رفتار کششی پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) شامل اثرات تکنیک پردازش، ضخامت، دما و نرخ کرنش
هدف از این مقاله بررسی رفتار کششی یکنواخت پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) در اشکال بکر، دوبار آسیاب شده و چند لایه است. HDPE رایج ترین پلیمر مورد استفاده در بسیاری از صنایع است. انواع آزمایشات کششی با استفاده از نمونه های صفحه ای ساخته شده از پلاک های مستطیلی انجام شد. عوامل متعددی مانند ضخامت، تکنیک پردازش، دما و نرخ کرنش می توانند رفتار کششی را تحت تأثیر قرار دهند. دماهای آزمایش در 40، 23 (دمای محیط)، 53 و 82 درجه سلسیوس برای بررسی دما انتخاب شدند. خواص کششی من جمله مدول الاستیک، استحکام تسلیم و مقاومت کششی نهایی در تمام شرایط حاصل شد. این خواص بطور قابل توجهی با افزایش دما کاهش می یابد، در حالی که مدول الاستیک و استحکام کششی نهایی بصورت خطی در نرخ های کرنش بالاتر افزایش می یابد. قابل توجهی از خواص ضخامت کششی برای نمونه های قالب گیری تزریقی در دمای 23 درجه سلسیوس مشاهده شد اما اثر ضخامت برای نمونه های قالب گیری فشرده در دمای 23 یا 82 درجه سلسیوس مشاهده شد. در این مقاله به بررسی اثرات فوق الذکر و تأثیر آنها بر خواص کششی پرداخته شده است. روابط چند جمله ای برای خواص کششی من جمله مدول الاستیک، استحکام تسلیم و استحکام کششی نهایی بعنوان تابعی از دما و نرخ کرنش ایجاد شدند. چنین روابطی را میتوان برای تخمین خواص کششی HDPE در دما یا نرخ کرنش برای طراحی قطعات ساخته شده از این ماده استفاده کرد.
استفاده از مواد پلیمری و کامپوزیت های آنها به سرعت در صنایع مختلف من جمله صنایع خودروسازی به دلیل مزایایی همچون وزن سبک و مقاومت سایشی، در مقایسه با فلزات رو به افزایش است. پلی اتیلن پرکاربردترین پلیمر جهان از لحاظ حجم است. در مقایسه با سایر پلیمرها، پلی اتیلن از خواص مهمی همچون چقرمگی، مقاومت سایشی، مقاومت در برابر ضربه، جذب آب کم (نزدیک به صفر)، هزینه کم و قابلیت بازیافت برخوردار است. باتوجه به چگالی مولکولی و تبلور ساختار پلی اتیلن، سه گرید اصلی از پلی اتیلن وجود دارد: پلی اتیلن با چگالی کم (LDPE)، چگالی متوسط (MDPE) و چگالی بالا (HDPE). HDPE از خواصی مانند چقرمگی، استحکام و رفتار کرنشی خوب برخوردار است. تقاضای جهانی برای رزین های HDPE رو به افزایش است و از 11.9 میلیون تن در سال به 43.9 میلیون تن در سال 2017 با رشد سالانه 3.3 درصد رسیده است. ساختار مولکولی و جنبه های ریزساختاری مانند درجه تبلور، اندازه کریستال، ضخامت کریستال و جهت گیری کریستال ممکن است خواص فیزیکی و مکانیکی پلی اتیلن را تحت تأثیر قرار دهد؛ یک پلیمر با تبلور سریع در دماهای بالا است که در آن تبلور گرما فعال می شود. میزان تبلور نیز خواص مکانیکی پلیمرهای نیمه کریستال مانند HDPE را تحت تأثیر قرار می دهد. خواص مکانیکی و تغییرات مورفولوژیکی در HDPE نیز بطور قابل توجهی به جهت تغییر شکل ها باتوجه به آرایش مولکولی و کریستالی بستگی دارد. تنش تسلیم و ضخامت لاملا متناسب با تبلور است و با شاخص تبلور بصورت خطی افزایش می یابد. براساس مشاهدات آزمایشی، در حالی که بیشترین استحکام کششی به سطح تبلور بستگی دارد؛ کاملآ مستقل از وزن مولکولی است. با این حال، کاراسف و همکارانش به این نتیجه رسیدند که استحکام کششی به توزیع وزن مولکولی در دماهای بالا (80-100 درجه سلسیوس) بستگی دارد. از طرفی، نقطه تسلیم زیر 100 درجه سلسیوس به ساختار جساس نبوده و به عواملی همچون استحکام پیوندهای واندر والس بستگی دارد؛ نه جزئیات مورفولوژیکی. وزن مولکولی بالا به دلیل قابلیت کم لغزش مولکول ها بر روی یکدیگر باعث استحکام بالاتر می شود.
علاوه براین، افزایش وزن مولکولی نیز باعث کاهش تبلور می شود. تبلور و استحکام باند ثانویه میزان سفتی ترموپلاستیک را کنترل می کنند، در حالی که پیوند درون زنجیره ای، بین زنجیره ای، ثانویه و کریستالی استحکام ترموپلاستیک ها را تحت تأثیر قرار می دهند. همانطور که قبلآ گفته شد، درجه تبلور نقش مهمی در خواص مکانیکی HDPE نسبت به وزن مولکولی ایفا می کند. همچنین، شرایط پردازش می تواند پارامترهای ریزساختار و در نتیجه، خواص مکانیکی را تحت تأثیر قرار دهد. HDPE را میتوان بعنوان مواد بکر یا دوبار آسیاب شده (بازیافت شده) تولید کرد. HDPE دوبار آسیاب شده همان مواد پسماند خط تولید است که مجددآ در خط تولید برای کاهش پسماند مواد استفاده می شود. مواد این نوع HDPE بیش از یک تاریخچه ترمودینامیکی را در مقایسه با مواد بکر تجربه می کنند. خواص فیزیکی و مکانیکی مواد اولیه اغلب به دلیل متغیرهای بسیار منتشر نمی شوند. پلی اتیلن قابلیت نفوذ به مایعات، گاز و بخارات شیمیایی را دارد که در برخی از کاربردها مانند بسته بندی، ظروف نگهداری مواد شیمیایی و مخازن سوخت خودرو مورد نظر نیست. بنابراین، یک لایه مانع معمولآ در یک ساختار چند لایه کواکسترود شده به منظور کاهش نفوذپذیری پلی اتیلن قرار می گیرد. برای مثال، در مخازن سوخت خودروهای ساخته شده از ساختار HDPE چندلایه، یک لایه مانع بین 2-5 درصد از ضخامت کل برای کاهش نفوذپذیری بنزین استفاده می شود. متداول ترین روشهای پردازش برای تولید HDPE عبارتند از: اکستروژن، قالب گیری تزریقی، قالب گیری دمشی و قالب گیری فشاری. تکنیک های تولید ممکن است پاسخ مکانیکی HDPE همچون مدول الاستیک یا استحکام کششی را تحت تأثیر قرار دهند که می تواند ناشی از مورفولوژی ها و ساختارهای مولکولی مختلف در محصول نهایی باشد. در اینجا مشخص شده است که بهینه سازی پارامترهای تولید در قالب گیری تزریقی منجر به بهبود قابل ملاحظۀ خواص کششی می شود. همچنین نشان داده شده است که خواص کششی بطور قابل توجهی به جهت گیری ساختار مولکولی بستگی دارد که از مورفولوژی های متفاوت ایجاد شده در حین فرایند تغییر شکل پلیمری منشأ می گیرد. خواص کششی ناهمسانگردی ازطریق آزمایشات کششی در 0، 45 و 90 درجه نسبت به جهت اکستروژن در دو گرید پلی اتیلن (HDPE و UHMWPE) در اینجا مورد بررسی قرار گرفت که تفاوت محسوسی در خواص کششی بین نمونه ها مشاهده نشد؛ در نتیجه، ماده پلی اتیلن اکسترود شده از لحاظ رفتار کششی همسانگرد است. با این حال، گرومز و همکاران اثر ناهمسانگردی قابل توجهی را در مدول الاستیک برای HDPE قالب گیری شده بین جهت اکستروژن و جهت دمشی برای HDPE قالب گیری شده دمشی گزارش کردند. آدیگو و همکارانش اثر تکنیک ساخت بر خواص کششی HDPE را مورد مطالعه قرار دادند. نمونه های کششی از صفحات اکسترود شده (ضخامت 7 میلی متر)، قالب گیری تزریقی (4 میلی متر) و قالب گیری فشاری (ضخامت 6 میلی متر) برش داده شدند. آزمایشات کششی در دمای 40 درجه سلسیوس با نرخ کرنش واقعی ثابت 10⁻³ s⁻¹×5 انجام شد. خواص ریزساختاری نیز برای اندازه گیری و مقایسه تبلور و وزن مولکولی نمونه ها با تکنیک های مختلف سخت انجام شد؛ در نتیجه، در نهایت با افزایش تبلور، استحکام کششی خطی افزایش می یابد. در نرخ کرنش بالا، زنجیره های مولکولی قادر به هماهنگی و تغییر شکل به همان سرعتی که بار اعمال می شود، نیستند. ازطرفی، مدول الاستیک و استحکام کششی نهایی در نرخ های کرنش بالاتر افزایش می یابد.
این مطالعه به منظور بررسی تأثیر عوامل مختلف بر رفتار کششی HDPE من جمله تکنیک پردازش، ضخامت، دما و کرنش طراحی شده است. براساس نتایج تجربی حاصل از بررسی مواد HDPE به شرح زیر است:
-هیچ اثر ناهمسانگردی بر خواص کششی؛ نه در قالب گیری فشاری و نه در قالب گیری تزریقی HDPE مشاهده نشد.
- تکنیک پردازش و ضخامت خواص کششی HDPE را تحت تأثیر قرار می دهند. هیچ اثر ضخامتی روی خواص کششی HDPE با فرایند قالب گیری فشاری مشاهده نشد، در حالی که با افزایش ضخامت از 2 به 4 میلی متر در قالب گیری تزریقی، مدول الاستیک 23 درصد افزایش و در استحکام کششی نهایی 21 درصد کاهش یافته است.
- بهبود جزئی در مدول الاستیک در استحکام کششی نهایی برای HDPE پس از آسیاب مجدد مشاهده شد. با این حال، صرف نظر از تکنیک پردازش HDPE بکر، دوبار آسیاب شده و چندلایه، تفاوت قابل توجهی برای این سه گرید HDPE با ضخامت 4 میلی متر از لحاظ خواص کششی مشاهده نشد.
- توابع چند جمله ای را میتوان در تمام داده های تجربی برای تخمین خواص کششی HDPE بعنوان تابعی از دما و نرخ کرنش اعمال کرد.
