششی یک نمونه کافی است که مانند تصویر بالا نمونه را گرفته و آن را بکشیم. معمولاً نمونه را با ماشینِ مخصوصی مثل  یا دستگاه  می کشیم. بدین نحو که دستگاه دو سر نمونه را با گیره هایش می گیرد و سپس شروع به کشیدن آن می کند. حین کشیدن نمونه، دستگاه نیروی لازم برای این کار( F ) را ثبت می کند. مقدار نیروی به دست آمده به سطح مقطع جسم ( A ) تقسیم شده و عدد حاصل، بیانگر تنش وارد شده به نمونه می باشد.

در ادامه، مقدار نیرو، و در نتیجه تنش، را افزایش می‌دهیم، تا نمونه دچار شکست شود. تنش لازم برای شکست نمونه، بیانگر مقاومت کششی آن ماده است.

به طور مشابه، می توان آزمون هایی را نیز برای تعیین مقاومت های فشاری و خمشی در نظر گرفت. در تمام این موارد، مقاومت، تنش مورد نیاز برای شکست نمونه می باشد. از آنجایی که تنش کششی برابر با نیروی اعمالی بر واحد سطح مقطع می باشد، لذا اندازه گیری مقاومت کششی و تنش کششی، بر حسب واحد نیرو بر واحد سطح و معمولاً  انجام می گیرد. البته مقاومت و تنش را بر حسب مگاپاسکال ( MPa ) و گیگاپاسکال (GPa ) نیز می توان اندازه گیری نمود. تبدیل این واحدها به یکدیگر ساده است و داریم:

گاهی اوقات، تنش و مقاومت بر حسب واحدهای انگلیسی قدیمی، یعنی پوند بر اینچ مربع (psi )  بیان می شوند. برای تبدیل این واحدها می توان از این ضریب تبدیل استفاده کرد:

ازدیاد طول

یک پلیمر، علاوه بر مقاومت، خواص مکانیکی دیگری هم دارد. مقاومت تنها بیانگر نیروی لازم برای شکست است، ولی به ما نمی‌گوید که حین انجام آزمایش، برای رسیدن به نقطه­ی شکست، چه اتفاقی برای نمونه، رخ می‌دهد.

به همین خاطر، نیازمند بررسی رفتار ازدیاد طول نمونه­ی پلیمری هستیم. ازدیاد طول، نوعی تغییر شکل است؛ و تغییر شکل چیزی نیست جز ایجاد تغییر در شکل یک نمونه‌ی تحت تنش. هنگامی که از مقاومتِ کششی حرف می‌زنیم، نمونه از طریق کشیده شدن، تغییر شکل می‌دهد و درازتر می‌شود. البته ما این تغییر شکل را، ازدیاد طول می‌نامیم.

معمولاً از درصد ازدیاد طول صحبت می‌کنیم که مقدار آن برابر با طول نمونه پس از کشیده شدن (L) ، تقسیم بر طول اولیه‌ی آن ()، ضرب در ۱۰۰ می‌باشد.

ازدیاد طول نهایی برای هر نوع ماده ای حائز اهمیت است، و عبارت است از مقداری که می توان نمونه را پیش از شکست کشید. ازدیاد طول برگشت پذیر درصد ازدیاد طولی است که می توان بدون تغییر شکل دائمی و بازگشت ناپذیر نمونه بدان دست یافت. به عبارت دیگر، مقدار آن برابر با حدی است که شما می توانید نمونه را بکشید، و در عین حال، پس از برداشتن تنش، نمونه سریعاً به طول اولیه ی خود بازگردد.  در صورتی که ماده ی مورد آزمایش، یک الاستومر باشد، این موضوع از اهمیت خاصی برخوردار است. الاستومرها باید بتوانند تحت ازدیاد طول زیادی قرار گیرند و با این حال باز هم به سرعت به حالت اولیه خود بازگردند. بسیاری از آن ها می توانند بین ۵۰۰ تا ۱۰۰۰% ازدیاد طول پیدا کرده و بدون هیچ مشکلی به طول اولیه ی خود بازگردند.

 

مدول

الاستومرها باید بتوانند ازدیاد طول بازگشت‌پذیر زیادی از خود نشان دهند، ولی برای موادی مانند پلاستیک‌ها بهتر است که به راحتی کشیده نشده و یا تغییر شکل ندهند. برای مطالعه‌ی میزان مقاومت جسم در برابر تغییر فرم، کمیتی به نام مدول را اندازه‌گیری می‌کنیم. برای اندازه‌گیری مدولِ کششی، آزمونی شبیه به آزمون اندازه گیری ازدیاد طول نهایی و اندازه‌گیری استحکام، انجام می‌دهیم. این بار، تنش اعمالی بر ماده را، همانند آزمون اندازه‌گیری مقاومت کششی، ارزیابی می‌کنیم. بدین نحو که مقدار تنش اعمالی را به آرامی افرایش می‌دهیم و میزان ازدیاد طول را در هر سطح از تنش اندازه‌گیری می‌کنیم، و این کار را تا زمان شکست ماده ادامه می‌دهیم، و سپس نمودار تنش بر حسب ازدیاد طول را رسم می‌کنیم، مانند این:

این نمودار به نمودار تنش-کرنش معروف است. (کرنش، هر نوع تغییر شکلی از جمله ازدیاد طول، می‌تواند باشد. ازدیاد طول، واژه ای است که ما به طور خاص برای کرنش کششی به کار می بریم.) ارتفاع نمودار در نقطه ی شکست، نمایانگر مقاومت کششی، و شیب نمودار بیان‌کننده‌ی مدول کششی نمونه می‌باشد. شیب تند نمودار، نمایانگر مدول کششی بالای نمونه است و بدین معنی است که نمونه در برابر تغییر شکل، از خود مقاومت نشان می‌دهد. از سوی دیگر شیب کم، بیانگر مدول کششی پایین و تغییر شکل آسان نمونه می‌باشد.

مواردی هم وجود دارد که نمودار تنش-کرنش، مثل نمودار فوق، صاف و خطی نمی‌باشد. برای برخی از پلیمرها، خصوصاً پلاستیک‌های انعطاف پذیر، به نمودار های عجیبی مانند این می‌رسیم:

شیب نمودار، یاهمان مدول، با افزایش تنش ثابت نمی‌ماند و تغییر می‌کند. در این‌گونه موارد، شیب اولیه نمودار به عنوان مدول در نظر گرفته می‌شود، مانند آنچه در نمودار تنش-کرنش فوق ملاحظه می‌کنید.

در کل می‌توان گفت که مدول کششی در الیاف بیشترین، در الاستومرها کمترین، و در پلاستیک‌ها بین مدول کششی الیاف و الاستومرها است.

از آنجاییکه مدول از تقسیم تنش بر ازدیاد طول محاسبه می‌شود، و ازدیاد طول نیز بدون بعد می‌باشد، لذا مدول نیز همچون مقاومت، دارای واحد  می‌باشد.

چقرمگی

نمودار تنش-کرنش، اطلاعات ارزشمند دیگری را نیز در اختیار ما می‌گذارد. اگر سطح زیر نمودار تنش-کرنش را محاسبه کنیم، عدد به دست آمده بیانگر چیزی است که ما آن را چقرمگی می‌نامیم و در نمودار زیر با رنگ قرمز نشان داده شده است.

چقرمگی در واقع، نشانگر میزان انرژی جذب شده توسط نمونه قبل از رسیدن به نقطه ی شکست می‌باشد.
همان‌طور که روی نمودار می‌بینیم، قاعده‌ی مثلث بیانگر مقدار کرنش و ارتفاع آن میزان تنش است، در نتیجه مساحت این مثلث، متناسب با حاصلضرب مقاومت در کرنش می‌باشد. از آنجایی که مقاومت با نیروی لازم برای شکست نمونه متناسب است، و کرنش با واحدهای مسافت اندازه‌گیری می‌شود (مسافتی که نمونه کشیده می‌شود)، بنابراین حاصلضرب مقاومت در کرنش، با حاصلضرب نیرو در مسافت متناسب است. و از فیزیک به یاد داریم که حاصلضرب نیرو در مسافت از جنس انرژی است. فهمیدید؟

اما چقرمگی چه تفاوتی با مقاومت دارد؟ از دیدگاه علم فیزیک، مقاومت بیانگر مقدار نیروی لازم برای شکست نمونه، و چقرمگی مقدار انرژی لازم برای رسیدن به نقطه شکست می‌باشد. ولی شاید این پاسخ، تفاوت های عملی این دو مفهوم را برای شما بیان نکند.

نکته‌ی حائز اهمیت، این است که مقاوم بودن یک نمونه لزوماً به معنای چقرمه بودن آن نیست. برای بیان این مطلب، نمودارهای بیشتری را بررسی می‌کنیم. به دستگاه مختصات زیر که دارای سه نمودار مجزا، به رنگ های آبی، قرمز، و صورتی است، نگاه کنید.

نمودار آبی رنگ، متعلق به نمونه‌ای مقاوم و در عین حال، غیر چقرمه است. همانطور که می‌بینید، این نمونه به نیروی زیاد و با وجود این انرژی کمی برای شکست نیاز دارد، و کوچکی سطح زیر نمودار هم این مطلب را تأیید می‌کند. بدین ترتیب، این نمونه نمی‌تواند پیش از رسیدن به نقطه‌ی شکست، زیاد کشیده شود. چنین ماده‌ای که مقاوم است، ولی نمی‌تواند زیاد، تغییر شکل دهد، به عنوان ماده‌ای شکننده شناخته می‌شود.

از سوی دیگر، نمودار قرمز مربوط به ماده‌ای مقاوم و در عین حال، چقرمه می‌باشد. این ماده به اندازه ی نمونه ی مربوط به نمودار آبی مقاوم نیست، ولی سطح زیر نمودار بسیار بزرگ‌تری نسبت به آن دارد که حاکی از جذب انرژی بسیار بیشتر آن برای رسیدن به شکست می‌باشد.

چرا نمونه‌ی قرمز می‌تواند انرژی بسیار بیشتری نسبت به نمونه‌ی آبی جذب کند؟ به هر دو نگاه کنید. نمونه‌ی قرمز، ازدیاد طول زیادی نسبت به نمونه آبی، قبل از شکست دارد. و می‌دانید که تغییر شکل، به نمونه اجازه می‌هد که انرژی را تلف کند. نمونه‌ای که نمی‌تواند تغییر شکل یابد، انرژی را نیز تلف نمی‌کند و همین امر موجب شکست نمونه خواهد شد.

در زندگی روزمره، ما معمولاً موادی را ترجیح می‌دهیم که مقاوم و چقرمه باشند. در حالت ایده آل، بسیار مطلوب است که ماده ای داشته باشیم که خم نشود و نشکند، ولی ما در عالم واقعیات زندگی می‌کنیم و نیازمند بهینه‌سازی هستیم. دوباره به نمودارها نگاه کنید. نمونه آبی مدول بیشتری نسبت به نمونه قرمز دارد. در حالی که در بسیاری از کاربردها، مدول بالا و مقاومت زیاد در برابر تغییر شکل مطلوب است، در عمل، خم شدن نمونه بهتر از شکست آن است. مسلماً بهتر است که رفتارهایی مثل خم شدن، کشیده شدن، و یا تغییر شکل به صورت‌های دیگر، از شکستن نمونه جلوگیری کنند. لذا در طراحی پلیمرهای جدید و یا کامپوزیت‌های جدید، ما اغلب تا حدی مقاومت ماده را فدای افزایش چقرمگی آن می‌کنیم.

 

خواص مکانیکی پلیمرهای واقعی

تا اینجا، از لحاظ نظری درباره ی انواع خواص مکانیکی پلیمرها بسیار بحث کردیم. اکنون بهتر است ببینیم که هر یک از پلیمرها دارای کدام رفتار مکانیکی می‌باشند. به عبارتی دیگر چه پلیمرهایی مقاوم، چقرمه، و… هستند.

تصویر بزرگ کناری، انواع نمودار‌های تنش-کرنش پلیمرها را بررسی می‌کند. نمودار سبز رفتار مکانیکی پلاستیک سختی همچون پلی‌استایرن، پلی(متیل‌متاکریلات) یا پلی‌کربنات را نشان می‌دهد که می‌توانند در برابر تنش‌های بالایی مقاومت کنند ولی ازدیاد طول چندانی تا رسیدن به نقطه ی شکست ندارند. در این موارد، سطح زیر نمودار مقدار زیادی ندارد، لذا گفته می‌شود که چنین موادی مقاوم هستند ولی چقرمگی بالایی ندارند. همچنین نمودار آنها شیب تندی دارد که بیانگر آن است که در پلاستیک‌های سخت نیروی زیادی برای تغییر شکل مورد نیاز است (با توجه به این مطلب مشخص است که چرا نام آن را پلاستیک سخت گذاشته اند). بنابراین مسلم است که پلاستیک‌های سخت مدول بالایی دارند. به طور خلاصه؛ پلاستیک‌های سخت معمولاً مقاوم هستند، در مقابل تغییر شکل ایستادگی می‌کنند، و در عین حال، معمولاً خیلی چقرمه نیستند، یعنی شکننده اند.

پلاستیک‌های انعطاف پذیر همچون پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن، با پلاستیک‌های سخت تفاوت دارند، بدین نحو که در مقابل تغییر شکل، به خوبی آنها ایستادگی نمی‌کنند، ولی با این وجود معمولاً نمی‌شکنند. مطمئناً توانایی آن‌ها در تغییر شکل از شکست آن‌ها جلوگیری می‌کند. مدول اولیه آنها نیز بالاست و لذا تا حدی در برابر تغییر شکل مقاومت می‌کنند، ولی چنانچه تنش کافی روی آنها اعمال شود نهایتاً تغییر شکل می‌دهند. شما می‌توانید این کار را در منزل با یک پاکت پلاستیکی انجام دهید. چنانچه سعی کنید آن را بکشید، ابتدا سخت به نظر می‌رسد ولی با کشیدن به اندازه کافی، تسلیم می‌شود و به راحتی افزایش طول خواهد یافت. در حقیقت پلاستیک‌های نرم به اندازه‌ی پلاستیک های سخت، مقاوم نیستند ولی بسیار چقرمه تر می‌باشند.

تغییر رفتار تنش-کرنش پلاستیک ها با افزودن موادی به نام نرم کننده ها امکان پذیر است. نرم کننده ها موادی کوچک مولکول هستند که می توانند پلاستیک  ها را انعطاف پذیرتر کنند.
به عنوان مثال، بدون نرم کننده ها، پلی(وینیل کلراید)، یا به اختصار PVC، یک پلاستیک سخت می باشد. PVC سخت فاقد نرم کننده، در ساخت لوله های آب کاربرد دارد. در حالی که PVC حاوی نرم کننده به اندازه ای انعطاف پذیر است که می تواند برای ساخت وسایل بازی استخرهای بادی و یا سفره مورد استفاده قرار گیرد.

الیافی همچون کِولار و الیاف کربن و نایلون، معمولاً نمودار تنش-کرنشی مانند نمودار فوق به رنگ آبی روشن دارند. مانند پلاستیک‌های سخت، اینها هم بیشتر مقاوم هستند تا چقرمه، و تغییر شکل زیادی تحت تنش کششی ندارند. ولی هنگامی که نیاز به مقاومت دارید، الیاف بسیار مقاوم هستند. آن‌ها از پلاستیک‌ها و حتی پلاستیک‌های سخت نیز مقاوم ترند، و برخی الیاف پلیمری همچون کِولار، الیاف کربن و پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا، مقاومت کششی بهتری نسبت به فولاد دارند.

رفتار مکانیکی الاستومرهایی همچون پلی‌ایزوپرن، پلی‌بوتادین، و پلی‌ایزوبوتیلن، کاملاً نسبت به سایر مواد متفاوت است. نگاهی به نمودار صورتی رنگ در شکل بالا بیاندازید. الاستومرها مدول بسیار کمی دارند که این موضوع از شیب کم نمودار قابل تشخیص است. می‌دانید که یک قطعه­ی لاستیکی به راحتی کشیده یا خم می‌شود. اگر الاستومرها مدول کمی نداشت باشند، الاستومرهای خیلی خوبی نیستند. البته مدول کم برای الاستومر دانستن یک پلیمر کافی نیست. افزایش طول آسان، بدون بازگشت‌پذیری به ابعاد و شکل اولیه پس از رفع تنش، کاربرد زیادی ندارد. قطعات لاستیکی در صورتی که فقط کشیده شوند ولی به حالت اولیه بازنگردند، هیچ کاربردی ندارند. مطمئناً الاستومرها باید به حالت اولیه خود باز گردند و همین بازگشت‌پذیری آن‌هاست که جالب و مطلوب است. آنها تنها ازدیاد طول بالایی ندارند، بلکه ازدیاد طول بازگشت‌پذیر بالایی دارند.

گذر از خواص کششی

البته همه­ی این‌ها خوب است ولی این بحث کوتاه، بیشتر برروی خواص کششی پلیمرها متمرکز شده است. چنان چه به خواص دیگری از جمله خواص فشاری یا خواص پیچشی نگاه کنیم، همه چیز می‌تواند تغییر کند. به عنوان مثال؛ الیاف دارای مقاومت کششی بالا، و نیز مقاومت پیچشی خوبی هستند، ولی مقاومت فشاری بسیار کمی دارند. ضمناً مقاومت کششی آنها فقط در راستای الیاف، بالاست.

تقویت مقاومت‌ها

تاکنون درباره ی این بحث کردیم که چگونه برخی پلیمرها چقرمه، و برخی دیگر مقاوم هستند، و نیز اینکه چگونه ناچار به بهینه سازی در طراحی مواد جدید هستیم. به عنوان مثال، شاید کسی مجبور شود که مقاومت را فدای چقرمگی کند. ولی گاهی با ترکیب دو پلیمر با خواص متفاوت، می‌توانیم به ماده ای جدید با بخشی از ویژگی‌های هر دو دست پیدا کنیم. سه روش مهم برای این کار وجود دارد که عبارتند از: کوپلیمریزاسیون، آلیاژ کردن و ساخت مواد کامپوزیتی.

نمونه‌ای از یک کوپلیمر که خواص دو ماده را ترکیب می‌کند، اسپاندکس می‌باشد. این کوپلیمر حاوی قطعه هایی الاستومری از پلی‌اکسی‌اتیلن و قطعه هایی از یک پلی‌یورتان سخت تشکیل دهنده ی الیاف می‌باشد. محصول آن الیافی است که کش می‌آیند. این ماده برای لباس هایی، مثل شلوار دوچرخه‌سوارها، به کار می‌رود که باید کش بیایند.

پلی استایرن ضربه پذیر(HIPS)، یک آلیاژ امتزاج

ناپذیر می باشد که خواص پلی استایرن و پلی بوتادین را دارد. پلی استایرن یک پلاستیک سخت است که در صورت اختلاط با الاستومر پلی بوتادین، مخلوطی دو فازی حاوی ذرات پخش شده ی یک فاز در فاز دیگر تشکیل می دهد. این ماده استحکام پلی استایرن و چقرمگی پلی بوتادین را دارد. به همین دلیل HIPS شکنندگی بسیار کمتری نسبت به پلی استایرن معمولی دارد.

در مورد مواد کامپوزیتی، معمولاً یک لیف را برای تقویت یک ماده ی گرماسخت به کار می‌بریم. گرماسخت­ها ، موادی شبکه‌ای هستند که رفتار تنش-کرنش آن‌ها شبیه پلاستیک‌ها می‌باشد. لیف، استحکام کششی کامپوزیت را افزایش می‌دهد، در حالی که ترموست‌ها مقاومت فشاری و چقرمگی به کامپوزیت می‌بخشند.

---

مراجع

Odian, George; Principles of Polymerization, 3rd ed., J. Wiley, New York, 1991.

Jang, B. Z.; Advanced Polymer Composites: Principles and Applications, ASM International, Materials Park, OH, 1994.