خواص استایک و دینامیک UHMW PE

دسته: مقالات منتشر شده در 14 آبان 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 355

خواص استایک و دینامیک پلی اتیلن نیمه کریستالی

خواص پلیمرهای اکسترود شده به شدت تحت تاثیر ساختار مولکولی است. در این مطالعه، برای دو پلیمر نیمه کریستالی متفاوت یعنی پلی اتیلن سبک (LDPE) و پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق العاده بالا  (UHMWPE) مدول الاستیک، تنش جریان پلاستیک و وابستگی به نرخ کرنش تنش تسلیم را ارزیابی می کنیم. همچنین تاثیر ساختار مولکولی بر کسر کششی پس از باریک شدگی مورد بررسی قرار می گیرد. آزمایشات دینامیک و استاتیک نشان می دهد که UHMWPE اکسترود شده دارای تنش تسلیم و کرنش نسبتا بالایی در برابر کسر LDPE است. در هر دو نوع پلی اتیلن، کرنش در شکست کششی با افزایش نرخ کرنش کاهش می یابد. برای نرخ کرنش 0.001-3400 s¯¹، تغییرات تنش تسلیم به طور دقیق با معادله کوپر-سیموندز بیان می شود. این نتایج به دست آمده نشان می دهد در نرخ های بالای کرنش، UHMWPE به دلیل ساختار مولکولی زنجیره ای بلند با انشعابات کم، بیشتر از LDPE انرژی را جذب می کند.

 

پلی اتیلن اکسترود شده به دلیل خواصی همچون سبک وزن بودن، هزینه تولید کم، استحکام و شکل پذیری بالا برای ساخت زره لمینت سبک استفاده می شود. بررسی های نظری و تجربی اخیر در مورد زره های دولایه فلزی-پلیمری پتانسیل بالایی از افزایش سرعت حد بالستیک را نشان می دهند که سبک وزن بودن یک مزیت عالی در این رابطه محسوب می شود. این امر در لایه های پلیمری که کرنش قابل توجهی دارند، نیز صادق است. خواص دینامیکی و استاتیکی پلیمرهای اکسترود شده قویا تحت تاثیر ساختار مولکولی آنها قرار دارند. کورز و همکارانش برای UHMWPE یک مدل نمایی ناهمسانگرد و کرنش کوچک ارائه دادند که با داده های تنش-کرنش واقعی مطابقت داشت. پوریای ولی و همکارانش همراه با اپی و همکارانش نیز یک مدل ساختاری برای توصیف واکنش تغییر شکل بزرگ با نرخ کرنش بالا و شبه ایستا به پلیمرهای نیمه کریستالی با نرخ کرنش کمتر از 800 را پیشنهاد کردند. این داده ها و تئوری های تجربی دقیقا پاسخ مکانیکی و ویسکوالاستیسیته را در یک کرنش کوچک تفسیر می کنند اما برای توصیف رفتار تغییر شکل بزرگ که قبل از شکستگی اتفاق می افتد، مناسب نیستند. برای توصیف بیشتر این تغییر شکل بزرگ به رفتار تغییر شکل دینامیکی در پلی اتیلن نیمه کریستالی نیاز است. در این مقاله خواص مکانیکی دو پلی اتیلن نیمه کریستالی، پلی اتیلن سبک (LDPE) و پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق العاده بالا (UHMWPE)، را با هدف بررسی اثرات ساختار مولکولی بر کرنش های بالا و نرخ کرنش بالا (بین 10-8) را مطالعه کردیم. در شکل زیر، نتیجه این بررسی ارائه شده است.

 

شکل 1:

 Schematic molecular structure representation of two types of extruded poly

 

هدف از این کار تعیین آن دسته از خواص مکانیکی است که برای مقاومت در برابر نفوذ پرتابه و سوراخ شدن ورقه های دولایه ای فلزی-پلیمری ضرورت دارند. در این تحقیق، آزمایشات کششی و فشار مواد شبه ایستا بر روی نمونه های برش خورده از ورق پلی اتیلن در سه زاویه مختلف (0، 45 و 90 درجه) نسبت به جهت اکستروژن انجام شد. همچنین آزمایشات استاتیک تا لحظه شکست در دستگاه تست جهانی INSTRON انجام شد که نرخ کرنش های 0.01 و 0.001 را نشان داد. از آنجایی که آزمایشات اولیۀ شدت باریک شدگی منجر به تغییر شکل ناهمگن در کشش پس از باریک شدگی می شوند، از یک تکنیک اپتیکال برای اندازه گیری نرخ کرنش استفاده می شود. علاوه براین، آزمایشات فشار دینامیکی LDPE و UHMWPE با استفاده از میله فشاری هاپکینسون اسپلیت در دمای محیط انجام شد؛ این نرخ کرنش 3300-680 گزارش شد که مشابه نتایج حاصل از آزمایشات برخورد پرتابه است. پاسخ مکانیکی نمونه ها با توجه به تاثیر ساختار مولکولی بر خواص مکانیکی مانند همسانگردی، تسلیم، سخت شدن کرنش، تکامل ریزساختار، حساسیت نرخ کرنش و قابلیت جذب انرژی مورد بحث و مقایسه قرار می گیرد. از طرفی، داده های حاصل از نرخ بالای کرنش در مدل کوپر-سیموندزِ وابستگی تنش تسلیم به نرخ کرنش بررسی شدند. در نهایت، می توان گفت این تحقیق یه پایگاه اطلاعاتی از داده های تجربی مفید در حوزه تحقیقات نفوذ دینامیک در آینده فراهم می کند.

 

در این مقاله، آزمایشات کششی و فشاری مواد را با نرخ کرنش شبه ایستای 0.01 و 0.001 روی دو نوع پلی اتیلن انجام شد. همچنین آزمایشات فشار دینامیکی با استفاده از میله فشاری هاپکینسون (SHPB) برای دستیابی به نرخ کرنش تا 3300 انجام شد. اثربخشی سختی کرنشی و نرخ کرنشی نیز در هر دو نوع پلی اتیلن تحت بارهای کششی و فشاری بررسی شد. تفاوت در ساختار زنجیره مولکولی در هر دو پلی اتیلن می تواند نشان دهنده تفاوت در خواص مکانیکی آنها باشد. در ادامه، نتایج حاصل از این مطالعه را بیان می کنیم:

 

- به دلیل شباهت در چگالی زنجیره های مولکولی اما تفاوت در طول و انشعاب آنها، LDPE و UHMWPE اکسترود شده دارای خواص همسانگرد مشابهی در کشسانی کرنش کمتر هستند اما در جریان پلاستیک رفتارهای متفاوتی در کرنش بزرگ دارند.

- در نرخ های کرنش شبه ایستا، UHMWPE اکسترود شده از سختی کرنشی بیشتری نسبت به LDPE اکسترود شده، همراه با ازدیاد طول در حین شکست برخوردار بود.

- با مقایسه تست های تراکم در نرخ کرنش از 0.001 تا 3300 مشخص شد LDPE و UHMWPE تنش تسلیم فزاینده ای همراه با افزایش نرخ کرنش را تجربه کردند. در تمام نرخ های کرنش، تنش تسلیم فشار UHMWPE اکسترود شده حداقل 17 درصد بیشتر از LDPE اکسترود شده بود.

- از مدل کوپر-سیموندز برای بیان اثرات نرخ کرنش بر تنش تسلیم استفاده شد. پارامترهای C-S به دست آمده با نتایج تجربی به خوبی مطابقت دارند زیرا مقادیر ضریب تعیین خطوط مستقیم به ترتیب برای LDPE و UHMWPE تقریبا 99 و 93 درصد هستند.

- مدل C-S نشان می دهد که اثر سختی نرخ کرنشی در UHMWPE حساسیت زیادی به افزایش نرخ کرنش داشت و برعکس این حساسیت بالا در LDPE برای نرخ های کرنش پایین مشاهده شد. این امر نشان می دهد که در نرخ های کرنش بالا که بیانگر وارد شدن ضربه به زره هستند، UHMWPE بهتر از LDPE عمل می کند.

- علیرغم نواقصی همچون عدم یکنواختی اختلاط و پلاستینیشن، آرایش منظم زنجیره های مولکولی طولانی پلی اتیلن اکسترود شده به طور قابل ملاحظه ای خواص مکانیکی آن را بهبود می بخشد. UHMWPE اکسترود شده به دلیل زنجیره های مولکولی طولانی که نسبتا به ندرت منشعب می شوند، در برابر تغییر شکل بزرگ و فشار بالای ضربه از LDPE سازگارتر است.