بخشی از مقاله
فهرست:
آشنايي با ساختار بسپارها
مقدمه
بلورينگي
رفتار گرمايي بسپارها
وزن مولكولي و توزيع وزن مولكولي
آشنايي با بسپارها
مقدمه:
بسپار مولكول بسيار بزرگي است كه از بهم پيوستن تعداد زيادي مولكولهاي كوچك كه تكپاره ناميده مي شوند پديد مي آيد. به عبارتي ديگر زنجير زنجير بلندي است كه از تكرار واحدهاي شيميايي كوچك و ساده ساخته شده است. به هر يك از اين واحدهاي تكراري پار (و در زبان انگليسي mer) گفته مي شود و از به هم چسبيدن بسياري پار بسپار (Polymer) ساخته مي شود. فرايند توليد بسپار از تكپار را بسپارش مي گويند.
اغلب به علت ساختار زنجير وار به هم متصل مي شود. از اصطلاح زنجير بسپاري به جاي مولكول يا درشت مولكول بسپاري استفاده مي شود. يك بسپار مي تواند طول زنجيرههاي متفاوتي داشته باشد. بسپارهاي تجاري عموما زنجيرهايي دارند كه از 1000 تا 10000 واحد تكراري تشكيل شده اند. اگر تعداد واحدهاي تكراري در زنجيره خيلي زياد نباشد ماده به صورت مايع خواهد بود و به آن چند پاره مي گويند. با افزايش واحدهاي تكراري و در نتيجه افزايش وزن مولكولي حالت فيزيكي ماده به سمت مايع گرانرو و در نهايت جامد تغيير شكل مي دهد.
يك درشت مولكول بسپاري مي تواند به صورت خطي شاخه اي و يا شبكه اي وجود داشته باشد. در يك بسپار خطي گروههاي تكرار شونده پشت سر يكديگر قرار مي گيرند. شكل فضايي اين مولكولها معمولا به صورت يك كلاف نخ است و توده اي از اين مولكولها كلاف درهم گره خورده اي را تشكيل مي دهند. اين امكان است كه روي يك زنجير بسپار زنجيره هاي كوچك ديگري رشد كنند كه به آنها شاخه مي گويند و به اين نوع بسپارها بسپار شاخه اي مي گويند. شاخه هاي متصل به بدنه زنجير مي توانند كوتاه يا بلند باشند.
در حالتي كه زنجيرهاي يك ماده بسپاري بوسيله اتصالات عرضي به يكديگر پيوند خورده باشند بسپار شبكه اي ناميده مي شود. بسپارهاي شبكه اي به دليل ساختار به هم پيوسته اي كه دارند در حلالها حل نمي شوند.
كوپليمرها نوعي از بسپارها هستند كه از بسپارش دو با چند نوع تكپاره با يكديگر بدست مي آبند. در اين حالت به تكپاره ها همتكپاره گفته مي شود. گاهي اوقات غبارت هموپليمر براي بسپار ساخته شده از يك تكپار منفرد به كار گرفته مي شود.
بلورينگي
اگر ساختار مولكول بسپار منظم بوده و فاقد گروه هاي جانبي بزرگ باشدزنجيرها مي توانند به آساني در كنار يكديگر مستقر شوند و نظم يابند. مناطقي كه در آهنها زنجيرهاي بسپار در كنار هم منظم قرار مي گيرند را نواحي بلوري مي گويند. به بسپارهايي كه ريخت بلوري و يا جهت يافتگي خاصي بين زنجيرهاي آن مشاهده نشود بسپار بي ريخت يا بي شكل مي گويند. ميزان بلورين بودن يك بسپار يكي از عوامل مهم در تعيين خواص آن مي باشد. بطور مثال شفافبت يكي از خواص ظاهري است كه تابع بلورينگي استو
در بسپارهاي شاخه اي وجود شاخه ها مانعي براي تشكيل نواحي بلورين است به همين دليل در يك نوع بسپار كه قابليت بلورينگي دارد گونه هاي خطي آن نوع بسپار بلوري تر از گونه هاي شاخه اي همان بسپار بوده و خواص متفاوتي نيز خواهند داشت.
به هنگام فراورش و شكل دهي بسپارها اين امكان هست كه با تغيير شرايط فراورش ميزان بلورينگي را در محصول نهايي تغيير داد چون نظم يابي زنجيرها در كنار هم يا بلورين شدن بسپار وابسته به شرايط دمايي و زماني استو
براي مثال با افزايش بلورينگي در يك قطعه:
- دماي ذوب مقاومت شيميايي و صلبيت افزايش مي يابد.
- ضربه پذيري شفافيت مقاومت در برابر ترك خوردگي تنشي و تراوايي قطعه در برابر گازها كاهش مي يابد.
رفتار گرمايي بسپارها
در حالت كلي بسپارهاي صنعتي را مي توان به دو گروه گرمانرم و گرماسخت تقسيم كرد. گرمانرمها در بياني ساده بسپارهايي هستند كه در اثر گرما نرم شده و در بالاتر از يك دماي خاص جريان مي يابند. به عبارتي ديگر در اين مواد امكان لغزش زنجيره هاي بسپاري روي هم در اثر گرم شدن وجود دارد به طوري كه درشت مولكولها از انرژي كافي جهت غلبه بر نيروهاي بين مولكولي برخوردار هستند. بالطبع با سرد كردن اين مواد سفت شده و زنجيره هاي آن از حركت باز مي ايستند.
گرمانرمها را مي توان بارها گرم كرد و شكل داد. اين مواد قابليت حل شدن در حلال را نيز دارند. گرمانرومها از نظر تجاري مهمترين دسته مواد پلاستيكي هستند. 80% بسپارها در دنيا جزء گرمانرمها هستند. ساختار مولكولي گرمانرمها بصورت خطي يا شاخه اي است.
گرما سخت ها پلاستيكهايي هستند كه در اثر گرما يا عوامل ديگري از قبيل تابش اشعه و رطوبت پخت شده و تبديل به محصولاتي غيرقابل ذوب و انحلال مي شوند. اصطلاح گرما سخت به اين دليل روي اين مواد گذاشته شد كه اولين پلاستيكهاي شبكه اي ساخته شده در اثر گرما شبكه اي مي شدند اما در چند دهه اخير روشهاي غير گرمايي نيز براي شبكه اي كردن مواد استفاده مي شود.
رفتار گرمانرمها در برابر گرما با رفتار مواد كوچك مئلكول بسيار متفاوت است. بسپارها معمولا نقطه ذوب مشخصي ندارند و فرايند ذوب آنها در محدوده اي از دما صورت مي گيرد. نواحي بي ريخت و بلورينه گرمانرم رفتارهاي متفاوتي در مقابل گرما دارند. اگر يك ر بي ريخت را گرم كنيم به محدوده اي از دما مي رسيم كه در آن تحرك بخشهايي از زنجير ممكن شده و بسپار نرم مي شود. به اين دما دماي انتقال شيشه اي (Tg) گفته مي شود كه از ويژگيهاي مهم يك بسپار گرمانرم است. اگر به گرما دادن ادامه دهيم به جايي مي رسيم كه كل زنجير امكان حركت پيدا مي كند. به اين محدوده از دما كه در آن زنجيرهاي بسپار مي توانند روي هم بلغزند دماي ذوب (Tm) گفته مي شود.
نواحي بلورين از مقاومت گرمايي بيشتري نسبت به نواحي بي ريخت برخوردار هستند به عبارتي دماي ذوب بيشتر و مشخص تري دارند. دمايي كه براي ذوب بلورها تعريف مي شود (Tc) دمايي است كه در آن نواحي بلورين نظم خود را از دست مي دهند. براي داشتن جريان در يك بسپار بلورين لازم است كه آن را تا بالاتر از دماي ذوب بلورها گرم كنيم. در حالت عمومي براي اغلب بسپارها بين سه دماي مذكور رابطه زير برقرار است:
Tg < Tc < Tm
وزن مولكولي و توزيع وزن مولكولي
وزن مولكولي يك بسپار نقش مهمي در كاربرد آن ايفا مي كند. جالب و مفيد بودن ويژگيهاي مكانيكي بسپارها نتيجه وزن مولكولي بسيار زياد آنها است. وزن مولكولي ر تعيين كننده ويژگي هاي مكانيكي و نيز فرايند پذيري آن است. هر چه وزن مولكولي زيادتر شود مقاومت شيميايي و خواص مكانيكي ماده (از قبيل استحكام چقرمگي خزش مقاومت در مقابل ترك) نيز بهبود مي يابد.
اما در عين حال موجب زياد شده كرانروي مذاب بسپار شده و فراورش آن را مشكلتر مي كند. در صنعت براي تخمين وزن مولكولي از اندازه گيري شاخص جريان مذاب بسپار استفاده مي شود كه عبارت است از وزني از بسپار كه در حالت مذاب و تحت فشاري مشخص از ميان روزني استاندارد طي 10 دقيقه رانده مي شود. اين شاخص با گرانروي بسپار و در نتيجه وزن مولكولي آن نسبت معكوس دارد. زوشهاي دقيق تر تخمين وزن مولكولي كروماتوگرافي ژل تراوايي (GPC) و اندازه گيري گرانروي محلول بسپار است كه روشهايي آزمايشگاهي هستند.
وزن مولكولي يك بسپار در طول فرايند بسپارش كنترل مي شود. شرايط واكنش نوع فرايند و نوع يازيگرها (كاتاليزورها) از عوامل موثر بر وزن مولكولي هستند. البته در يك بسپار تجاري همه مولكولها هم اندازه نيستند. به عبارتي در طول فرايند بسپارش همه مولكولها به يك اندازه رشد نمي كنند و يك بسپار شامل مخلوطي از مولكولهايي با وزنهاي مولكولي مختلف است. هنگامي كه از وزن مولكولي يك بسپار صحبت مي شود درواقع ميانگين وزن مولكولي درنظر گرفته مي شود. در كنار وزن مولكولي توزيع وزنهاي مولكولي مختلف در بسپار نيز از عوامل تعيين كننده ويژگي ها است و بايد مورد بررسي قرار گيرد.
وزن مولكولي بسپارها معمولا با دو روش تعيين و گزارش مي شود كه عبارتند از:
وزن مولكولي ميانگين عددي Mn و وزن ميانگين وزني Mw كه اينگونه تعريف مي شوند:
تعداد كل زنجيرها / وزن كل زنجيرهاي
بسپار = Mv
كل وزن زنجيرها / مجموع (تعداد زنجيرهاي هم وزن x وزن هر زنجير با تعداد واحدهاي تكراري مشخص) = Mw
اگر زنجيرهاي يك بسپار داراي اندازه هاي تقريبا يكساني باشند توزيع وزن مولكولي باريك خواهد بود و به آن به اصطلاح تك پراكند مي گويند و هر چه اندازه زنجيرها متنوع تر باشد توزيع مذكور پهن تر خواهد بود و به آن بس پراكند مي گويند.
در يك بسپار تك ژراكند مقادير Mn و Mw يكسان خواهد بود اما در بسپار بس پراكند رابطه زير برقرار است:
Mn < Mw
هرچه توزيع وزن مولكولي پهن تر باشد اختلاف بين مقادير انواع وزن مولكولي ها افزايش مي يابد. براي بيان چگونگي توزيع وزن مولكولي از نمايه پراكندگي (PDI) استفاده مي شود كه عبارت است از حاصل تقسيم وزن مولكولي ميانگين وزني بر وزن مولكولي ميانگين عددي:
Mn < PDI = Mw
در PDI = Mwهاي تك پراكند نمايه فوق برابر يك است و هرچه توزيع وزن مولكولي پهن تر باشد مقدار آن از يك بيشتر خواهد بود.
چگونگي توزيع وزن مولكولي يك بسپار روي ويژگي هاي آن تاثير زيادي دارد و در نتيجه توزيع هاي متفاوت وزن مولكولي يك بسپار آن را براي كاربردهاي متفاوتي مناسب مي سازد. بسپارهايي كه توزيع وزن مولكولي باريك دارند نسبت به گونه هايي كه توزيع وزن مولكولي آنها پهن است ويژگي هاي مكانيكي بهتري دارند اما فراورش آنها به مراتب مشكل تر است.
فهرست
رفتار پلاستيكها
تلرانس ها
مقدار انقباض
تنش حرارتي
طراحي و پارامترهاي موثر
تلرانس و شرينكيج
استرس هاي حبس شده و باقي مانده
تمركز تنش
رفتار پلاستيكها:
يكي از عوامل مهم در طراحي آشنائي با پلاستيكها است. به ضميمه آشنائي با يك نوع پليمر آورده شده است.
پارامترهاي كليدي كه بايد طراحي ساختاري پلاستيك مدنظر باشند:
1. مقدار و طول مدت اعمال تنش – كرنش و درجه حرارت magnitufe and duration of در دماي خاص مقدار و زمان استرس يا كرنش در عكس المعمل ساختاري و رفتار استحكام پلاستيك تاثير مي گذارد. و در يك مقدار از تنش و كرنش با زمان اعمال معلوم تغيير در دما مي تواند باعث تغييرات عمده در عكس العمل و رفتار استحكام پلاستيك گردد.
2. محيط Environment
3. محيط اعمال تنش و كرنش و طول مدت اعمال آنها با هم تاثير متقابل دارند. محيط هاي شيميايي، نفوذپذیری تابش UV، دمای بالا محیط مرطوب تاثیر مستقیم بر خواص پلاستیک خواهد داشت. لذا مسئله طراحی محصول را نتاثر می نماید.
4. افزودنی های و اصلاح کننده ها Additives anf mofifiers
5. تقویت کننده ها Reinforcement
الیاف قوی در پلاستیکها باعث بهبود خواص افزایش و استحکام و پایداری ابعادی می شوند.
6. فرایند process
فرایندی که طی آن قطعه تولید می شود می تواند کارایی ساختاری محصول نهایی را دیکته نماید مثل اورینته شدن مولکولها که می تواند باعث افزایش استحکام در جهت جریان مذاب شود.
7. اکسیداسیون و کریستالیزاسیون که می تواند باعث شکنندگی شود.
تلرانس ها – انقباض Tolerances / shrinkage
برای کنترل ابعاد و تلرانس های درنظر گرفته شده ، براساس فرایندی که انتخاب شده است برای ضخامت حد مینیمم و ماکریممی وجود داردو هر پلاستیکی / پلیمری بسته به ساختار مولکولی اش و ویژگی فرایند انتخاب شده دارای محدوده مختص به خود است. در خارج این محدوده معمولی مذاب قابل کنترل نیست. یک عامل مهم در تلرانس، انقباض پلاستیک است. انقباض عبارتست از اختلاف ابعادی قطعه در دمای اتاق 12 تا 24 ساعت پس لز تولید.
مقدار انقباض – در ارتباط با فاکتورهای مختلف
عوامل مختلفی بر انقباض موثرند. از آنجا که آرایش یافتگی یکی از عوامل مهم است مقدار انقباض در جهت عمود بر آن تفاوت دارد.
انقباض کلی حاصل دو انقباض سریع و پس انقباض است.
عوامل موثر بر انثباض منشاء متفاوت دارد. یکی از آنها عوامل فرایندی است مانند دمای ذوب – دمای قالب (سریع سرد شدن)، فشار تزریق و سیکل تزریق و دیگر ضخامت و ماهیت ماده و افزودنیها، بطور مثال افزودن فیلرها باعث کاهش انقباض به مقدار توجهی گردد که هر چه درصد فیلر بیشتر باشد میزان انقباض کمتر است.
