بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي اثر ذرات نانوسیلیکا بر خواص مکانیکی پراکنه آبي پلي بورتان با تکنیک نانوایندنتیشن
چکیده : علیرغم وجود تفاوتهای بسیار در سیستمهای پلیمری حاوی نانو ذرات، در تمام آنها یک اینترفاز بین ماتریس و ذرات فیلر ایجاد میشود. این لایه اینترفاز میتواند از طریق ایجاد گره خوردگی با سایر زنجیرها تا فاصله بزرگی از زنجیرهایی که مستقیما روی سطح ذرات نیز تغییر میکند. مهمترین دلیل تغییر خواص اینترفاز آنست که رفتار پلیمر در سطح مشترک ذره نانو و ماتریس میتواند بسیار متفاوت با رفتار توده پلمیر باشد. نانوایندنتیشن در ارزیابی ویژگیهای سطح مشترک ذره و رزین، ابزاری کارآمد است زیرا تغییرات محلی که در ابعاد نانو در روکش رخ میدهد را اندازه گیری نماید.در این پژوهش اثر نانو ذرات سیلیکا بر روی خواص مکانیکی یک روکش پایه آبی بورتانی به کمک تکنیک نانو ایندنتیشن ارزیابی شده است
مقدمه
ارزیابی خواص مکانیکی ماده در لایه های نزدیک به سطح همواره مورد علاقه بوده است، زیرا باور بر اینست که اساسا خواص این لایه ها پاسخ ماده در تماس با سایر سطوح را تعیین میکند. بنابراین به دست آوردن اطلاعات درباره الايه هاي نزدیک به سطح میتواند به بهبود در انتخاب مواد و طراحي براي كاربردهاي عملي کمک کند [۱] یکی از نخستین کارهایی که در این زمینه انجام شده است، آزمایشات Tabor است. او سعي کرد تا با استفاده از ایندنتیشن با ایندنتورهاي کروي سخت، خواص مکانیکي سطحي تعدادي از فلزات را اندازه گیری و مقایسه کند. در این آزمایش ابتدا یک بار مکانیکی با یک ایندنتور بر روي سطح نمونه اعمال (loading) و سپس بار از روي آن برداشته میشد (unloading). هدف اولیه این آزمایش، مقایسه میزان مقاومت ماده در برابر ضربه یا نفوذ شي خارجي است. يکي از مشاهدات مهم او این بود که اثر به جا مانده از ایندنتور پس از برداشتن بار از روي نمونه کاهش ابعاد و بازيابي الاستیک نشان میداد. آزمایشهاي او همچنین ثابت کرد که اثر به جا مانده از ایندنتورهاي کروي، همچنان همان فرم را حفظ میکند و فقط اندكي به شعاع انحنا کره اضافه میشود و برای ایندنتورهاي مخروطي نیز اثر به جا مانده داراي شكلي مشابه ایندنتور با زاویه رأس بزرگتر است. اهمیت کار Tabor در آن بود که از آنجا که حل معادلات تماس الاستیک برای این دو هندسه موجود بود، اندازه گیري شکل و تغییرات ایجاد شده در اثر به جا مانده پس از برداشتن بار، امکان مقایسه اثر پلاستیسیته در رفتار نمونه ها را فراهم میکرد [۲] Tabor نشان داد که اگر منحني نيروجابجايي براي بخش unloading رسم شود، شكل كلي منحني و نیز میزان جابجايي بازيابي شده را میتوان با دقت بالايي به مدول الاستیک نمونه مربوط کرد. مهمترین مشاهدات Tabor را میتوان در این موارد خلاصه کرد: ۱. قطر اثر به جا مانده از ایندنتور در ایندنتورهاي مخروطي در زمان unloading کاهش پیدا نمیکند. به عبارت دیگر بازيابي لااقل در فلزات فقط در عمق اثر به جا مانده صورت میگیرد نه در سطح آن. ۲. ایندنتیشن بایستي چندین بار تکرار شود تا نتایج نیرو جابجایی کاملا برگشت پذیر باشند. چون میزان پلاستیسیته در چند آزمایش اول تغییرات قابل توجهي داشت. ۳. در معادلات موجود، فرض بر این بود که ایندنتور یک جسم صلب است. این فرض واقعیت نداشت و براي تصحیح آن لازم بود مدول کاهش یافته (Er) به ترتیب زیر تعریف شود تا بتوان از معادلات موجود استفاده کرد
که در آن E و v مدول یانگ و نسبت پواسن براي نمونه Ei و Vi نشان دهنده همان پارامترها براي ایندنتور هستند. اطلاعات حاصل از این نمودار به کمک معادله زیر، مدول کاهش يافته نمونه را به دست میداد:
که در آن S نشان دهنده مشتق نیرو نسبت به جابجايي در قسمت بالايي نمودار unloading ( شکل ۱) و ۰ نشان دهنده سطح تماس الاستیک است. پارامتري است که وابسته به هندسه ایندنتور است و بین ۱ و ۱۰۰۳۶ تغيير میکند. معادله ۲ براي ایندنتور مخروطي به دست آمده است اما ثابت شده که این معادله براي ایندنتورهاي كروي و سایر ایندنتورهایی شکل آنها از دوران یک تابع هموار حول محور قابل تطبیق باشد نیز قابل استفاده است [۲].
شکل ۱- نمودار نیرو جابجایی در یک آزمون ایندنتیشن [۲]
برای تعیین نقطه صفر در این نمودار stiffness کل دستگاه باردهي اندازه گیری میشود و زماني که افزایش ناگهاني در آن آغاز شد، به عنوان نقطه صفر در نظر گرفته میشود. در واقع، ایندنتور و نگهدارنده آن با کمک یک سیستم فنري در هوا معلقند. ایندنتور با کمک یک میدان الکترومغناطيسي به سمت سطح نمونه هدایت میشود و با زیاد شدن این نیروي الكترومغناطيسي تغيير شكل فنر هم بیشتر میشود. حرکت عمودی ایندنتور و نیروی اعمال شده در هر لحظه ثبت میشوند. پیش از آنکه ایندنتور به سطح نمونه برسد، نسبت نیرو به جابجايي، ثابت فنر ذاتي کل این مجموعه را نشان میدهد. وقتی ایندنتور به سطح نمونه میرسد، براي ايجاد همان جابجايي قبلي به نيروي بيشتري نياز است؛ بنابراین ثابت ظاهري فنر از مقدار ذاتي آن بیشتر میشود. در اکثر دستگاهها، نقطه صفر نمودار -loading unloading نقطه اي در نظر گرفته میشود که در آن ثابت ظاهري فنر ۵۰ نیوتن بر متر از مقدار ذاتي آن بیشتر شود. اما در صورتي که سطح نمونه مانند یک نمونه پوشش گرمانرم پایه آبي نرم باشد، تغيير ثابت ظاهري فنر به این اندازه نیست. بنابراین لازم است تا پیش از آزمایش این مقدار ۵۰ N /m به مقدار کمتري در حدود ۱۰N / m کاهش یابد [۳]. همان طور که گفته شد، برازش تابع تواني بر روي منحني unloading يکي از مراحل مهم محاسبات در نانوایندنتيشن است. در محاسبات فرض شده که ماده در لحظات آغاز unloading کاملا الاستیک رفتار میکند. توجه به دو نکته ضروري است: ۱. با توجه به وجود خزش در مواد پليمري حتما باید بعد از مرحله loading، یک توقف زماني بدون تغییر نیرو داشته باشیم. این مرحله اصطلاحا holding نامیده میشود. اگر این مرحله حذف شود، در نمودار نیرو- جابجايي ماده پلیمری حالت دماغه مانند ایجاد میشود که در برازش روي منحني unloading و در نتیجه محاسبات بعدي، خطاي زيادي ايجاد میکند ( شکل ۲)
شکل ۲- اثر بخش holding بر روي شکل نمودار نیرو- جابجايي الف) بدون holding .ب) با holding
٢. با توجه به فرض الاستیک بودن تماس در آغاز unloading، در محاسبات نانوایندنتیشن پارامتري به نام Hc به صورت زیر تعریف میشود:
P نیرو و hmaxهم بیشترین عمق نفوذ را نشان میدهد. در حقیقت، hc محل تلاقي خط مماس بر منحني unloading در لحظات اولیه آن است که اثرات تغییر فرم الاستیک را نشان میدهد.
شکل ۳- نماي جانبي ایندنتیشن و نمودارهاي unloading , loading
بر همین اساس نسبت بازيابي الاستیک آني به صورت زیر تخمین زده میشود
به همین ترتیب بازيابي ويسکوالاستیک بعدي به دنبال این بازيابي الاستیک آني با رابطه 5 ارزيابي میگردد [۱] :
که در آن Hf نشان دهنده تغییر شکل باقیمانده در ماده است. براي اندازه گيري تغيير شكل پلاستیک دو معادله پیشنهاد شده است. معادله اول با دیدگاهي مشابه معادلات 4 , 5 تغییر شکل پلاستیک را با نسبت زیر محاسبه مینماید:
در حالیکه معادله دوم از نسبت کار انجام شده برای هر یک از این پدیده ها در حین ایندنتیشن استفاده میکند. سطح زیر نمودار unloading به كار الاستیک بازيابي شده نسبت داده میشود (A2) و سطح محصور بين دو منحني loading و unloading به کار پلاستیک انجام شده (A1) ( شكل 4 )
شکل 4- نحوه محاسبه کار پلاستیک و کار الاستیک بازيابي شده [۱]
اندیس پلاستيسيته به صورت زیر تعریف میشود:
براي تغيير شکل کاملا پلاستیک، برابر با ۱، براي تغيير شكل كامل الاستیک برابر 0 و برای سطوح ویسکوالاستیک-پلاستیک عددي بين . و۱ خواهد بود [۱]. هدف از انجام این پژوهش بررسي اثر استفاده از نانوذرات سیلیکا بر خواص مکانيکي يک پراکنه پلي يورتان در آب به کمک تکنیک نانوايندنتیشن است.
تجربیات
مواد اولیه
رزین مورد استفاده برای تهیه نمونه ها در این پژوهش، پراکنه پايه آبي پلي يورتان 615 ALBERDINGK U است. مشخصات ارائه شده برای این ماده در برگه مشخصات فني در جدول ۱ آمده است. رزین به همان شکل تهیه شده، مورد استفاده قرار گرفت.
ذرات نانو مورد استفاده ذرات سیلیکاي ۲۰۰ AEROSIL شرکت Degussa با اندازه ذرة ۱۲ نانومتر است.
تجهیزات جهت تعیین خواص نهايي روکش تجهیزات زیر مورد استفاده قرار گرفت دستگاه هموژنایزر اولتراسونیک 400Hielscher Co UP )، دستگاه Hysitron TriboScope و با استفاده از نوک Cube corner براي آزمون نانوایندنتیشن
آماده سازی نمونه ها
پس از اضافه کردن افزودني نانو به پراکنه پلي یورتان، نمونه ها دو بار و هر بار به مدت ۳۰ دقیقه با میکسر با دور ۰۰ہ دور در دقيقه مخلوط شدند. پس از آن نمونه ها در سه نوبت ۲ دقیقه اي زير دستگاه هموژنایزر اولتراسونیک قرار داده شد. نمونه هاي به نحوي تهيه شدند که جزء وزني نانوذرات در فیلم خشک نهایي او ۲ درصد وزني باشد. نمونه ها به کمک فیلم کیش با ضخامت تر ۱۲۰ میکرون اعمال شدند تا فيلمي با ضخامت خشک ۶۰-۵۰ میکرون به دست آید. پس از اعمال نمونه ها ۳۰ روز زمان داده شد تا از کامل شدن تشکیل فیلم اطمینان حاصل شود. نمونه هاي داراي ۲۰۰ AEROSIL را از این پس با نام A۲۰۰ در متن نوشته مي آوریم. پس از نام هر نمونه جزء وزني نانوذره در فیلم نهايي پس از خشک شدن آمده است؛ مثلا منظور از A۲۰۰ - ۱ نمونه دارای یک درصد وزني ذره نانوسیلیکا در فیلم نهايي است. نمونه بدون نانوذرات با نام PUD در نمودارها و جداول نشان داده شده است.
