رفتار مکانیکی-حرارتی مواد پلاستیکی (بخش دوم)

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک و قطعات پلاستیکی، به بخش دوم بررسی رفتار مکانیکی-حرارتی مواد پلاستیکی پرداخته می شود.

شکل 1 منحنی های مدول-دما برای پلیمرهای آمورف و نیمه کریستالی

رفتار مدول-دمای یک پلیمر نیمه کریستالی مانند نایلون، استال یا پلی پروپیلن، بسیار متفاوت از رفتار یک پلیمر آمورف مانند پلی استایرن است (شکل 1 را ببینید).

برخلاف پلیمرهای آمورف، پلیمرهای نیمه کریستالی دارای دمای ذوب واقعی، Tm، (یا محدوده دمای مذاب) هستند که با تغییر فاز از کریستال جامد به مذاب آمورف مرتبط است. در اینجا باید توجه داشت که پلیمرهای نیمه کریستالی فقط تا حدی کریستالی هستند و هر دو ناحیه آمورف و کریستالی را نشان می دهند.

نواحی کریستالی پلیمر تا دمای ذوب نسبتاً صلب باقی می‌مانند، در حالی که نواحی آمورف پلیمر تا Tg صلب باقی می‌مانند. بسیاری از پلیمرهای کریستالی دارای مقادیر Tg هستند که کمتر از دمای اتاق است و دمای مذاب بسیار بالاتر از دمای اتاق است.

به عنوان مثال پلی اتیلن با چگالی بالا دارای Tg کمتر از منفی 60 درجه سانتیگراد و Tm  137  درجه سانتیگراد است. این ماده در دماهای بالاتر از این مقدار Tg بسیار پایین، چقرمه باقی می‌ماند و به پلی اتیلن خواص ضربه‌ای بسیار خوب در دمای پایین، اما مقاومت خزشی بسیار ضعیف در دماهای بالاتر از Tg را می‌دهد. پلیمرهای نیمه کریستالی که درجات بالایی از تبلور را از خود نشان می دهند در دماهای نزدیک به Tm نسبتاً سفت و سخت باقی می مانند و به همین ترتیب در محدوده دمایی نسبتاً بزرگ مفید می مانند. افزودن پرکننده‌ها یا تقویت‌کننده‌ها به یک پلیمر مدول ماده را در دمای معین افزایش می‌دهد، اما مقدار دمای مربوط به انتقال حرارتی (مانند Tg یا Tm) را تغییر نمی‌دهد.

از بسیاری جهات اثرات دما بر عملکرد مکانیکی یک ماده پلاستیکی مشابه زمان است. از نظر کیفی، زمان‌های کوتاه (یا نرخ کرنش بالا) با دمای پایین مطابقت دارد، در حالی که زمان‌های طولانی‌تر (نرخ کرنش پایین) با دمای بالاتر مطابقت دارد.

منحنی تنش-کرنش کوتاه مدت نشان داده شده در شکل 2 (تولید شده در دماهای مختلف) مشابه منحنی تنش-کرنش نشان داده شده در قبل است که در نرخ های کرنش متفاوت ایجاد شده است. در دماهای پایین تر یا نرخ کرنش بالاتر، پلیمر سفت تر و شکننده تر به نظر می رسد، در حالی که در نرخ کرنش کمتر یا دماهای بالاتر، پلیمر به نظر انعطاف پذیرتر می رسد. این رابطه زمان و دما را می توان به صورت کمی برای تخمین رفتار طولانی مدت (رفتار خزش یا آرامش تنش) پلیمرهای آمورف خطی با آزمایش (آزمایش خزش یا آرامش تنش) در دماهای بالا برای دوره های زمانی نسبتاً کوتاه استفاده کرد، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 2 رفتار تنش-کرنش کوتاه مدت در دماهای مختلف. در دماهای بالاتر، پلیمرها نرم تر و انعطاف پذیرتر می شوند

مفهومی که به عنوان اصل برهم نهی دما-زمان شناخته می شود برای تخمین رفتار مکانیکی بلندمدت با آزمایش در یک دوره زمانی نسبتاً کوتاه (معمولاً ساعت) در دماهای مختلف استفاده می شود. در شکل 3، داده های تولید شده در دمای 25 درجه سانتی گراد به عنوان داده های مرجع و دما استفاده می شود. داده های تولید شده در دمای بالاتر (یا گاهی اوقات پایین تر) در امتداد محور زمان جابجا می شوند تا مدول اصلی در مقابل منحنی زمان در 25 درجه سانتی گراد ایجاد شود. این تکنیک می تواند تخمینی از رفتار بلند مدت پلیمرهای آمورف خطی ارائه دهد. با این حال، داده های واقعی خزش طولانی مدت یا آرامش استرس مطمئنا قابل اعتمادتر هستند.

شکل 3 رفتار مکانیکی بلندمدت پلیمرهای آمورف خطی را می توان از داده های آزمون خواص مکانیکی دمای بالا و کوتاه مدت با استفاده از تکنیک هایی مانند برهم نهی دما-زمان تخمین زد.

در نظر گرفتن رفتار مکانیکی-جرارتی مواد پلاستیکی در طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک بسیار مهم می باشد. این موضوع بر طراحی قطعات پلاستیکی نیز تاثیر مهمی دارد.