بررسی رفتار پلی یورتان ترموپلاستیک

تاثیر پیری حرارتی بر رفتار کششی و خزشی پلی یورتان ترموپلاستیک

در اینجا، تغییرات ایجاد شده در خواص مکانیکی و فیزیکی پلی یورتان ترموپلاستیک (TPU) در حین پیری در دماهای 70 و 90 درجه سانتیگراد مورد بررسی قرار گرفت. پاسخ کاهش وزن با اندازه گیری های گراویمتری در این دماها نیز تجزیه و تحلیل شد. تغییرات ظاهری و مورفولوژی TPU پس از پیری حرارتی توسط میکروسکوپ نوری مشخص شد. طولانی شدن زمان مواجهه با حرارت تا 270 روز منجر به افزایش تدریجی استحکام کششی می شود. در واقع، مدول الاستیک و تنش در کرنش 200 درصدی براساس مدت زمان مواجه با حرارت افزایش یافت. این نتایج را می توان با افزایش پایداری حرارتی ناشی از سفتی مواد و کاهش تحرک زنجیره تفسیر کرد. به نظر می رسد تکامل خواص مکانیکی در آزمایشات کششی به خوبی با رفتار خزشی مرتبط است. در نهایت، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) تغییر سطح شکست مورفولوژی TPU را پس از پیری حرارتی نشان داد.

الاستومرهای ترموپلاستیک (TPEs) بعنوان یک ماده ضد لرزش کاربرد گسترده ای در حوزه ماشین آلات، حمل و نقل و حتی ساخت و ساز دارند. همچنین به دلیل داشتن خواص مکانیکی مطلوب و قابلیت بازیافت جایگزین لاستیک های ولکانیزه شده اند. یکی از مزایای این پلیمرها این است که می توان آنها را با فرایندهای ترموپلاستیک معمولی مانند اکستروژن و قالب گیری تزریقی پردازش کرد. خواص TPE ها من جمله نرمی، انعطاف پذیری، کشش پذیری و پایداری مشابه لاستیک ولکانیزه است. پلی یورتان ترموپلاستیک یکی از مفیدترین کلاس های تجاری این پلیمرها است که هم در صنعت و هم در زندگی روزمره کاربرد فراوانی دارد. حتی می توان از آن در کاربردهای تجاری متعددی همچون ساخت کفپوش ها، فوم ها، چسب ها، درزگیرها، چرم مصنوعی و یا در بسیاری از حوزه های زیست پزشکی استفاده کرد. این مواد در معرض (1) تنش های محیطی مانند دماهای بالا یا پایین، اشعه ماوراء بنفش، جو شور، رطوبت/آب، حضور میکروارگانیسم ها و (2) تنش های مکانیکی طولانی مدت قرار می گیرند. مکانیسم های مختلفی ممکن است به طور همزمان با توجه به شدت شرایط مواجهه رخ دهد و منجر به کاهش دوام پلیمر شود: (1) پیری فیزیکی که باعث تخریب مکانیکی می شود من جمله تورم پلاستیک و آزاد شدن تنش های داخلی و (2) پیری شیمیایی که باعث ایجاد تجزیه شیمیایی برگشت ناپذیر همچون هیدرولیز می شود. با این حال، بررسی پایداری نهایی پلی یورتان ها پس از مواجهه حرارتی، اکسیداتیو، فتوشیمیایی و همچنین روش های ارزیابی صحیح مواد از اهمیت بالایی برخوردار است. استفاده از آنها در شرایط مختلف مانند عناصر تهاجمی (دمای بالاتر) می تواند به شدت دوام آنها را تحت تاثیر قرار دهد. چندین مطالعه به پیری حرارتی تسریع شده در دماهای بالاتر دست یافتند اما این یافته ها توسط بسیاری از نویسندگان مورد انتقاد قرار گرفت. بعدها نشان داده شد که در صورتی که دمای پیری نزدیک یا حتی بالاتر از دمای گذار (Tg) باشد، تغییر خطی مکانیسم با دما رخ نمی دهد. پترسون جونز گزارش داد هر مکانیسمی به دست آمده در دمای معین می تواند در دمای دیگری نیز بسیار تاثیرگذار باشد. این امر می تواند به پیچیدگی مکانیسم های تخریب حرارتی منجر شود. اندازه گیری های گرانشی می توانند داده هایی را برای تفسیر تغییرات خاصی در رفتار این ماده ارائه دهند. همچنین برای بیان تکامل خواص مکانیکی، معمولا از آزمایشات کششی استفاده می شود.

به طور کلی، افزایش خواص توده ای (استحکام کششی و مدول الاستیک) و کاهش ازدیاد طول در حین شکست مشاهده می شود. در این مقاله، تاثیر پیری حرارتی بر رفتار برخی از مواد پلیمری (پلی اتیلن، پلی پروپیلن و غیره) به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفتند. این مقاله تفسیر مفصلی از تاثیر پیری حرارتی بر خواص مکانیکی TPU ارائه نداده است. هدف اصلی از این مطالعه ارزیابی پایداری TPU در پیری حرارتی تسریع شده است. به همین منظور، در دو دمای مختلف (70 و 90 درجه سانتیگراد) به بررسی کاربرد آن بعنوان یک ماده مقاوم در برابر حرارت پرداخته شد. این امر می تواند به ما ایده ای از محدوده دمایی نشان دهد که از می توان برای اهداف عملی استفاده کرد. نتایج حاصل از این مطالعه با کمک ارزیابی های گراویمتری به اثبات رسیدند. به منظور بررسی اثرات پیری حرارتی بر خواص مکانیکی TPU، آزمایشات کششی و خزشی انجام شد. همچنین مطالعات SEM برای بررسی رفتار شکست نمونه های TPU حفظ شد.

تغییر رنگ نمونه

از تصاویر میکروسکوپ نوری برای تعیین اینکه آیا مدت زمان نوردهی تاثیری بر ظاهر ماده آزمایش شده دارد یا خیر، استفاده شد. در شکل زیر تنوع رنگ در دمای نمونه های پیر و پیر نشده نشان داده شده است.

شکل 1:

همان طور که مشاهده می شود، تغییر رنگ نمونه ها در حین فرایند پیری از بی رنگ و زرد شروع شده است. در واقع، چگالی رنگ نمونه های آزمایش شده به تدریج با افزایش دما افزایش می یابد. این تغییر رنگ را می توان به واکنش های اکسیداسیون نسبت داد که منجر به تشکیل یک لایه اکسید شده روی سطح پلیمر می شود. این مشاهدات با مشاهدات موجود در مقالات مطابقت خوبی دارد. فلاندرین و همکارانش در فرایند پیری حرارتی پلی یورتان مشاهده کردند که نمونه ها به تدریج تغییر رنگ داده و از زرد کم رنگ به قهوه ای تیره تبدیل شدند. این امر به طور کلی، هنگام استفاده از ایزوسیانات های آروماتیک رخ می دهد. بنابراین، زرد شدن پلیمرهای یورتان در مواجهه با اشعه ماوراء بنفش به دلیل اکسیداسیون گروه های NH2 آزاد است که توسط فتولیز گروه های یورتان به وجود آمده اند.

ارزیابی های گراویمتری

درشکل زیر پاسخ اندازه گیری های گراویمتری همراه با درصد کاهش جرم در برابر مدت زمان پیری ارائه شده است.

شکل 2:

همان طور که مشاهده می شود، هر دو نمونه TPU پیر شده با دمای 70 و 90 درجه سانتیگراد شباهت دارند. با این حال، از دست دادن جرم TPU پیر شده در دمای 90 درجه بیشتر از دمای 70 درجه است. در واقع، ما می توانیم به وضوح دو دامنه را تشخیص دهیم:

دامنه اول: در پیری کوتاه مدت، منحنی ها یک رابطه خطی بین نرخ کاهش جرم و مدت پیری را نشان می دهند. برای پیری حرارتی در دمای 90 درجه، کاهش جرم پس از 284 ساعت به 0.25 درصد می رسد. این رفتار مربوط به دفع آب باقیمانده در ماده است. با در نظر گرفتن وفع اولیه قبل از پیری (خشک کردن 48 ساعته در دمای 70 درجه سانتیگراد)، مقدار آب تقریبا 0.71 درصد است. خطی بودن مدت زمان در کل، به یک پدیده انتشار مرتبط است.

دامنه دوم: در پیری طولانی، یک انحراف نسبتآ مرتبط با کاهش جرم است. این تغییر آغاز مواد فرّار (روان کننده یا محصولاتی که می توانند به دلیل فرایند تجزیه حرارتی، از اکسید شدن ناشی شوند) را نشان می دهد. با توجه به شکل 2، ما تفاوت قابل ملاحظه ای در کاهش جرم بین نمونه های پیر شده در دمای 70 و 90 درجه سانتیگراد را مشاهده کردیم. در واقع، پس از 2000 ساعت پیری، کاهش جرم به ترتیب در دمای 70 و 90 درجه حدود 0.15 و 0.3 درصد است. ماریس و همکارانش معتقدند تفسیر این رفتار از طریق سه فرایند امکان پذیر است: از بین رفتن مواد فرّار (مولکول های آب)، اکسید شدن در سطح که با تغییر رنگ نمونه ها همراه است و کاهش مولکولی به دلیل بریدگی زنجیره ای.

نتیجه گیری

در این مقاله، آزمایشات پیری حرارتی به منظور تعیین اثرات آن بر خواص مکانیکی TPU انجام شد. یافته های زیر از این مطالعه تجربی به دست آمد:

- تغییرات در ظاهر TPU مشاهده شد.

- کاهش جرم TPU به دلیل پیری حرارتی با اندازه گیری های گراویمتری آنالیز شد.

- بهبود سفتی TPU با کمک آزمایشات کششی و خزشی انجام شد.

- و تصاویر SEM نشان دادند که پیری حرارتی به نظر می رسد سطح شکست حالت TPU را از حالت شکل پذیری به حالت شکننده تغییر می دهد.