یکی از موارد پرکاربرد در صنایع لاستیک‌سازی و تولید محصولات ترموپلاست، پلیمرها هستند. به دلیل همین کاربرد گسترده آزمون سختی پلیمر در تولید و کیفیت کالاها بسیار تاثیر گذار است. آزمون سنجش سختی پلیمرها یکی از شیوه‌های سنجش سختی پلیمرها به حساب می‌آید. این آزمون، مقاومت سطح مقطع محصولات پلیمری را با فرو کردن جسمی نوک تیز بررسی می‌کند. در واقع میزان فرورفتگی جسم نیز در محصول پلیمری سنجیده می‌شود. عوامل متعددی در این آزمایش اثرگذارند و همچنین روش‌های مختلفی برای انجام آن وجود دارد. در ادامه این مطلب به جزئیات دقیق‌تری راجع به آزمون و عوامل موثر می‌پردازیم.
آزمون سختی پلیمر چیست؟
همانطور که اشاره کردیم آزمون سنجش سختی، یکی از اساسی‌ترین و رایج‌ترین آزمون‌هایی است که بر روی مواد پلیمری انجام می‌شود. منظور از سختی پلیمر، میزان مقاومت و استحکامی است که یک محصول پلیمری در برابر فشار ناشی از ضربات بیرونی نشان می‌دهد. این ضربات بیرونی توسط سوزن مخروطی یا کروی شکل ایجاد می‌شوند. به بیان دیگر، سختی پلیمر به مقاومت و استحکام محصول مورد نظر و تغییر شکل ندادن آن، در برابر نیرو‌های خارجی گفته می‌شود. در آزمون سختی پلیمر شیوه یکسانی وجود ندارد؛ به همین علت آزمون سنجش سختی دارای انواع مختلفی است، که در هر روش شرایط آزمایشگاهی استانداردی وجود دارد.
موارد موثر بر سختی پلیمرها
انواع آزمون سختی پلیمر وجود دارد که قبل از اشاره به آن‌ها بهتر است به عوامل موثر بر سختی پلیمرها اشاره کنیم. این عوامل با توجه به ویژگی‌های داخلی، فیزیکی و فرآیند تولید محصولات به چند دسته تقسیم می‌شوند. این عوامل عبارتند از :
نوع مخلوط
امروزه برای بهبود خاصیت پلیمرها از شیوه مخلوط کردن آن‌ها با هم و اضافه کردن مواد افزودنی دیگر استفاده می‌شود. به عنوان مثال در یک آزمایش سنجش سختی، پلی‌اتیلن سبک و سنگین را به‌صورت جدا از هم توسط آزمون سنجش سختی تست کردند؛ پس از آن در آزمایش دیگری ترکیب پلی‌اتیلن سبک و سنگین را به عنوان ماده‌ای جدید توسط آزمون سختی پلیمر، بررسی کردند. این دو آزمایش، دو نتیجه متفاوت را نیز در پی داشت. با توضیح این مثال متوجه شدیم که نتیجه به‌دست آمده از آزمون سنجش سختی، باتوجه به نوع مخلوط نتایج متفاوتی را در اختیار ما قرار می‌دهد.
ساختار شیمیایی داخلی
ساختار درونی پلیمرها، یکی از مهم‌ترین عوامل اثر گذار بر میزان سختی پلیمرها محسوب می‌شود. در واقع نوع پیوندهای بین مولکولی مونومرهای تشکیل دهنده پلیمر و همچنین تعداد زنجیره و شاخه‌هایی که بین این مولکول‌ها تشکیل می‌شود، بر میزان سختی پلیمر اثرگذار هستند. به همین علت هر نوع پلیمری که وجود دارد، میزان سختی متفاوتی دارد.
تاثیر مواد افزودنی بر سختی پلیمرها
مواد افزودنی از دیگر عوامل اثرگذار بر میزان سختی پلیمرها هستند. مواد افزودنی شامل ترکیبات شیمیایی یا آلی می‌شوند که برای بهبود برخی ویژگی‌ها و خاصیت‌ها به پلیمرها اضافه می‌شوند. این مواد افزودنی شامل پرکننده ها، نرم کنندهها، مرطوب کنندهها و تقویت کننده ها می‌شوند. در نهایت با ایجاد برخی تغییرات در خاصیت‌های فیزیکی و شیمیایی پلیمر، درجه سختی پلیمرها نیز دچار تغییراتی می‌شود. این فرآیندها موجب می‌شوند تا مواد افزودنی از دیگر عوامل موثر بر میزان سختی پلیمرها به حساب بیاید.
درجه بلورینگی
یکی دیگر از مهم‌ترین عوامل موثر بر درجه سختی پلیمرها، بلوری بودن آن‌ها است. ساختار کریستالی و بلوری پلیمرها، بیانگر منظم بودن ساختار مولکولی موجود در پلیمر است. با این حال تا به امروز هیچ پلیمری کشف نشده است که تمام ساختار آن از کریستال باشد. همیشه بخش‌هایی از پلیمرها به صورت آمورف هستند؛ به همین علت به جای واژه کریستالی از شبه کریستال یا نیمه بلوری برای پلیمرها استفاده می‌شود. در آزمون سختی پلیمر، بین سختی یک پلیمر و درصد کریستالی بودن آن ارتباط مستقیمی وجود دارد. در واقع هرچه پلیمر درجه بلورینگی بیشتری داشته باشد، درجه سختی بالاتری نیز خواهد داشت.
انواع آزمون سختی پلیمر
آزمون سختی پلیمر به شما این امکان را می‌دهد تا کیفیت پلیمر را به درستی تشخیص دهید و در صورتی که یک پلیمر میزان سختی مورد نظر شما را ندارد، برای جایگزینی آن اقدام کنید. همانطور که اشاره شد سختی یک پلیمر میزان مقاومت یک محصول را در برابر فشار و ضربات جسم خارجی نشان می‌دهد. با ایجاد فشار بیرونی، ساختار پلیمر دچار تغییراتی می‌شود و پس از گذشت زمان به حالت اولیه خود برمی‌گردد.
با این‌حال اگر میزان سختی پلیمرها به میزان لازم نباشد، ممکن است محصول در اثر فشار حداکثری دچار آسیب شود. برای بررسی این خواص مکانیکی در یک محصول پلیمری، آن را در شرایط خاص آزمایشگاهی مورد آزمون و بررسی قرار می‌دهند. روش‌های متعددی برای انجام این آزمون وجود دارد که در ادامه به هر یک از این روش‌ها می‌پردازیم. این روش‌ها عبارتند از:
آزمون سختی برینل
در آزمون سنجش سختی برینل، از یک جسم خارجی کروی شکل با قطری 10 میلی‌متری استفاده می‌شود که از جنس استیل یا کاربید است. این جسم کروی شکل، می‌تواند نیرویی برابر با 3000 کیلوگرم بر مصنوع قطعه پلیمری درحال آزمایش وارد کند. این میزان نیرو برای سنجش پلیمرهای نرم به 1000 تا 500 کیلوگرم کاهش پیدا می‌کند.
روند آزمون نیز به این صورت است که در مدت زمان 10 تا 30 ثانیه، نیروی موردنظر به جسم پلاستیکی وارد می‌شود. پس از آن عدد میزان سختی جسم بر حسب بار وارد شده بر قطعه، قطر کره و همچنین قطر دندانه ایجاد شده، با استفاده از فرمول برینل مشخص می‌شود.
آزمون سختی راکول
آزمون سنجش راکول برای سنجش انواع پلاستیک کاربرد دارد، که شامل پلیمرهای خشک، نرم و سخت می‌شود. در آزمون سنجش پلیمر راکول جسمی که ضربات خارجی را ایجاد می‌کند، شکل مخروطی دارد و از جنس استیل یا الماس خواهد بود. آزمون Rockwell به این صورت است که نیرویی به اندازه تعیین شده‌ای در مدت زمان 10 ثانیه بر سطح محصول پلیمری فشار ایجاد می‌کند. پس از ایجاد فشار، در مرحله دوم مجددا نیرویی با اندازه مشخص و در مدت زمان 15 ثانیه فشاری را اعمال بر جسم می‌کند.
در نهایت عدد سختی پلیمرها در آزمون سختی راکول با فرمول معینی بر حسب مقدار نیرو و اختلاف بین 2 زمان آزمون مشخص می‌شود. با این دستگاه طیف گسترده‌ای از پلیمرها، توسط آزمون سختی پلیمر سنجیده می‌شوند.
آزمون سختی شور (Shore Durometer)
آزمون تعیین میزان سختی شور یکی از رایج‌ترین روش‌های آزمون سنجش سختی است. در روش شور سختی قطعه پلاستیکی توسط اندازه‌گیری میزان نفوذ شی نوک تیز الماسی یا فولادی در قطعه مورد نظر، مشخص می‌شود. به عبارتی دیگر سختی مواد پلیمری توسط مقدار بازگشت چکشی تعیین می‌شود که شی نوک تیز را حمل می‌کند و این چکش از فاصله‌ای استاندارد به صورت عمودی بر سطح جسم پلاستیکی فرود می‌آید. به همین علت گاهی اوقات آزمون شور را با نام‌های آزمون سختی ارتجاعی،دینامیکی و الاستیکی نیز معرفی می‌شود.
دستگاه شور برای تعیین میزان سختی محصولات پلاستیکی بزرگی همچون غلتک‌ها و چرخ‌دنده‌های موجود در مراکز تولیدی بزرگ استفاده می‌شود. به طور کلی آزمون شور خود به دو نوع متفاوت تقسیم می‌شود. در آزمون شور A جسم نوک تیز در ابتدای چک به صورت یک مخروط ناقص است. در شور A زاویه فرو رفتن شی 35 درجه و قطر صفحه نیز 0.79 میلی‌متر خواهد بود. درحالی که در آزمون شور D شی نوک تیز به‌صورت یه مخروط با نوک کروی است. از آزمون شور D برای تعیین میزان سختی اجسام سخت و شکننده استفاده می‌شود.
کاربردهای نتایج آزمون سختی پلیمرها
میزان سختی پلیمرها از مهم‌ترین ویژگی‌های آن‌ها محسوب می‌شود که در تعیین کاربردهای آن‌ها نیز اثرگذار است. سختی یک پلاستیک می‌تواند بر اساس نوع و ساختار شیمیایی و عوامل خارجی همچون دما و فشار متفاوت باشد. در ادامه به برخی از کاربردهای نتیجه آزمون سختی پلیمر اشاره می‌کنیم. این کاربرد‌ها به طور خلاصه شامل موارد زیر می‌شوند:
- انتخاب مواد در صنایع و ساخت محصولات
- کیفیت و عملکرد محصولات
- طراحی و توسعه مواد جدید
- کنترل کیفیت تولید
- پیش‌بینی عمر مفید
برای سفارش انواع دستگاه اکسترودر از ماشین سازی متین و دریافت مشاوره با ما تماس بگیرید.
افزایش سختی پلیمر با افزودنی ها
پیش‌تر اشاره کردیم که برای افزایش میزان سختی میتوان از برخی مواد افزودنی استفاده کرد. در ادامه به معرفی دقیق‌تر این مواد افزودنی خواهیم پرداخت و راه‌های افزایش میزان سختی پلیمرها را بیان می‌کنیم.
پرکننده ها
پرکننده‌ها نوع دیگری از مواد افزودنی مناسب برای افزایش سختی هستند. این مواد در مواجهه با پلیمرها رفتارهای متفاوتی را از خودش نشان می‌دهند و خاصیت‌های مختلفی را نیز تحت تاثیر قرار می‌دهند. موادی همچون از جمله پرکننده‌هایی هستند که به بهبود خاصیت سختی پلیمرها کمک می‌کنند.
تقویت کننده ها
یکی از عوامل موثر بر میزان سختی پلیمر که موجب کاهش هزینه مواد اولیه آن نیز می‌شود، استفاده از تقویت‌کننده‌ها است. این نوع افزودنی‌ها به شکل پودر و الیاف معدنی موجود هستند و زمانی که با پلیمرها ترکیب می‌شوند خواص آن‌ها را ارتقاء می‌دهند؛ به عنوان مثال میتوان به الیاف شیشه اشاره کرد که در ترکیب با پلیمری مانند پلی‌آمید می‌تواند موجب افزایش استحکام آن شود.
روان کننده
روان‌کننده نیز افزودنی به شکل مایع است که موجب افزایش سختی پی‌وی‌سی می‌شود. افزودنی‌های روان‌کننده دمای حرارتی ماده را کاهش می‌دهند و مانع از تجزیه حرارتی آن می‌شوند، همچنین در انعطاف‌پذیری و دوام پلیمرها نقش بسزایی دارند.
جمع بندی
آزمون سختی پلیمر یکی از روش‌های مهم برای اندازه‌گیری مقاومت و استحکام پلیمرها است که در صنایع مختلف، از جمله صنایع لاستیک‌سازی و تولید محصولات ترموپلاست، بسیار کاربرد دارد. این آزمون به بررسی مقاومت سطح مقطع پلیمرها در برابر فشار ناشی از فشردگی جسمی نوک تیز می‌پردازد. عوامل متعددی بر سختی پلیمرها تأثیرگذارند، از جمله نوع مخلوط، ساختار شیمیایی داخلی، مواد افزودنی و درجه بلورینگی. روش‌های نیز مختلفی برای انجام این آزمون وجود دارد، از جمله این آزمون های سختی میتوان به برینل، راکول و شور اشاره کرد. هدف از این آزمون‌ها، ارزیابی و اندازه‌گیری میزان سختی پلیمرها است تا بتوان کیفیت و عملکرد محصولات پلیمری را بهبود بخشید و مواد مناسب را برای کاربردهای خاص انتخاب کرد.
منابع: epic-polymer ، shamsjavid
ماشین سازی متین
سوالات متداول
- آزمون سختی پلیمر چیست؟
آزمون سنجش سختی، روشی است برای اندازه‌گیری مقاومت و استحکام سطح مقطع پلیمرها در برابر فشار ناشی از فشردگی جسمی نوک تیز.
- عوامل موثر بر سختی پلیمرها چیستند؟
عواملی مانند نوع مخلوط، ساختار شیمیایی داخلی، مواد افزودنی، و درجه بلورینگی می‌توانند بر سختی پلیمرها تأثیرگذار باشند.
- روش‌های آزمون سختی پلیمر شامل چه مواردی می شوند؟
روش‌هایی از جمله آزمون سختی برینل، راکول و شور برای اندازه‌گیری سختی پلیمرها استفاده می‌شود که هدف آن‌ها ارزیابی میزان سختی پلیمرها به‌منظور بهبود کیفیت و عملکرد محصولات پلیمری است.
