X
تبلیغات
آمیزه های پلیمری - منحنی کارایی
تاريخ : پنجشنبه یازدهم آبان 1391 | 14:5 | نویسنده : سعید مشهدی رفیعی

به نام خداوند

کتاب "آمیزه های پلیمری و استفاده از منحنی های کارایی برای مقایسه خواص فیزیکی مکانیکی پلیمرها" کتابی است که ایده اولیه آن در حدود شش سال پیش به وجود آمد و نهایتا با خلاصه برداری از حدود 20 مرجع ؛ به مرجعی برای دانشجویان و صنعتگران در آمده است تا از آن به عنوان دوره ای بر تکنولوژی پلیمر استفاده نمایند و نحوه مقایسه گریدهای مختلف مواد پلیمری را که به صورت تجاری به بازار عرضه شده اند را در قالب یک منحنی رادار که از آن به عنوان منحنی کارایی در این کتاب یاد می شود فراگیرند.

در ذیل مقدمه این کتاب قرار داده شده است. خوانندگان محترم می توانند در صورت تمایل؛ این کتاب را از واحد انتشارات شرکت ساپکو تلفن ۴۸۹۲۲۳۰۸ تهیه نمایند. 

مقدمه کتاب:

در این کتاب بر آنیم تا با مواد مختلف پلیمری و انواع هر یک آشنا شویم و راهکاری را برای مقایسه آنها با یکدیگر ارائه دهیم. لذا کتاب در دو بخش تدوین شده است . در بخش اول آشنایی با  پلیمرها و آزمونهای مرتبط با خواص فیزیکی مکانیکی ، دیتاشیتها و روشهایی برای تخمین خواص و آمیزه سازی بیان می گردد تا با این دانش در بخش دوم کتاب و با معرفی منحنی های پروفیل کارایی، گریدهای مختلف مواد پلیمری را با یکدیگر مقایسه نماییم.

 لذا با مروری سریع در فصل اول ، پلیمرها و انواع آنها و دلایل اختلاف ساختار مولکولی این ماکرو ملکولها بیان می گردد. با این آشنایی اولیه ، در فصل دوم خواص فیزیکی مکانیکی پلیمرها مورد تحلیل قرار گرفته استانداردهایی که برای بیان هر یک از این خواص مورد استفاده قرار می گیرد توضیح داده می شود و جایگاه و موقعیت مواد پلیمری در بین دیگر مواد مهندسی از قبیل مواد فلزی ، سرامیکها ، چوبها ، فومها و الاستومرها تشریح می گردد و مختصرا مطالبی در خصوص شرایط فرایندی پلیمرها بسته به ساختار آنها بیان می گردد.

 فصل سوم به معرفی چند سایت اینترنتی می پردازد که به کمک آنها می توان به دیتا شیت مواد پلیمری مورد نظر دست یافت.

از آن جایی که همواره تمامی اطلاعات فیزیکی مکانیکی مواد پلیمری در دیتا شیتها ارائه نمی شود و یا تولید کنند گان این مواد همیشه دیتا شیتهای کاملی را منتشر نمی سازند؛ و از سوی دیگر این اطلاعات در بر گیرنده شرایط عملیاتی و یا تولیدی ماده نمی باشد ؛ داشتن داده هایی خاص در شرایط آزمایشگاهی نمی تواند روند رفتاری خواص فیزیکی مکانیکی ماده را در طی شرایط مختلف به طور کاملی روشن سازد.  لذا در فصل چهارم روشهایی برای تخمین برخی از خواص فیزیکی مکانیکی با تغییرات دما بیان می گردد تا بتوان حدودی از این خواص را بر اساس دیگر پارامتر ها و یا گریدهای دیگر ماده تخمین و یا پیش بینی نمود.

 

محققین معتقدند که معمولا ایجاد یک فرمول ترکیبی با افزودن چند ماده مختلف به ساختار یک پلیمر و تهیه آلیاژهای پلیمری به مراتب ازتحقیقات آزمایشگاهی برای ایجاد یک پلیمر جدید آسان تر می باشد. این موضوع سبب گردیده است که علم آلیاژسازی پلاستیکها اهمیت زیادی یابد و لذا یکی دیگر از دلایل ایجاد تنوع  گریدهای مختلف مواد پلیمری، استفاده از فرمولاسیونهای مشخص مواد برای تولید ساده تر می باشد . این موضوع در فصل پنجم و ششم مورد دقت نظر قرار گرفته است. یقینا کاربرد قطعه و نقشی که طراحان در شکل قطعه ملحوظ می دارند با توجه به استحکام ، میزان انعطاف پذیری ، ضخامت قطعه و دیواره ها ، مقاومت به ضربه و خواسته های دیگری که کاربردی خاص ، آن را بر طراح الزامی می نماید مورد دیگری است که بعضا به ایجاد گریدهای مختلف پلیمرها کمک نموده است. کاربردهای جدید صنعتی و مسایل زیست محیطی و توجه به مواد نانو نیز مواردی است که محققان را به فکر ایجاد روزافزون گریدهایی با کارایی های بهتر و یا ارزانتر سوق می دهد.

 تولید کنندگان قطعات پلیمری آگاه هستند که مقایسه تک تک خواص هر گرید با گرید دیگر کاری وقت گیر می باشد و انتخاب یک گرید از بین چندین گرید و انتخاب مناسبترین گرید همواره با تردیدهایی همراه خواهد بود. لذا درفصل هفتم به بیان راهکاری ترسیمی برای مقایسه گریدهای مختلف یک پلیمر پرداخته می شود. در این روش که به نام روش ترسیمی پروفایل کارایی نامیده می شود ، با ترسیم هم زمان چندین خاصیت اصلی ماده پلیمری در قالب یک منحنی رادار ، این قابلیت را می توان ایجاد نمود که دو گرید مختلف ، همزمان از نظر خواص متفاوتی در  یک منحنی مقایسه گردند و تاثیر مواد افزودنی خاص و تاثیر همزمان آن در خواص مختلف فیزیکی مکانیکی هر دو ماده مورد بررسی قرار گیرد.

در فصول بعد یعنی فصلهای هشتم تا یازدهم با وارد شدن به مباحث تحقیقات بازار چهار پلیمر عمده یعنی پلی اتیلن، اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS) ، پلی پروپیلن و پلی آمید ها ، ضمن بیان کاربرد های هر گرید، تا حد امکان منحنی کارایی گریدهای مختلف نسبت به هم ترسیم و مقایسه شده اند. در فصل دوازدهم نیز با توجه به مراجع در اختیار، مروری کلی بر دیگر پلاستیکهای مهندسی و آمیزه های آنها شده است؛ اگر چه هر روزه تحقیقات فزاینده ای برای تولید پلیمرها و گریدهای جدید می شود.

لازم به ذکر است که در تدوین فصل های هشتم تا دوازدهم، هدف بیان تمامی گریدهای پلیمرهای ذکر شده نبوده است و تنها به دلیل بیان تنوع در آمیزه های مختلف از برخی از مهمترین آنها در حد استطاعت نام برده شده است.

 

خاطر نشان می سازد که در این کتاب ، بیان تمام نکاتی که شاید بتوان از منحنی های پروفایل کارایی نتیجه گیری نمود مقدور نگردید و این امر موکول به مطالعات و تحقیقات بیشتری می باشد . در اینجا تنها به ذکر برخی از ایده هایی که می تواند توسط هر یک از پژوهندگان دنبال گردد اشاره می شود:

·    شاید بتوان از  این تکنیک برای تحقیق جایگزینی یک نوع پلیمر به جای گرید ماده پلیمری دیگر بهره جست. البته این امر منوط به در نظر گرفتن خواص اصلی قابل مقایسه هر دو گرید در منحنی کارایی و توجه به آزمونهای بلند مدت هر دو پلیمر می باشد.

·    از کاربردهای دیگر منحنی پروفایل کارایی، می تواند امکان سنجی وجود گریدی ویژه از ماده پلیمری برای  کاربردی خاص باشد. در این حالت اگر محدوده مورد انتظار در رنج مینیمم تا ماکزیمم  تمام خواص رسم شده در منحنی پروفایل کارایی قرار گیرد، احتمال یافتن گریدی در بین گریدهای تولید شده آن ماده وجود دارد.

·    معمولارد شدن برخی از آزمونهای مندرج در مدارک فنی یک قطعه ، قطعه سازان را به سمت استفاده از گریدهای با قیمت بالاتر  که دارای خواص مکانیکی بالاتری می باشند سوق می دهد،  فارغ از این که شاید با همان تکنیکی که تولید کنندگان از مستربچ در تولیدات خود استفاده می نمایند بتوان برای یافتن راهکاری ارزان قیمت تر، برای تولید محصول مورد نظراقدام کرد ؛ مشروط بر این که این مواد با درصد مشخص، در یکدیگر امتزاج پذیر باشند.

·    دیگر از پرسشهای همراه با تردید تولید کنندگان و مهندسین استفاده از مواد ضایعاتی به همراه مواد اصلی و نو می باشد. شاید بتوان با ترسیم همزمان اطلاعات مواد نو و بازیافتی در یک منحنی پروفایل کارایی ، به صورت تقریب روشی را برای  یافتن درصد مواد بازیافتی به مواد نو پیدا کرد که بر خلاف روشهای سعی و خطای فعلی و عدم اطمینان از دقت نتیجه، راهکاری حدودی را با استفاده از روش پروفایل کارایی بدست دهد.

 

امیدوارم خوانندگان محترم اینجانب را با راهنمایی های خود در جهت بهبود مطالب درج شده در چاپهای آتی مورد لطف و عنایت خود قرار دهند.


 فصل اول : پلیمرها و عوامل موثر بر خواص فيزيكي مكانيكي آنها

فصل دوم: خواص فیزیکی مکانیکی پلیمرها

فصل سوم: آشنایی با دیتا شیتهای مواد پلیمری

فصل چهارم: روشهایی برای تخمین خواص فیزیکی مکانیکی مواد پلیمری

فصل پنجم: آلیاژهای پلیمری و نقش مواد افزودنی

فصل ششم: آمیزه سازی

فصل هفتم : روش پروفایل کارایی برای مقایسه گریدهای مختلف مواد پلیمری

فصل هشتم : آشنایی با گریدهای مختلف پلی اتیلن

فصل نهم : آشنایی با گریدهای مختلف ABS

فصل دهم : آشنایی با گریدهای مختلف پلی پروپیلن

فصل یازدهم : آشنایی با گریدهای مختلف پلی آمیدها

فصل دوازدهم : آشنایی با سایر ترموپلاستیکهای مهندسی و آمیزه های آنها


برچسب‌ها: آميزه هاي پلیمري, منحنی کارایی, خواص فیزیکی مکانیکی پلیمرها, مقایسه مواد پلیمری

تاريخ : یکشنبه بیست و هشتم آبان 1391 | 15:18 | نویسنده : سعید مشهدی رفیعی

همواره این موضوع حائز اهمیت است که در صورت ممزوج بودن چند پلیمر با یکدیگر٫ آمیزه نهایی چه خواصی را می تواند از خود بروزدهد. در این مقاله بر آنیم تا با بررسی منحنی کارایی گرید عمومی ABS/Nylon  و نیز گرید تقویت شده آن، نسبت به گریدعمومی ABS تزریقی ٫ شکل(1) مزیت این آمیزه سازی را مورد دقت نظر قرار دهیم:

شکل(۱) منحنی کارایی گرید عمومی و تقویت شده  ABS/Nylon  نسبت به گرید عمومی ABS تزریقی

 

منحنی کارایی گرید عمومی ABS/Nylon  حاکی از پلیمری چقرمه تر نسبت به گرید عمومی ABS حتی در دمای پايين مي باشد. خواص ضربه پذیری و افزایش طول در نقطه شکست، مبین چنین بهبودی نسبت به گریدهای عمومی ABS دارد. در واقع حضور نايلون در كنار ABS  ، چقرمه پذیری آمیزه را بهبود بخشیده است. در این آمیزه همچنین متوسط مقاومت به حرارت کمی بهبود یافته است و جذب رطوبت در نقطه تعادل، افزایش یافته است .

منحنی کارایی گرید ABS/Nylon  تقویت شده با الیاف شیشه نیز آمیزه ای با استحکام کششی و خمشی بالا و دارای مقاومت حرارتی بالا و چقرمگی کمتر نسبت به گرید عمومی ABS را نشان می دهد. با مطالعه منحنی کارایی این گرید در کنار منحنی کارایی ABS تقویت شده با 20% الیاف شیشه در شکل (۲) به مزیت های این آمیزه می توان پی برد. این آمیزه تقریبا دارای استحکام کششی و خمشی مشابهی با گریدABS  تقویت شده با 20% الیاف شیشه می باشد اما با نمایش افزایش نسبی خواص دمای خمش تحت بار حکایت از پلیمری دارد که می تواند در دماهای بالاتر نسبت به ABS تقویت شده با الیاف شیشه کارایی داشته باشد و مقاومت ضربه پذیری بهتری را نیز از خود بروز دهد.

شکل(۲) منحنی کارایی ABS/Nylon تقویت شده و ABS تقویت شده با 20% الیاف شیشه نسبت به گرید عمومی ABS تزریقی

 

این خواص سبب شده است تا از این گرید در ساخت ‌قطعات تزئینی داخل خودرو ،‌ ابزارهای برقی خانگی، ‌وسايل برف روب و جاروبرقي خانگی و قطعات مخصوص چمن زني و باغبانی  استفاده شود. از تولیدکنندگان اين گرید مي توان به شرکتهای باير ، BASF و Schulman GmbH اشاره نمود.


برچسب‌ها: مقایسه مواد پلیمری, منحنی کارایی, آميزه هاي پلیمري, خواص فیزیکی مکانیکی پلیمرها

تاريخ : چهارشنبه بیست و چهارم آبان 1391 | 18:55 | نویسنده : سعید مشهدی رفیعی

ميدانيم عمدتا دلیل آمیزه سازی پلیمرهای آمورف با الیاف ، بهبود خواص استحکامی آنها در بالاتر از دمای شیشه ای مي باشد (براي مطالعه در اين خصوص به مقاله "محدوده دماي استفاده از مواد پليمري و تخمين منحني تغييرات مدول با دما  "در ليست مطالب قرار داده شده در سايت مراجعه فرماييد)؛ اما مسلما الیاف مختلف و درصد آنها ، تاثیرات متفاوتی را بر خواص فیزیکی مکانیکی آمیزه نهایی خواهد گذاشت، ضمن آن که نحوه امتزاج پذیری، نحوه توزیع الیاف و ابعاد آن نیز در چگونگی خواص یاد شده بسیار موثر خواهد بود.

در صورتي که مبنای ترسیم منحنی های پروفیل کارایی بر اساس اطلاعات ارائه شده برای گریدهای تجاری صورت گرفته است می توان فرض نمود که توزیع الیاف با طول مناسب به خوبی در پلیمر پایه صورت گرفته است،  لذا با چنین فرضی می توان به بررسی تغییرات ناشی از درصد الیاف مختلف در ABS پرداخت. شکل (۱) منحنی کارایی گریدهای ABS تقویت شده با 10% و 40% الیاف شیشه را نسبت به گرید عمومی ABS تزریقی  نمایش می دهد.  

همان گونه که انتظار می رود، با افزایش ماده تقویت کننده، متوسط خواص مرتبط با استحکام پلیمر با افزایش درصد ماده تقویت کننده افزایش و طبیعت ماده به ماده ای شکننده تر اما مستحکم تر تغییر می کند. مسلما فرآیند پذیری پلیمر تقویت شده با افزایش میزان الیاف سختتر خواهد بود که این موضوع به وضوح از منحنی کارایی شکل (۱) و کاهش میزان شدت جریان مذاب مشهود می باشد. افزایش درصد الیاف تاثیر مستقیمی در افزایش استحکام کششی و خمشی و کاهش متناسب چقرمگی و ضربه پذیری پلیمر حاصله دارد.

شکل(۱) منحنی کارایی گریدهای  ABS تقویت شده با الیاف شیشه نسبت به گرید عمومی ABS تزریقی

 همچنین متوسط مقاومت حرارتی پلیمرهای تقویت شده با الیاف شیشه نسبت به ABS عمومی افزایش نسبی را نشان می دهد که محدوده کاربرد بالاتر دمایی را برای این مواد پیش بینی می کند ضمن آن که دمای فرایند پذیری نیز بالاتر خواهد بود. شکل (۲) وضعیت مشابهی را در خصوص گریدهای ABS تقویت شده با الیاف کربن نشان می دهد.

شکل(۲) منحنی کارایی گریدهای  ABS تقویت شده با الیاف کربن نسبت به گرید عمومی ABS تزریقی

 

در شکل (۲) ملاحظه می گردد که خواص استحکام کششی و خمشی و مقاومت حرارتی پلیمر تقویت شده متناسب با افزایش درصد الیاف کربن افزایش یافته است . ضربه پذیری و چقرمگی پلیمر الیاف دار کاهش محسوس را نسبت به پلیمر مبنا نشان می دهد و شیرینکیج پلیمر در قالب بعد از سرد شدن متناسب با میزان الیاف کربن اضافه شده کمتر خواهد شد.

دیگر از خواص تحلیل شده در منحنی کارایی شکل (۲) توجه به فاکتور درصد جذب رطوبت است که با افزایش درصد الیاف کربن، درصد رطوبت جذب شده نسبت به پلیمر مبنا کاهش می یابد.

از آن جایی که قیمت الیاف کربن نسبت به الیاف شیشه بسیار گرانتر می باشد، این سوال مطرح می گردد که آیا خواص فیزیکی مکانیکی حاصل از آمیزه ABS با الیاف کربن دارای مزیت نسبی نسبت به آمیزه ABS دارای الیاف شیشه می باشد یا خیر ؟

 برای بررسی این موضوع در شکل (۳) منحنی کارایی دو گرید ABS الیاف دار 20% کربن و 20%  الیاف شیشه نسبت به ABS تزریقی با یکدیگر مقایسه شده اند.

همان گونه که ملاحظه می شود  در درصد مساوی ماده تقویت کننده، الیاف کربن با ایجاد آمیزه ای با استحکام بیشتر ؛ مزیت خود را نسبت به آمیزه الیاف شیشه نشان می دهد. چقرمگی کمتر ، شیرینکیج کمتر و جذب آب کمتر از مزیت های دیگر پلیمر تقویت شده با الیاف کربن می باشد. واضح است که برتری این خواص کمک می کند تا محصول تولیدی با آمیزه تقویت شده با الیاف کربن علاوه بر مزایای برشمرده شده وزن کمتری نیز داشته باشد که مصارف آن را توجیه پذیر می نماید .

شکل(۳) منحنی کارایی گریدهای  ABS تقویت شده با 20% الیاف کربن و20%  الیاف شیشه نسبت به گرید عمومی ABS تزریقی

 


برچسب‌ها: مقایسه مواد پلیمری, منحنی کارایی, آميزه هاي پلیمري, خواص فیزیکی مکانیکی پلیمرها, ABS

تاريخ : یکشنبه چهاردهم آبان 1391 | 18:40 | نویسنده : سعید مشهدی رفیعی

در مراجع علم مواد، مواد مهندسی را به 6 گروه عمده مطابق شکل (1) شامل گروههای فلزی، پلیمری، الاستومرها، سرامیکها، شیشه ها و تركيبات هيبريدي تقسیم بندی می نمایند. هر یک از این گروهها دارای خواص و رفتار فیزیکی مکانیکی خاصی هستند که هر یک از این گروهها را از هم مجزا می سازد. همچنین این تقسيم بندي سبب می گردد تا نحوه فرایند پذیری هر يك از این گروهها مشابه و زمینه کاربردشان نیز مشابه باشد.

شکل (1) دسته بندی مواد مهندسی

مواد تشكيل دهنده هر گروه به وسیله خواص فيزيكي مكانيكي شان از یکدیگر تمیز داده می شوند. بسیاری از خواص می توانند رنج مقادیر بالای 5 برابر تا چندین دهک را به خود اختصاص دهند. یکی از راههای مقایسه و نمایش مواد مختلف از نظر یک خاصیت مشخص می تواند مشابه شکل (2) باشد که در آن مواد مختلف از نظر هدایت حرارتی با یکدیگر مقایسه شده اند. هر نشانه نشانگر یک ماده می باشد. طول این نشانه ها ، محدوده هدایت حرارتی هر ماده در حالتهای مختلفی که می تواند داشته باشد را مشخص مي نمايد. در اين شكل گروههاي مختلف مواد با خطوط عمودی از هم مجزا شده اند.. فلزات دارای بیشترین هدایت حرارتی ، پلیمرها و الاستومرها دارای کمترين مقدار و سرامیکها رنج وسیعی از هدايت حرارتي را از مقادير زیاد تا كم شامل می شوند. این منحنی مشخص می نماید که خاصیت هدایت حرارتی رنج وسیعی از 0.01 تا 1000 (5 دهک) را شامل می گردد. همچنین تصوری مقیاس گونه از حدود خواص هر یک از مواد را در مقایسه با دیگر مواد از دسته های دیگر ایجاد می نماید.

 

شکل(2) مقایسه هدایت حرارتی بین فلزات، سرامیکها و پلیمرها.

 روشهای دیگری نیز برای مقایسه خواص مواد مختلف با يكديگر نيز وجود دارد. در شكل (3) خاصیتي مانند مدول یانگ در برابر خاصیت دیگری مانند دانسیته در مقياس لگاریتمی براي گروههاي مختلف مواد ترسیم شده است. با انتخاب مقياس لگاریتمی ، رنج محورها به گونه ای اختیار شده است که تمام مواد از سبک تر ين (خانواده فومها) تا سخت و  سنگینترین مواد (خانواده فلزات) را در برگیرد.

شکل(3) نمایش مواد مختلف در قالب منحنی خواص مواد دو محوره دانسیته - مدول

همان گونه که ملاحظه مي شود، مواد یک خانواده در محدوده خاص حباب گونه اي جای می گیرند که خود شامل اجزاء کوچکی می شوند. نقاط اشتراک خانواده های مختلف با یکدیگر حاکی از همپوشانی خواص در آن مناطق است. رسم اين منحنی های ساده می تواند درک بهتری از جایگاه مواد مختلف نسبت به هم را ایجاد نماید. چنین منحنی هایی به نام منحنیهای خواص مواد (Material Property Charts) معروف هستند و با رسم معنادار دو خاصیت از مواد در مقابل یکدیگر، می توان برخی از انتظارات طراحی را به راحتی درک و در انتخاب مناسبترین ماده استفاده نمود.

در هر حباب که معرف یک خانواده از مواد می باشد ، مواد با حبابهای ریزتری ترسیم می گردد. بزرگی و کوچکی این حبابها و رنج هر یک ، معرف گریدهای مختلف آن ماده و حدود تغییراتی است که می تواند بر ماده اعمال گردد. به طور مثال همان گونه که در شکل (4) ملاحظه مي نماييد محدوده در نظر گرفته شده برای فلز مس تنها چندین درصد از محدوده حباب گونه فلزات را نشان می دهد که مربوط به انواع ساختارها و خلوصهای مختلف اين ماده می باشد؛ در صورتی که محدوده در نظر گرفته شده برای سرامیکهای آلومینه می تواند دو دهک داده را شامل گردد که حاکی از حضور موادی با تخلخل ، اندازه، دانه بندی و ترکیب درصد مختلف مواد در این گروه باشد.  عملیات حرارتی و مکانیکی می تواند بر استحکام تسلیم و چقرمگی فلزات موثر باشد. همچنین کریستالیتی و میزان اتصالات عرضی در یک ساختار پلیمری نیز بر مدول تاثیر گذار خواهد بود. این ویژگیها سبب می گردند تا نمایش گریدها و حالتهای یک ماده به صورت حباب های کوچک و بزرگ در این منحنی ها نشان داده شوند.

شکل (4) منحنی کارایی مدول - دانسیته

 نمودار (4) نشان می دهد که محدوده تغييرات مدول مواد مهندسی از هفت دهک تشکیل شده است: از GPa 0.0001 برای فومهای با دانسیته پایین تا GPa 1000 برای الماس. همچنين رنج تغييرات دانسیته در محدوده ضریب 2000 تغییر می کند، از کمترین مقدار حدود 0.01 تا Mg/m3 20 .

 منحنی (4) را می توان به صورت عمومی برای انتخاب موادی که دارای کمترین وزن می باشند نيز مورد استفاده قرار داد. به طور مثال در صورتی که هدف انتخاب بهترین ماده ای باشد که دارای حداقل مدول 10 GPa می باشد مطابق شکل (5) فلزات ، سرامیکها و کامپوزیتها شرایط این موضوع را خواهند داشت اما از بین این مواد کامپوزیتها با دانسیته کمتر از 3 Mg/m3 کمترین وزن را در طراحی مورد نظر خواهد داشت.

 

شکل(5) انتخاب سبکترین ماده دارای استحکام بالاتر از 10 GPa

 نمونه ديگري از منحني خواص مواد (استحكام – دانسيته) در شكل (6) نمايش داده شده است.

در قسمت پایین سمت راست شكل هاي (4) و (6) خطوط راهنمایی ترسیم شده است که با توجه به نوع كاربرد ، محدوديتهاي پيش رو ،‌ هدف طراحي و شکل قطعه ، مي توان بهترين گزينه براي انتخاب جنس ماده مورد نظر را تعيين نمود.

براي تسهيل در استفاده ،‌ در كتب علم مواد روابطي ارائه شده اند كه در آن با توجه به مسايل موجود مي توان شاخص مرتبط با هر يك از انواع منحني خواص مواد را يافت و از آن در گزينش ماده مورد نظر بهره برد. جدول (1) برخي از شاخصهاي راهنما را معرفي مي نمايد. (لازم به ذكر است كه ارائه تمامي منحني هاي خواص مواد در اين مقاله ممكن نبوده و در صورت نياز مي توان به مراجع اين مقاله مراجعه نمود.)

شکل (6) منحنی کارایی استحکام - دانسیته

 

جدول (1) ملاك انتخاب شاخص در منحني هاي خواص مواد

 

در اينجا نمونه اي براي نشان دادن چگونگي استفاده از منحني هاي خواص مواد بيان مي گردد. فرض نماييد كه براي كاربردي خاص، مي بايد از تيرچه اي با مقطع مربع كه قرار است بار بر روي آن قرار گيرد ، استفاده گردد. شما به عنوان طراح به دنيال سبكترين ماده براي چنين كاربردي هستيد. بر اساس شكل (7) و جدول (1)، شاخص مورد نياز براي  انتخاب سبكترين تیرچه اي با ابعاد مربع ،‌ضريبي از ρ/E1/2  خواهد بود.

شكل (7) مراحل رسيدن از نوع كاربرد، ‌محدوديتها

لذا از بين خطوط راهنما در شكل (4) همان گونه كه در شكل (8) مشخص شده است ، مي بايد شاخص  E1/2/ρ به عنوان مبنا انتخاب گردد.

 

شكل (8) انتخاب شاخص E1/2/ρ از ميان شاخصهاي موجود

 

حال همان گونه كه در شكل (9) مشخص شده است مواد گوشه بالا چپ دارای بالاترین مدول و کمترین وزن می باشند. بنابراین  برای انتخاب سبکترین تیرچه با ابعاد مربع که دارای مدول بالاتر از 50 Gpa باشد ، با توجه به شکل (10) مناسب ترین مواد ،‌ بايد داراي بيشترين شاخص E1/2/ρ باشند كه ماده مورد نظر ، از دسته سرامیکها و يا کامپوزیتها خواهد بود که شرایط دیگر حاکم بر طراحی بهترین ماده را بین این دو گروه تعیین خواهد نمود.

 

 شكل(9) روند کاهش وزن مواد با روند تغییرات مقدار  E1/2

 ملاحظه مي گردد كه در صورتي كه مدول مورد نظر طراحي حدود Gpa 5 تعيين مي شد، شايد چوبها بهترين گزينه مورد نظر مي بود.

 

 شكل (10) انتخاب مناسبترین ماده برای تیرچه ای با مقطع مربع

 با توجه به اين كه انتخاب مناسبترين ماده براي كاربردهاي مهندسي ،‌ اولين و مهمترين مرحله از مراحل طراحي مي باشد، نرم افزارهايي براي اين كار توسعه يافته اند كه با توجه به اصول فوق الذكر به مهندسين طراح در اين خصوص كمك مي كنند.

براي كاربردهاي پليمري سايت www.Omnexus.com و براي محدوده وسيعتري از مواد سايت www.Matweb.com مي تواند متناسب با خواستگاه خواص مواد تعريف شده ،‌ مواد مناسب را معرفي نمايد. مسلما استفاده از نرم افزارهاي تخصصي تر نيز وجود دارد كه از آنها مي توان به نرم افزار  CES‌كه توسط شركت  Granta Design‌توسعه يافته است اشاره نمود(www.Grantadesign.com) . نحوه گزينش مواد در اين نرم افزار در شكل (11) نمايش داده شده است.

 شكل (11) انتخاب مواد با استفاده از نرم افزارهاي كامپيوتري

استفاده از كتاب :

 Materials Selection in Mechanical Design ;  Michael F. Ashby ; Third Edition ; PP 45-100


برچسب‌ها: منحنی کارایی, انتخاب نوع مواد بر اساس شرایط طراحی

تاريخ : یکشنبه چهاردهم آبان 1391 | 15:27 | نویسنده : سعید مشهدی رفیعی

نايلون نام كلي براي خانواده اي از پليمرهاي مصنوعي است كه اولين بار در فوريه سال 1935 توسط والاس كاروترز در شركت DuPont توليد شد و به دليل آن كه اين پليمر از اتصال واحدهاي تكرار شونده پپتاميد (پيوند آميد) توليد مي گردد ، آن را پلي آميد نيز ناميدند. استفاده از نايلون ها به صورت تجاري اولين بار در سال 1938 و در توليد رشته هاي مسواك آغاز شد. سپس در سال 1940  الياف اين ماده در توليد جورابهاي زنانه مصرف گرديد. اگرچه توليد الياف از اين ماده داراي سابقه بيشتري است، اما از سال 1950 به بعد كاربردهاي آن در زمينه هاي توليد قطعات پلاستيكي گسترش بيشتري يافته است و به حدود 25% از كل مصرف پلي آميد ها در سال 2000 يا 1/65 ميليون تن در سال بالغ شده است. رشد سالانه 8 تا 9 درصد مصرف در حوزه توليد قطعات پلاستيكي نسبت به رشد 1/5 درصدي آن در كاربرد الياف حاكي از زمينه هاي كاربردي جديد اين دسته از مواد مي باشد.

اين مواد علاوه بر مقاومت حرارتي، داراي مقاومت الكتريكي بالايي نيز مي باشند و به دليل ساختار بلورين ،‌ مقاومت خوب شيميايي را از خود نشان مي دهند. از ديگر خواص ذكر شده براي نايلونها ،‌ خاصيت نفوذناپذيري می باشد؛ ضمن آن كه با آميزه سازي مي توان به راحتي مقاومت به اشتعال اين مواد را بالا برد. پلي آميد ها به طور گسترده اي در كاربردهايي در صنايع خودروسازي و حمل و نقل ،‌ برق و الكترونيك ، نساجي ، بسته بندي  و محصولات خانگي استفاده مي شوند. با افزودن الياف شيشه و افزايش استحكام اين مواد ، ‌مي توان از آنها به عنوان جايگزينهاي مناسبي براي قطعات فلزي استفاده نمود و لذا پلي آميد ها را مي توان اولين و مهمترين پليمر مهندسي محسوب نمود.

تمامي پلي آميد ها كم يا بيش تمايل به جذب رطوبت دارند. به همين دليل در استفاده از اين مواد بايد به اطلاعات فني آنها ( اطلاعات مرتبط با حالت خشك و اطلاعات مرتبط با 50 درصد رطوبت) توجه گردد . جذب رطوبت همچنين در تغييرات ابعادي قطعات توليد شده با پلي آميد موثر مي‌باشد و لذا توجه به اين موضوع در مسايل طراحي مي بايد مد نظر قرار گيرد. لازم به ذكر است كه در عمل رطوبت به عنوان عامل نرم كننده (پلاستيسايزر) در پلي‌ آميد‌ها عمل مي‌نمايد و سبب كاهش مدول كششي‌ و افزايش مقاومت ضربه‌پذيري مي گردد. با توجه به حساسيت پلي آميدها در جذب رطوبت اين مواد قبل از فرآیند تزريق ، نيازمند رطوبت زدايي مي باشند. در صورتي كه عمليات رطوبت زدايي به خوبي صورت نگيرد، در سطح قطعات توليدي، اثر نامطلوب رگه هاي ناشي از رطوبت مشاهده مي گردد. ضمن آن كه به دليل افزايش نقطه اي دما در قالب و اثر آب در اكسيداسيون، قطعات توليدي داراي خواص مكانيكي ضعيفتري به دليل تخريب مواد خواهند بود.

پلی آمید 6 و پلی آمید 66

پلي‌آميد 6 و پلي‌آميد ‌66 پر مصرف‌ ترين نوع از انواع پلي آميدها مي باشند و عليرغم تشابه خواص ، با يكديگر تفاوتهايي را نيز دارند.  به دلیل آن که پلی آمید 6 دارای مرکز تقارن نمی باشد ، علیرغم داشتن دانسیته مشابه با پلی آمید 66 ، نقطه ذوب آن 40 درجه سانتیگراد کمتر بوده و از مقاومت حرارتي نسبتا كمتري نسبت به پلی آمید 66 برخوردار است. لذا از پلي آميد 66 زماني استفاده مي گردد كه محدوده دمايي يا پايداري كه از پلي آميد 6 بدست مي‌آيد پاسخگوي كاربرد مورد نظر نباشد. با اين اوصاف برخي از مزايا و مشخصات پلي آميد 6 در مقابل پلي آميد 66 به شرح زير مي باشد:

  • ثبات هيدروليكي بهتر  
  • هزينه هاي توليد كمتر
  • عملكرد بهتر در تست حرارتي پير سازي
  • دماي انحنای تحت بار كمتر (HDT پلي آميد 6-6 در MPa 1/8 حدود C° 90-80 است)
  • صلبيت مشابه در دماي زير C°  180

جدول (1) خواص فيزيكي مکانیکی نایلون 6 و نایلون 6-6 را با هم مقایسه نموده است.

جدول (1) مقايسه برخی خواص فیزیکی مکانیکی نایلون 6 و نایلون 6-6

خواص

نایلون6

نایلون  6-6

دمای ذوب  С○

210-220

255-265

دمای فرآیند  С○

قالبگیری تزریقی

اکستروژن

 

225-290

225-275

 

260-325

دانسیته ( gr/cm3)

1.14-1.12

1.15-1.13

استحکام کششی در نقطه تسلیم (%) در ۲۳ درجه سانتیگراد

در شرایط خشک برای قالبگیری (0/2% رطوبت)

در شرایط 50% رطوبت نسبی

 

11700

7400

 

8000

6500

ازدیاد طول (%) در ۲۳ درجه سانتیگراد

در شرایط خشک برای قالبگیری (0/2% رطوبت)

در شرایط 50% رطوبت نسبی

 

30-100

300

 

15-60

150-300

مدول کششی (103 psi) در ۲۳ درجه سانتیگراد

در شرایط خشک برای قالبگیری (0/2% رطوبت)

در شرایط 50% رطوبت نسبی

 

380

100

 

410

180

مدول خمشی(103 psi) در ۲۳ درجه سانتیگراد

در شرایط خشک برای قالبگیری (0/2% رطوبت)

در شرایط 50% رطوبت نسبی

 

390

140

 

410-450

185

ضربه پذیری نمونه شکافدار در دمای اطاق ( ft-lb/in) در ۲۳ درجه سانتیگراد

در شرایط خشک برای قالبگیری (0/2% رطوبت)

در شرایط 50% رطوبت نسبی

 

1.0-0.6

3.0

 

1.0-0.55

2.1-0.85

سخنی راکول در شرایط خشک برای قالبگیری (0/2% رطوبت)

119

120

دمای انحنای تحت بار در شرایط خشک برای قالبگیری

66 psi

264 psi

 

185-190

68-85

 

230-245

75-88

با توجه به چرخه قالبگيري سريع ،‌ انگيزه هاي اقتصادي زيادي براي استفاده از اين مواد در كاربرد هاي متعدد وجود دارد كه از آن جمله مي توان به موارد زير اشاره نمود:

 

صنایع خودروسازي:   نظر به فرآیند پذيري ، مقاومت حرارتي و شيميايي خوب پلي آميد هاي  6 و  66 و  انعطاف پذيري آنها  در طراحي ، اين مواد معمولا به عنوان آلترناتيو قطعات فلزي ، در فضاي موتور استفاده مي شوند. خواص مكانيكي خوبي نظير (سختي ،‌مقاومت به خزش و ...) ‌در طراحي قطعات خودرويي ،  ايمني و راحتي بيشتر را بدست خواهد داد.

صنایع برق و الكترونيك : در صنايع برق و الكترونيك كه تستهاي  GWIT و UL94 الزامي است،‌ پلي آميد هاي 6 و 66 به راحتي مي توانند شرايط تست اشتعال را بگذرانند و به دليل فرآیند پذيري مطلوب، كانديداي خوبي براي توليد قطعات كوچك مقاوم به حرارت با جداره نازك به حساب آيند.

كالاهاي مصرفي و صنعتي : پلي آميد 66 به دليل قالبگيري سريع ،‌ رنگ پذيري ،‌زيبايي سطحي ،‌مقاومت مكانيكي عالي راه حل مناسبي براي توليد كالاهاي خانگي و صنعتي براي طراحي هاي پيچيده محسوب مي گردد.

 

منحنی مقایسه کارایی خواص فیزیکی مکانیکی پلی آمید 6 ،  پلی آمید 66 و پلی آمید 6/66 در شكل (1) نشان داده شده است. این منحنی نشان می دهد که به طور متوسط نایلون 66 دارای دانسیته، نقطه ذوب ، استحکام کششی ، سختی و مقاومت حرارتی بالاتری نسبت به دو نایلون دیگر مورد مقایسه است. در مقابل چقرمگی ، مقاومت ضربه پذیری نایلون 6 بیشترین مقدار را دارد. آمیزه پلی آمید 6/66 حد واسطه ای از این دو را نشان می دهد.

 

 پلي آميد 11 و پلي آميد 12

پلي آميد 11 و پلي آميد 12 از جمله مواد پلاستيكي با منشاء گياهي  مي باشند كه از منابع تجديد پذير (روغن كرچك) مشتق شده اند و اگرچه مقاومت حرارتي (HDT ،‌ ماكزيمم دما و ...) بالايي ندارند، اما مي توانند كارايي خود را در طولاني مدت حفظ  نموده ،‌ ثبات عملكرد داشته باشند و در دامنه وسيعي از شرايط (دما، فشار و شرایط شيميايي و ...) مورد استفاده قرار گيرند. اين مواد داراي مزاياي زير نسبت به ساير پلي آميدها مي باشند:

 

PA11 و PA12  در توليد قطعاتي كه داراي كاربردهاي ايمني ، با ماندگاري بالا و قابليت اطمينان بالا مي باشند ، مصرف مي گردند. گريد شفاف اين مواد نيز به بازار عرضه شده اند كه در طراحي ها و تكوين قطعات، انعطاف پذيري خوبي را به طراحان مي دهد. اين مواد در كاربردهاي زير مصرف مي گردند:

 

 منحنی مقایسه کارایی نایلون های 11 و  12 نسبت به نایلون 6 در شكل (2) رسم شده اند. ملاحظه می گردد که گریدهای نایلونهای 11 و 12 دارای دانسیته کمتری نسبت به نایلون 6 بوده و از نقطه ذوب کمتری نیز برخوردارند. خواص استحکامی نایلون 11 از نایلون 12 ضعیفتر بوده ولی از ضربه پذیری و چقرمگی بهتری برخوردار است.

شكل (2)مقایسه منحنی های کارایی خواص فیزیکی مکانیکی نایلون 11 و نایلون  12 نسبت به نایلون 6

پلی آمید 46

پلي آميد 46 براي كاربردهاي دماي بالا در محدوده وسيعي از صنايع از قبيل خودروسازي ، برق و الكترونيك و كالاهاي مصرفي استفاده مي شود. PA46 پلي آميدي است كه داراي بالاترين مقاومت حرارتي است و دماي انحنای تحت بار آن در MPa 1/8 برابر 160 درجه سانتيگراد مي باشد. همچنین براي پليمر تقويت شده با 30% الياف شيشه ، این دما برابر C° 258 است. مقاومت مكانيكي PA46 از PA66 بیشتر و مقاومت به خستگي آن 50 بار از PA66 بهتر است. PA46 داراي ویژگی هايي به شرح زير است:

پلي‌آميد 46 اغلب جايگزين خوبي براي فلزات در كاربردهاي با دماي بالا مي باشد.

با توجه به مقاومت سايشي مناسب اين پليمر ، عمدتا از آن در توليد چرخدنده ها استفاده مي شود كه لازمه آن داشتن خواص مكانيكي و ثبات ابعادي در دماي بالا و رفتار سطحي خوب و مقاومت به خستگي بالاست.

پلي‌آميد 46را مي توان روكش فلز( متالايز) نمود. همچنين قطعات ساخته شده از PA46 قابليت رنگ كاري دارند. اگرچه مقاومت رنگ بستگي به رفتار رنگدانه در درجه حرارت بالا دارد.

با توجه به سياليت بالا، PA46 مي تواند براي قطعات با شكلهاي پيچيده و ديواره هاي نازك ، ماده مناسبي به شمار رود. شکل (3) منحنی مقایسه ای PA46 را نسبت به نایلون 6 نشان می دهد و مزایای بر شمرده شده برای این پلی آمید را به تصویر می کشد.

شكل (3) مقایسه منحنی های کارایی خواص فیزیکی مکانیکی پلی آمید 46 نسبت به نایلون 6

پلی فتال آمید PPA

پلي فتال آميد (PPA) پلي‌آميدي با مقاومت حرارتي بالا و نيمه آروماتيك است. با توجه به جذب رطوبت پايين ، PPA براي محدوده وسيعي از كاربردها از جمله محيطهاي شيميايي و مصارفي با درجه حرارت بالا كانديد مي باشد. اين ماده همچنين داراي صلبيت و مقاومت عالي در برابر خزش مي باشد. با توجه به داشتن ساختار آروماتيكي ، قطعات تولید شده از PPA نسبت به ديگر انواع پلي آميد داراي ويژگيهاي زير مي باشند:

  • ثبات ابعادي بهبود  یافته
  • مقاومت بهتر نسبت به حلالها و هيدروليز
  • برآورده نمودن خواص مكانيكي بهتر در دماي بالا

اين پليمر در مقايسه با PA46 ‌داراي مزيت صرفه اقتصادي بوده و در بسياري از كاربردها نظير صنايع خودرو در قطعات محفظه موتور (روكش تزئيني روي سيلندر ، شير حرارتي ،‌ ژاكت آب موتور) مصرف مي گردد. همچنين اين ماده اگر با الياف شيشه تقويت شود مي تواند به عنوان آلترناتيو فلزات مصرف گردد.

 

شکل (4) مقایسه منحنی های کارایی خواص فیزیکی مکانیکی پلی فتال آمید نسبت به نایلون 6

جدول (2) خلاصه‌اي از خواص انواع عمومي نايلونها را كه به صورت تجاري عرضه مي‌گردند را ارائه مي‌دهد.

 جدول (2) خواص فيزيكي مکانیکی انواع مختلف نايلون

خواص

Nylon6

Nylon6/ 30% شیشه

Nylon/ 30% کربن

Nylon66

Nylon66/ 30% شیشه

Nylon66/ 30%کربن

Nylon66/ 40% clay

Nylon66/ 50% میکا

نقطه ذوب (oc)

226

215

215

265

265

265

265

215

دماي انحناء تحت بار در Mpa1/82، oc

78

210

215

75

250

260

190

230

حداکثر مقاومت به حرارت مداومoc

65

190

205

100

225

240

150

170

ضريب انبساط خطي   cm/cm/oc ˟ 10-5

8

4

5

8

2

2

3

3

استحكام كششي     MPa

62

138

205

82

180

227

75

90

درصد ازدياد طول

30

5

3

60

4

3

9

9

استحكام خمشي   MPa

96

275

315

103

275

330

205

400

استحكام فشردگي MPa

96

150

135

103

180

170

160

150

استحكام ضربه‌پذيري Izod شكافدار J/m 

55

130

155

55

110

88

50

85

سختي (راكول)

119R

85M

80M

85M

85M

120R

80M

80M

دانسیته

1.13

1.38

1.28

1.14

1.37

1.35

1.4

1.4

 

ادامه جدول (2) خواص فيزيكي مکانیکی انواع مختلف نايلون

خواص

Nylon69

Nylon610

Nylon612

Nylon612/ 35% شیشه

Nylon11

Nylon12

Aramid

نقطه ذوب (oc)

205

220

210

210

192

177

275

دماي انحناء تحت بار در Mpa1/82، oc

55

60

69

216

150

146

260

حداکثر مقاومت به حرارت مداومoc

60

70

75

200

140

135

150

ضريب انبساط خطي   cm/cm/oc ˟ 10-5

8

8

8

6

10

8

3

استحكام كششي     MPa

58

60

50

145

55

55

120

درصد ازدياد طول

80

125

200

4

200

225

5

استحكام خمشي   MPa

40

40

44

80

40

42

172

استحكام فشردگي MPa

100

90

90

150

80

80

207

استحكام ضربه‌پذيري Izod شكافدار J/m 

60

60

60

96

96

110

75

سختي (راكول)

111R

105R

78M

93M

108R

105R

90E

دانسیته

1.09

1.08

1.08

1.35

1.04

1.01

0.5

 


برچسب‌ها: پلی آمید, منحنی کارایی, خواص فیزیکی مکانیکی پلیمرها, آميزه هاي پلیمري, مقایسه مواد پلیمری

تاريخ : پنجشنبه یازدهم آبان 1391 | 7:30 | نویسنده : سعید مشهدی رفیعی

تدوين سعيد مشهدي رفيعي

 مرجع:کتاب آميزه هاي پليمري و استفاده از منحني هاي كارايي براي مقايسه خواص فيزيكي مكانيكي – مولف سعيد مشهدي رفيعي – انتشارات ساپكو – سال 1391

 همواره مقایسه تمامی گريد هاي متنوع تولید شده توسط سازندگان مختلف جهت انتخاب ماده ای که بتواند شرایط عملكردي قطعه ای خاص را پاسخگو باشد ، برای طراحان و تولیدکنندگان قطعات پلاستيكي کاری دشوار و همراه با سعی و خطا بوده است.

بسیاری از قطعه سازان سعی می نمایند تا از بین گريد هاي مختلف تولید شده توسط يك یا دو شرکت مواد ساز، به انتخاب ماده اولیه مورد نیاز خود اقدام نمایند. البته در این بین، برخی نیز از مشاوره برخي شرکت هاي فروشنده بهره مي برند و عملیات گزینش ماده مورد نظر را با ذکر شرایط طراحی ، فرایندی و عملكردي به نمایندگان تولیدکنندگان مواد واگذار می نمایند.

در يك واحد تولیدی قیمت تمام شده کالا و تفاضل آن از قیمت فروش، سود واحد را بدست می دهد و این در حالی است که عمده واحدهای توليد کننده قطعات  پلیمری، حدود 50 تا 60 درصد قیمت تمام شده خود را صرف تهیه مواد اولیه مورد نیاز می نمایند. لذا آگاهی از تنوع گريد هاي مختلف يك ماده و روشی که بتواند گزينش منطبق ترين ماده را با توجه به شرايط طراحي ممكن سازد، مي تواند مستقیما در سوددهی آنها موثر باشد. مخصوصا در شرایطی که با افزایش قیمت مواد اولیه خام پایه نفتي، قیمت مواد پلاستيكي با رشدی روزافزون مواجه خواهند شد و شرایط رقابتی از آن واحدهایی خواهد بود که بیش از دیگران به این مسئله توجه نموده اند.

اين امر همچنين سبب شده است تا شرکت هاي تولید کننده مواد پلیمری برای فروش تولیدات خود به شرکت هاي قطعه ساز مشاوره هایی را ارائه دهند. به عنوان نمونه شرکت بایر با اطلاعاتی که در بانک اطلاعاتی www.campusplastics.com برای مواد اولیه پلیمری وجود دارد، نرم افزاری را برای انتخاب صحیح مواد برای قطعات جدید ارائه داده است که با استفاده از آن می توان اثرات متقابل مسایل طراحی قطعه ، خواص فيزيكي مکانیکی ماده ، اثرات رئولوژی و فرایندی را همزمان مورد مطالعه قرار داد و کم هزینه ترین شرایط را با توجه به شرايط فرايندي موجود یافت.

حال در صورت عدم دسترسی به این نرم افزارها و یا توسعه مواد اولیه جدید و يا تمايل به استفاده از مواد اوليه ساير توليدكنندگان ، آیا راه کاري جهت مقایسه مواد پلیمری به صورت ساده وجود خواهد داشت؟ استفاده از منحني هاي كارايي مي تواند يكي از پاسخهاي اين پرسش باشد.

منحني هاي كارايي در واقع رسم هم زمان خواص فيزيكي مكانيكي يك ماده بر روي منحني رادار مي باشد كه امكان مقايسه  تغييرات خواص را در مواد مختلف نسبت به هم ممكن مي سازد. براي ترسيم اين منحني ها مراحل زير لازم است:

1-  انتخاب نرم افزار ترسيم منحني

2-  انتخاب خواص مورد انتظار

3-  تبديل مقدار خواص به اعدادي بي بعد و در محدوده مشخص

پس از انتخاب نرم افزار ترسيم منحني (به طور مثال نرم افزار اكسل) ،  مسلما براي رسم يك منحني بايد ابتدا محورهاي آن يعني نام خواص مورد انتظار براي مقايسه انتخاب گردند. شاید اگر شما كمي با علم مواد آشنا باشيد ، به تجربه محدودیتهایی را در رابطه با خواص مختلف مواد مشاهده نموده باشيد که با افزایش در مقدار یک خاصیت ، خواص مطلوب ديگر كاهش يافته اند و این خود مي تواند انتخاب ماده مورد نظر را مشكل سازد. بنابراين باید از بین خواص فيزيكي مکانیکی مطابق با خواستگاه طراحي، خواصی که در تناقض با يكديگر هستند و یا مبین ویژگی كاربردي قطعه می باشند را مورد توجه قرار داد. شكل (1) منحني كارايي  را در حالت عمومي نشان مي دهد كه نحوه قرار گيري خواص فيزيكي مكانيكي در آن با ترتيبي خاصي رسم شده اند. مطالعات انجام شده نشان مي دهد كه با چنين ترتيبي از بررسي خواص در كنار هم، استنتاج سهولت فرایند پذیری، انعطاف پذیری ، چقرمگی و سختی همزمان با بررسی های مقایسه ای هر يك از پارامترها براي ماده امکان پذیر خواهد بود.

شكل (1) تفسیر فرايند پذيري، چقرمگی ، انعطاف پذیری و سختی بر اساس منحنی ترسیم کارایی

سومين مرحله براي رسم منحنی کارایی ،‌ بي بعد سازي اعداد مربوط به هر خاصيت و تبديل آن به محدوده اعدادي هم پايه است.  دليل اين امر اين است كه محدوده تغييرات خواص مختلف ،‌ بسيار متنوع مي باشد و رسم همزمان خواص بر روي يك منحني بايد به گونه اي باشد كه طول هر محور بيان كننده مينيمم و ماكزيمم آن خاصيت باشد. به طور مثال محدوده تغييرات دانسيته مواد ترموپلاستيك از حدود 0.9 تا 2.3 كيلوگرم بر متر مكعب مي باشد، اين در  حالي است كه تغييرات ازدياد طول در نقطه شكست براي اين مواد، محدوده اي از 1 تا 990 درصد را شامل مي شود. با توجه به اين كه هر محور، واحد سنجش خود را دارد ،‌ تنها راه براي ترسيم منحني كارايي هر ماده ،‌ استفاده از يك مبنا يا  يك داده مرجع براي بي بعد سازي خواص خواهد بود. بنابراین در ترسیم هر منحنی كارايي حداقل دو سری اطلاعات مورد نياز خواهد بود. يكي مربوط به اطلاعات خواص ماده مورد نظر و ديگري داده مرجعي كه بر اساس محدوده مينيمم و ماكزيمم و متوسط آن ، بتوان هر يك از خواص را بدون بعد و نرمال نمود. بهتر است تا با توجه به گريد هر ماده پليمري  ،‌ داده مرجع نيز مربوط به متوسط خواص گريد هاي آن ماده باشد تا مقايسه انجام شده معنا دار باشد. اين اطلاعات را مي توان در مراجع مختلف مانند سايتهاي www.Matweb.com ، www.Ides.com ،  www.Omnexus.com  و www.campusplastics.com  و یا دیتاشیتهایی که توسط تولیدکنندگان مواد اولیه انتشار می يابند، بدست آورد.

سهولت ترسيم منحني هاي كارايي اين امكان را فراهم مي سازد تا بتوان از آنها براي بررسي تغييرات اضافه نمودن يك جزء در آميزه سازي مواد و يا مقايسه دو گريد مختلف ، بهره برد. حتي مي توان پارامتر قيمت را به عنوان يكي از محورها اضافه كرد و برتري خواص فيزيكي مكانيكي ماده را در كنار مزيت قيمتي آن مورد بررسي قرار داد.

براي بيان چگونگي استفاده از منحني هاي كارايي ؛‌ در ذيل گريدهاي مختلف پلي پروپيلن تقويت شده با كربنات كلسيم و الياف شيشه و نيز اثر ميزان درصد مواد افزودني بررسي شده است. علاقمندان به بررسي بيشتر مي توانند به مرجع اين مقاله مراجعه و مثالهاي كاملتري را در خصوص ديگر مواد پليمري و آميزه هاي آنها ملاحظه نمايند.

يكي از اهداف توليد آميزه اي ارزان قيمت از پلي پروپيلن ، آميختن مقاديري از كربنات كلسيم به آن مي باشد. شكل (2) روند تغييرات خواص آميزه هاي پلي پروپيلن را با افزايش درصدهاي متفاوت كربنات كلسيم نشان مي دهد.

شكل(2) منحنی کارایی گرید های پلی پروپیلن تقویت شده با نسبتهای مختلف  کربنات کلسیم

همان گونه كه ملاحظه مي شود با افزايش درصد كربنات كلسيم ، ضمن افزايش دانسيته و كاهش شدت جريان مذاب ،‌ مدول و سختي ماده افزايش يافته و در مقابل چقرمگي و ضربه پذيري آن كاهش مي يابد.

لازم به ذکر است که افزایش یا کاهش خواص فيزيكي مکانیکی آمیزه های پلي پروپيلن و کربنات کلسیم بسیار تابع اندازه ذرات و نحوه توزیع ذرات كربنات كلسيم در ماتريس پليمر می باشند ؛ اما آنچه در شكل (2) نشان داده شده است تنها بيانگر نحوه تغييرات خواص در بين گريد هاي تجاري اين آميزه ها بوده است.

توجه به اين منحني  همچنين مي تواند دشوار شدن فرايند پذيري آميزه هاي پلي پروپيلن با درصد كربنات كلسيم بيشتر را نيز نتيجه دهد چرا كه دانسيته اين آميزه ها افزايش يافته است و از شدت جريان مذاب آن در زمان مشخص نيز كاسته شده است . اين نتيجه گيري را مي توان با ترسيم منحني كارايي شرايط فرايندي گريد هاي مختلف نيز به دست آورد. شكل (3)

همان گونه که ملاحظه می گردد با بالا رفتن درصد حضور کربنات کلسیم در آمیزه ، فشار تزریق و پروفایل دمایی ماردون تزريق افزایش یافته است و اين موضوع مي تواند حاكي از فرايند پذيري نسبتا سخت تر آمیزه های پلي پروپيلن و کربنات کلسیم باشد.

شكل(3) مقايسه منحنی کارایی شرايط فرآیندی گريد هاي پلی پروپیلن تقویت شده با نسبتهای مختلف  کربنات کلسیم

افزايش كربنات كلسيم به پلي پروپيلن بيشتر به منظور ارزان سازي اين پليمر صورت مي پذيرد اما اگر جنبه استحكامي آميزه  مد نظر قرار گيرد، مي توان از آميز ه سازي پلي پروپيلن با الياف شيشه بهره برد. شكل (4)‌ منحني كارايي گرید پلی پروپیلن تقویت شده با 10% و 40% الیاف شیشه  را نسبت به گرید عمومی پلی پروپیلن نشان مي دهد. همان گونه كه ملاحظه مي شود با افزايش درصد الياف ،‌دانسيته پليمر افزايش، شدت جريان مذاب كاهش و در نتيجه فرايند پذيري گريدهاي داراي الياف شيشه مشكل تر شده است. همچنين ، افزايش الياف شيشه ، سبب افزايش خواص استحكامي آميزه و در مقابل كاهش چقرمگي و ضربه پذيري اين آميزه ها شده است.

 

شکل(4) منحنی کارایی گرید پلی پروپیلن تقویت شده با الیاف شیشه 10% و 40% نسبت به گرید عمومی پلی پروپیلن

براي جبران اين نقيصه در گريد هاي الياف دار پلي پروپيلن‌، ‌گريدهايي نيز به بازار عرضه شده اند كه در آنها ، خاصيت ضربه پذيري تا حدودي بهبود يافته است. شكل (5) منحني كارايي مقايسه اي گريد ضربه پذير تقويت شده با 25% الياف شيشه را نسبت به دو گريد 20% و 30% الياف دار پلي پروپيلن به تصوير كشيده است. اين گريد تلفيقي از خواستگاه استحكام و ضربه پذيري را نسبت به گريدهاي عمومي تزريقي پلي پروپيلن ارائه مي نمايد.

شکل (5) مقایسه منحنی کارایی  PP ضربه پذیر تقویت شده با 25% الياف شیشه با گرید های  pp 20% و 30% الیاف شیشه

همان گونه كه ملاحظه مي شود با استفاده از منحني هاي كارايي ،‌ بررسي اثرات افزودني هاي مختلف در گريد هاي تجاري ترموپلاستيكها راحتتر صورت مي گيرد و اين روش مي تواند براي مقايسه و گزينش گريدهاي مختلف نيز به كار رود. لازم به ذكر است كه استفاده از منحني هاي كارايي، محدود به گزينش مواد ترموپلاستيك نيست و از آن مي توان در گزينش مواد اوليه مختلف و يا مشاهده روند اثر افزودني هاي مختلف  در هر كار آميزه سازي ديگري نيز استفاده نمود.


برچسب‌ها: مقایسه مواد پلیمری, منحنی کارایی, آميزه هاي پلیمري, خواص فیزیکی مکانیکی پلیمرها