لایه اینترفاز در پلی اتیلن

خواص میکرومکانیکی لایه اینترفاز در پلی اتیلن نیمه کریستالی

پلی اتیلن نیمه کریستالی از سه بخش تشکیل شده است: لاملاهای کریستالی، فاز آمورف سازگار و لایه موسوم به "اینترفاز" که آنها را از هم جدا می کند. از بین این سه بخش، اطلاعات کمتری از خواص مکانیکی لایه اینترفاز در دسترس است. این کمبود دانش عمدتا به دلیل ناپایداری مکانیکی و همچنین ضخامت نانومتریک آن است که مانع از هر گونه ارزیابی خواص می شود. در این مطالعه، از نتایج شبیه سازی مولکولی مونت کارلو برای نقطه بین لایه ای (یعنی اینترفاز و آمورف) استفاده می شود. خواص ارتجاعی آمورف در برخی مقالات تفسیر شده و از دو رویکرد همگن سازی میکرومکانیکی مجزا برای جدا کردن سفتی اینترفاز از اینترلاملا استفاده می شود. نتابج حاصل از دو رویکرد کاملا با هم مطابقت دارند، به طوری که متدولوژی تفکیک اعمال شده را تایید می کند. علاوه براین، یک تکنیک آماری ترکیبی برای یکی از رویکردهایی که روش بازگشتی در واگرایی عددی را مطرح می کند، پیشنهاد می شود. واضح است که سختی اینترفاز تفکیک شده فاقد خواص مشترک قطعیت مثبت است که به ماهیت آن بعنوان یک دامنه انتقال بین دو فاز همجوار نسبت داده می شود. آنالیز حساسیت انجام شده نشان می دهد این خواص به اجزای غیر ارتوتروپیکِ سفتی اینترلاملا و همچنین عدم قطعیت های موجود در سختی های اینترفاز و آمورف حساس نیست. در نهایت، مدول یانگ با استفاده از سختی اینترفاز تفکیک شده محاسبه می شود. مدول یانگ ارزیابی شده هم به خوبی با مدول یانگ اینترفاز موثر در پلی اتیلن کریستالی مقایسه می شود که در یک مطالعه تجربی گزارش شده است. این توافق رضایت بخش همراه با نتایج یکسان حاصل از دو رویکرد میکرومکانیکی، صحت اطلاعات جدید در مورد خواص الاستیک اینترفاز را تایید می کند. علاوه براین که روش تفکیک پیشنهادی را به طور کامل تصدیق می کند، در مشکلات مشابه هم اعمال می شود.

پلی اتیلن (PE) نیمه کریستالی با گریدهای مختلف بعنوان پرمصرف ترین پلاستیک تولیدشده در سراسر جهان شناخته می شود. کاربرد گسترده آن به دلیل مقاومت عالی در برابر عوامل شیمیایی و شوک های فیزیکی، خواص مکانیکی مناسب در دمای محیط و قیمت اقتصادی مناسب است. عملکرد مکانیکی آن در درجه اول به دلیل ساختار کامپوزیت میکرو مقیاس آن است. از لحاظ میکروساختاری، پلی اتیلن از دو جزء اصلی تشکیل شده است: لاملاهای کریستالی که بعنوان کریستالیت ها نیز شناخته می شوند و فاز اینترلاملا آمورف هم با نام فاز غیرکریستالی نیز مطرح می شوند. پس از تبلور مواد مذاب، آرایش منظم زنجیره ها در یک سیستم کریستالی متعامد باعث تشکیل لاملاهای کریستالی می شود که آرایه شعاعی آنها به نوبه خود به مورفولوژی کروی پلی اتیلن در مقیاس بزرگتر کمک می کند. خواص مکانیکی فاز کریستالی در دهه های اخیر به خوبی اثبات شده است. از سوی دیگر، فاز غیرکریستالی و فاز اینترلاملا که بین کریستالیت ها به دام افتاده است، ساختار از پیش تعریف شده ای ندارد. بنابراین، محققان استفاده از این اینترلاملا را بعنوان "فاز آمورف" معرفی کردند و از این رو، PE را بعنوان یک کامپوزیت دو فازی تفسیر کردند. با این حال، انتقال شدید از حالت کریستالی به حالت آمورف به طور فرضی غیرممکن است. با تکیه بر مشاهدات تجربی و استدلال های نظری، اجماع گسترده ای در میان محققان ایجاد شده است که خود دامنه غیر بلوری را می توان بعنوان یک ساندویچ دو جزئی مشاهده کرد: یک هسته آمورف مرکزی و سازکار همراه با دو لایه آمورف سفت تر در طرفین.

بر این اساس، دو فاز تشکیل دهنده اینترفاز غیر کریستالی دارای ساختار آمورف هستند اما فاز مرکزی نسبت به لایه های جانبی/ واسطه سفت تر است. در مقالات منتشر شده از اولی بعنوان فاز آمورف و دومی بعنوان اینترفاز تعبیر می شود. اصطلاح "اینترفاز" برای اولین بار توسط توسط فلوری برای تعریف ناحیه سطحی بین دو فاز غیرقابل امتزاج استفاده شد. اصطلاح "فاز آمورف سخت" همچنین برای توصیف یک جزء غیربلوری که حتی بالاتر از نقطه انتقال شیشه پلیمر احتمالا به دلیل نزدیکی به لاملای کریستالی بی حرکت ماند، استفاده شده است. در شکل زیر یک نمودار شماتیک از فاز ترکیب PE ارائه شده است.

شکل 1:

اینترفاز را تا حد زیادی می توان براساس وابستگی شدید آن به کریستالیت مجاور شناسایی کرد که این لایه جداکننده را سفت تر از فاز آمورف مرکزی می کند که در دماهای بالاتر از انتقال شیشه (Tg) در حالت مایع مانند است. با این حال، در مدل سازی میکرومکانیکی سه جزئی PE خواص مکانیکی جزء سوم کمتر شناخته شده ضروری است. صدیق امیری و همکارانش در مدل سازی میکرومکانیکی سه جزئی PE، اینترفاز را همسانگرد در نظر گرفتند در حالی که تقارن واقعی آن، همان طور که در ادامه بحث خواهد شد، مونوکلینیک است. علاوه براین، آنها مدول بالک اینترفاز، Ƙᵢᵨ، 5000 مگاپاسکال را انتخاب کردند که یک مقدار متوسط بین مدول بالک کریستالی و آمورف است و مدول برشی متوسط اینترفاز، Gᵢᵨ، را بعنوان پارامتر فیتینگ باقی گذاشتند.

در این مطالعه، روشی برای توصیف خواص مکانیکی لایه اینترفاز در پلی اتیلن نیمه کریستالی ارائه شده است که بر پیاده سازی تکنیک های همگن سازی میکرومکانیکی به داده های شبیه سازی مولکولی مونت کارلو از دامنه غیرکریستالی در پلی اتیلن متکی است. به همین منظور، دو رویکرد همگن سازی میکرومکانیکی DIM و ECIM به طور معکوس در نتایج حاصل از شبیه سازی مولکولی اینترفاز در محدوده دمایی 400-350 K اعمال شد. خروجی های هر دو رویکرد با وجود محتواهای ناشناخته، یکسان و شناخته شده هستند که خروجی های روش تفکیک اجرا شده را تایید می کنند. تانسور سفتی فاز آمورف بعنوان یک ضرورت در اجرای آنالیز تفکیک، با تکیه بر یافته های چندین مطالعه تجربی مستقل برآورد شده است. آنالیز تفکیک نشان داد که سفتی برشی اینترفاز در سطوح نرمال با سطح مشترک به شدت مقادیر کوچک اما منفی را جذب می کند که منجر به قطعیت غیرمثبت تانسور سختی اینترفاز در محدوده دمایی مدنظر ما می شود. ما معتقدیم که این قطعیت غیرمثبت یک نتیجه معتبر و موثق است که منشا آن در این واقعیت نهفته است که اینترفاز یک دامنه انتقالی است که وجود آن همیشه با فازهای کریستالی و آمورف همراه است که به طور مکانیکی اینترفاز را تثبیت می کنند. برخلاف دو سفتی برشی دیگر، Cⁱᵖ₆₆ رفتار مکانیکی متفاوتی نشان می دهد که احتمالا به دلیل مقاومت آن در صفحه موازی با رابط است. پس از اجرای آنالیز حساسیت، می توانیم عدم حساسیت قطعیت غیر مثبت Cᵢᵨ را از عدم قطعیت های ثابت الاستیک آمورف اتخاذ شده برای محدوده دمایی 400-350 K تعیین کنیم.