خواص مکانیکی رزین‌های پلی استر غیراشباع: مقایسه رزین‌های بر پایه ارتوفتالیک، ایزوفتالیک و ترفتالیک – بخش اول

مفاهیم و تعاریف کلیدی در خواص مکانیکی پلیمرها

پیش از بررسی عملکرد رزین‌های مختلف، لازم است مفاهیم پایه‌ای خواص مکانیکی که برای توصیف رفتار مواد تحت بارگذاری استفاده می‌شوند، معرفی گردند.

تنش (Stress) و کرنش  (Strain)

تنش(σ) : نیروی وارد شده بر واحد سطح است و معمولاً با واحد پاسکال (Pa) یا مگاپاسکال (MPa) بیان می‌شود. تنش نشان‌دهنده توزیع نیرو در داخل ماده است.

σ = F/A​

که در آن F  نیروی اعمالی و A  سطح مقطع اولیه است.

کرنش (ϵ) : معیار تغییر شکل نسبی ماده است و به صورت نسبت تغییر طول به طول اولیه تعریف می‌شود. کرنش بدون واحد است (یا بر حسب درصد بیان می‌شود).

ϵ = ​ΔL/ L₀​

که در آنΔL  تغییر طول و L₀​  طول اولیه است.

مدول الاستیک  (Elastic Modulus)

مدول الاستیک (E) معیاری برای سختی (Stiffness) ماده در ناحیه الاستیک است. این مقدار، نسبت تنش به کرنش در این ناحیه را نشان می‌دهد. هرچه مدول بالاتر باشد، ماده سخت‌تر بوده و در برابر تغییر شکل، مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهد.

مدول کششی : مدول الاستیک اندازه‌گیری شده در آزمون کشش.

مدول خمشی : مدول اندازه‌گیری شده در آزمون خمش که نشان‌دهنده سختی ماده در برابر نیروی خمشی است.

 استحکام  (Strength)

استحکام کششی (Tensile Strength) : حداکثر تنشی است که یک ماده می‌تواند قبل از شکست تحت بار کششی تحمل کند.

معمولاً برای رزین پلی استر غیر اشباع مقاومت کششی 50 به بالا و واحد آن Pa یا N/m² می باشد.

استحکام خمشی (Flexural Strength) : حداکثر تنشی است که یک ماده می‌تواند قبل از شکست در آزمون خمش تحمل کند.

تغییر شکل و خواص مرتبط

تغییر شکل الاستیک : تغییر شکلی که با حذف بار به طور کامل برطرف شده و ماده به شکل اولیه خود باز می‌گردد (مانند کشیدن یک فنر).

تغییر شکل پلاستیک : تغییر شکلی که پس از حذف بار باقی می‌ماند و دائمی است (مانند خم کردن یک سیم).

شرینکیج (Shrinkage) : کاهش حجم یا اندازه یک ماده پس از پخت (کیورینگ)، به ویژه در رزین‌ها که به دلیل تراکم مولکولی و تشکیل پیوندهای جدید رخ می‌دهد. کنترل شرینکیج در رزین‌های فراپل جم برای حفظ ابعاد قطعات نهایی بسیار مهم است.

مفاهیم مربوط به نمودار تنش-کرنش

نقطه تسلیم (Yield Point) : نقطه‌ای که در آن ماده از رفتار الاستیک (بازگشت‌پذیر) به رفتار پلاستیک (دائمی) تغییر حالت می‌دهد.

نقطه شکست (Fracture Point) : نقطه‌ای که در آن ماده به طور کامل از هم گسیخته می‌شود.

استحکام کششی در نقطه شکست : حداکثر تنش ثبت شده در طول آزمون کشش.

ازدیاد طول در نقطه شکست (Elongation at Break) : کرنش متناظر با نقطه شکست که نشان‌دهنده داکتیلیتی (شکل‌پذیری) ماده است.

ناحیه الاستیک:  در ابتدای نمودار، رابطه بین تنش و کرنش خطی است. شیب این خط، مدول الاستیک (E) را نشان می‌دهد.

نقطه تسلیم:  با دور شدن از مبدأ، نقطه تسلیم مشاهده می‌شود که نشان‌دهنده عبور از مرز الاستیک و شروع تغییر شکل پلاستیک است.

ناحیه پلاستیک:  پس از نقطه تسلیم، ماده تغییر شکل بیشتری می‌دهد بدون اینکه لزوماً تنش زیادی در آن ایجاد شود.

نقطه شکست:  نقطه‌ای که در آن ماده دیگر قادر به تحمل تنش نیست و می‌شکند.

استحکام خمشی و استحکام کششی با بالاترین نقطه تنش ثبت شده در آزمون‌های مربوطه مرتبط هستند؛ در حالی که ازدیاد طول در نقطه شکست میزان کرنش در لحظه گسیختگی را نشان می‌دهد که معیاری برای چقرمگی (Toughness) و داکتیلیتی ماده می‌باشد. چقرمگی را می توان به روش های مختلفی تعریف نمود. یکی از این تعاریف بر مبنای سطح زیر منحنی تنش – کرنش است. بر اساس این تعریف، چقرمگی نشان دهنده میزان انرژی دریافت شده توسط ماده پیش از شکست می باشد. مواد شکننده چقرمگی پایینی دارند، در مقابل مواد شکل پذیر که در آزمون تنش – کرنش، کشش سرد از خود نشان می دهند به دلیل ازدیاد طولی زیاد تا شکست، چقرمگی بالایی دارند.

کشش سرد با نازک شدن (Necking) پلیمر حین کشش نمایان می گردد. کشش سرد در یک نسبت کشش بحرانی به نام نسبت کشش طبیعی متوقف می گردد. هم زمان با کشش سرد، زنجیره های پلیمری در راستای کشیده شدن نمونه به شدت آرایش یافته می گردند که منجر به افزایش مدول و استحکام کششی می شود. با کشش بیشتر پلیمری که تا نسبت کشش طبیعی دچار کشش سرد شده است، تنش به شدت افزایش می یابد (پدیده سخت شدن با کرنش Strain Hardening) و در نهایت شکست خیلی زود رخ می دهد.

دستگاه کشش دارای 2 فک یا گیره است که فک پایینی ثابت بوده و نمونه را محکم نگه می دارد. فک بالایی دستگاه علاوه بر گرفتن نمونه، با حرکت به سمت بالا باعث کشیده شدن نمونه و اعمال تنش کششی به آن می گردد. پس از بستن نمونه و محکم کردن آن، و انجام تنظیمات روی نرم افزار ، به دستگاه فرمان داده می شود تا با سرعت مشخصی (برحسب میلی متر بر دقیقه) نمونه تحت تنش کششی قرار می گیرد. نمونه آنقدر تحت تنش قرار می گیرد تا دچار شکست شود. نرم افزار دستگاه که از قبل ابعاد نمونه داخل آن وارد شده؛ قادر است مدول، استحکام کششی در شکست، تسلیم و ازدیاد طول در این نقاط را محاسبه کند.