در این مطلب تستهای پلیمری رو که بیشتر شناخته شده است و روتین میباشد و همچنین اطلاعاتی رو که میشه ازشون استخراج کرد را مورد بررسی اجمالی قرار دادیم.(زبان متن محاوره‌ای میباشد)

• تست شعله
• تست  TAG
• تست  DSC
• استفاده از تست DSC برای اندازه گیری دقیق دمای انتقال شیشه
• تست کشش
• تست ضربه
• تست IR  
• تست رئومتری

تست شعله

اولین و ساده ترین تستی که برای شناسایی پلیمرها میشه انجام داد، تست شعله هست. یه مقدار از ماده رو روی یه اسپاتول گذاشته میشه و رو شعله میگیرند. از روی بوی سوختنش میشه تا حدی به ماهیت ماده پی برد. مثلاً اگه ماده بویی شبیه به شمع سوخته داشت، یعنی اینکه جنسش پلی اولفین هست و اگه خیلی به بوی سوختن شمع نزدیک بود به احتمال زیاد پلی اتیلن هست. به همین ترتیب ABS و PS بوی تندی دارند که اگه کسی تزریق این مواد رو دیده باشه، این بو براش کاملاً آشنا خواهد بود. اگه ماده در حین سوخت دود مشکی آزاد کنه، یعنی اینکه کربن اشباع نشده داره. اگه ماده در حین سوختن قطره قطره بچکه، یعنی اینکه ماده کریستالین هست  ….

تست TAG

اصول کار TGA به این صورته که یه مقدار خیلی کم از ماده (در حد چند میلی گرم) رو توی دستگاه میگذارند و دستگاه شروع میکنه از دمایی که واسش تعریف شده (معمولا دمای محیط) نمونه رو با سرعت مشخصی (معمولاً 10 درجه سانتیگراد بر دقیقه) گرم کردن و در عین حال وزن نمونه را کامپیوتر ثبت میکنه. در نتیجه اگه مواد فراری مثل آب وجود داشته باشه، خیلی راحت میشه تشخیصی داد. به اینصورت که در منحنی TGA نگاه میکنن، و مقدار کاهش وزن در دمای 100 درجه که دمای جوش آب هست، ثبت میشه. این مقدار کاهش وزن مربوط به رطوبت ماده هست که در اصل خشک شده و وزن ماده کم شده. به همین ترتیب میشه دمای تخریب ماده رو تشخیص داد. توی دمای تخریب، ماده یه کاهش وزن اساسی از خودش نشون میده، که نشون دهنده تجزیه شدن ماده و تبدیل اون به گاز هست و در نتیجه ماده کاهش وزن خیلی شدیدی از خودش نشون میده. یک نمونه منحنی TGA رو مورد بررسی قرار میدهیم. همونطور که دیده میشود ، ماده هیچ ماده زائد نداره و فقط در دمای حدود 300 درجه شروع به تخریب میکنه و میشه از این ماده در زیر این دما به راحتی استفاده کرد.

البته TGA حالتهای مختلف کارکرد مثل دما ثابت رو هم داره، اما آن حالتی که بیشترین استفاده را دارد همان حالتی است که توضیح داده شد.منحنی اصلی TGA منحنی تغییرات وزن ماده برحسب دما هست. اما تو این منحنی همیشه نمیشه بصورت دقیق سرعت تخریب، و …. رو خوند. برای همین دستگاه بصورت اتوماتیک مشتق این منحنی رو گرفته و رسم میکنه. منحنی دوم مشتق منحنی اول هست. حالا روی منحنی مشتق هرجا یه پیک مشاهده بشه، یعنی اینکه تو اون نقطه بیشتری سرعت تغییرات وجود داره. واسه همین از رو منحنی مشتق میشه به اطلاعات بیشتری پی ببری. توی منحنی که آپلود کردم، درسته که دمای شروع تخریب حدود 300 درجه هست، اما همانطور که میشه دید، ماده تو دمای 350 درجه بیشترین سرعت تخریب رو داره. در ضمن هرجا که شیب منحنیِ وزن ماده برحسب دما عوض بشه، مفهومش اینه که مکانیزم شیمیایی تخریب عوض شده، و در نتیجه تو منحنی مشتق پیک مشاهده میشه. با این روش توی مواد پیچیده میشه بصورت حدودی (نه دقیق) تشخیص داد که ماده با چه مکانیزم و واکنشهایی تخریب میشه، یا هر اتفاق دیگه ای غیر از تخریب داره اتفاق میافته. استفاده دیگه ای هم که میشه از تست TGA کرد، تشخیص مقدار افزودنیهای معدنی هست. پلیمرها اساساً بر اثر گرما کاملاً میسوزند و از بین میرند. در حالیکه مواد معدنی خیلی وقتها حتی تا دماهای بالای 1000 درجه هم مقاوم هستند. پس اگه یه ماده پلیمری خالص داشته باشیم که هیچ افزودنی معدنی نداشته باشه، وزن نمونه بعد از دمای حداکثر 600 درجه باید به صفر برسه. اما اگه بعد از این دما کامپیوتر مقداری ماده باقیمانده نشون داد، مفهومش اینه که ماده حاوی افزودنی معدنی بوده که براثر حرارت از بین نرفته. و مقدار ماده باقیمانده، مقدار فیلر معدنی هست که بهش اضافه کردن.

تست DSC

DSC یه تست حرارتی در پلیمرهاست. با استفاده از این تست میشه دمای ذوب، دمای کریستالیزاسیون، دمای انتقال شیشه، درصد کریستالینیتی و … رو بدست آورد. روش کار به این صورت هست که یه مقدار خیلی کم از ماده (در حد چند میلی گرم) رو داخل دستگاه میگذارند و دستگاه با سرعت مشخصی (معمولا 10 یا 5 درجه بردقیقه) شروع میکنه نمونه رو گرم کردن و در عین حال مقدار انرژی لازم برای گرم کردن رو کامپیوتر ثبت میکنه. و بعد منحنی انرژی بر حسب دما رو رسم میکنه. در انتقالهایی که از درجه اول هستند (مثل ذوب، تبخیر، تصعید، میعان، انجماد و …) ، یه پیک دیده میشه که بستگی به نوع انتقال (ذوب یا انجماد) میتونه گرماگیر یا گرماده باشه و بصورت دقیق دمای اون انتقال و مقدار انرژی لازم رو از سطح زیر منحنی میشه حساب کرد. (البته همه این کارها رو خود کامپیوتر انجام میده و عدد نهایی رو هم گزارش میکنه) اما اگه انتقال از درجه 2 باشه مثل انتقال شیشه، توی منحنی DSC فقط تغییر شیب دیده میشه که نشان دهنده دمای انتقال هست. در شکل زیر یک نمونه از منحنی DSC برای ماده خالص رو نشون دادم. همونطور که در گوشه سمت چپ بالای منحنی میشه دید، ماده با سرعت 5 درجه بر دقیقه از دمای 30 تا 275 گرم شده (منحنی پایینی که توش Tg و Tm نشون داده شده)، بعد 1 دقیقه تو دمای 275 نگه داشته شده و بعد با سرعت 5 درجه بر دقیقه از 275 تا 30 سرد شده (منحنی بالایی که توش Tc یا دمای کریستالیزاسیون نشون داده شده). این منحنی مربوط به یه نمونه PET هست. هر ماده‌ای منحنی خاص خودش رو داره که از روی دمای ذوب، کریستالیزاسیون، Tg تا حدی میشه به ماهیت ماده پی برد.

همونطور که میشه دید، و من پیکها رو مشخص کردم، دستگاه کنار هر پیک، دقیقاً دمای ذوب، کریستالیزاسیون، درصد کریستالیزاسیون و همینطور انتقال شیشه رو نشون داده. اما اگه ماده یه آلیاژ 2 فازی باشه، هر فاز مستقلاً پیکهای خودش رو نشون میده. به عنوان مثال من یه نمونه منحنی DSC از یک ماده 2 فازی رو اینجا آپلود میکنم.

این منحنی مربوط به یه آلیاژ 2 فازی PP-PET هست. تو این تست هم شرایط آزمایش دقیقاً مثل تست قبلی بوده (سرعت گرم و سرد کردن 5 درجه بر دقیقه). همونطور که میشه دید، هر کدوم از فازها جداگانه پیک ذوب و کریستالیزاسیون نشون دادند. یه نکته دیگه ای هم که بهتره رعایت بشه، اینه که تست DSC در اتمسفر نیتروژن انجام بشه. چون یه تست نسبتاً طولانی مدتیه و اگه در اتمسفر هوا یا اکسیژن انجام بشه، ممکنه ماده تخریب بشه. در حالیکه در اتمسفر نیتروژن ماده تخریب نمیشه.

 استفاده از تست DSC برای اندازه گیری دقیق دمای انتقال شیشه

کریستالیزاسیون، شدیدا روی دمای انتقال شیشه (Tg) تأثیر میگذاره. بنابراین اگه بخواییم یه عدد درست رو بعنوان دمای Tg گزارش کنیم، اندازه گیری بایستی روی ماده کاملاً آمورف باشه. واسه همین بعد از اینکه ماده رو توی دستگاه DSC قرار دادیم، مد دستگاه رو به شرح زیر تنظیم میکنیم:

• گرمایش با بیشترین سرعت ممکن تا حداقل 20 درجه بالای دمای ذوب.

• توقف در این دما حداقل به مدت 1 دقیقه (تا تمام کریستالها ذوب بشند).

• سرمایش با بیشترین سرعت به دماهای خیلی پایین (زیر دمای Tg). توضیح اینکه معمولاً برای دستگاههای DSC یه ورودی برای نیتروژن مایع تعبیه میشه، و برای سرمایش در این مرحله دستگاه دریچه نیتروژن مایع رو باز میکنه و ماده به یکباره سرد میشه.

• گرمایش با نرخ دلخواه (معمولاً 5 یا 10 درجه بر دقیقه) تا حداقل 20 درجه بالاتر از Tg

با این روش چون در مراحل اول و دوم کریستالهای ماده کاملاً ذوب شده و در مرحله سوم، زمان کافی برای کریستالیزاسیون وجود نداره، ماده ای که داریم یه ماده 100% آمورف خواهد بود و در حین اندازه گیری، تست روی یه ماده 100% آمورف داره انجام میشه که نتیجه دقیقتری رو میده.

استفاده از دستگاه DSC برای اندازه گیری تحمل دمایی مواد در اتمسفر اکسیژن (OIT) OIT تستی هست که توسط دستگاه DSC انجام میشه و برای اندازه گیری تحمل دمایی مواد در اتمسفر اکسیژن هست. یعنی زمانی که طول میکشه تا ماده در اتمسفر اکسیژن شروع به تخریب کنه. طبیعیه که هرچقدر این زمان طولانیتر باشه، ماده دیرتر تخریب شده و از کیفیت بهتری برخوردار هست. این تست عمدتاً برای پلی اتیلن مصرف میشه (این تست یکی از تستهای مهم برای لوله های پلی اتیلنی هست).

روش کار :

• نمونه رو بعد از قراردادن توی دستگاه با نرخ زیادی (حدود 20 درجه بر دقیقه) تا دمای 200 درجه در اتمسفر نیتروژن گرم میکنند.

• ماده بعد از رسیدن به دمای 200، توی همین دما به مدت حدود یک دقیقه کماکان در اتمسفر نیتروژن نگه داشته میشه تا کاملاً ذوب بشه.

• تو همین دما، شیر نیتروژن بسته میشه، و شیر اکسیژن باز میشه و اکسیژن وارد محفظه DSC میشه. و منحنی تغییرات انرژی بر حسب زمان رسم میشه.

تا قبل از نقطه تخریب، این منحنی یه خط صاف هست. ولی زمانی که ماده شروع به تخریب میکنه، منحنی با شیب مثبتی شروع به افزایش میکنه و دستگاه بصورت اتوماتیک زمان رو گزارش میکنه. من اینجا یه نمونه منحنی OIT رو آپلود میکنم:

همونطور که توی شکل میشه دید، از لحظه ای که شیر اکسیژن باز شده (ماده در معرض اکسیژن قرار گرفته) تا لحظه ای که شروع به واکنش کنه، حدود 55 دقیقه طول کشیده. یعنی اینکه، اگه زمان اقامت توی اکسترودر تولید کمتر از این مقدار باشه (که معمولاً خیلی کمتر از این مقداره) به راحتی میشه از این ماده استفاده کرد، بدون اینکه ماده آسیبی ببینه. یه نکته ای که توی تست OIT هست، اینه که این تست رو میشه در دماهای مختلف انجام داد. و هر چقدر دما بالاتر باشه، زمان OIT کمتره. اما در صنعت معمولاً دمای 200 یا 210 استفاده میشه. استاندارد اندازه گیری OIT، یASTM D3895 میباشد.

تست کشش

تست کشش یا Tensile یکی از مهمترین تستهای خواص مکانیکی هست. برای این تست، ابتدا باید از ماده نمونه بشکل دمبل با ابعاد استاندارد تهیه بشه، که اینکار طبق استاندارد بایستی توسط قالب گیری تزریقی (Injection Molding) انجام بشه. بعد این نمونه بین 2 تا فک دستگاه گذاشته میشه، و دستگاه با سرعت استاندارد شروع میکنه نمونه رو کشیدن، و همزمان میزان نیرو و جابجایی رو کامپیوتر ثبت میکنه. با توجه به اینکه ابعاد نمونه اولش بصورت دقیق با کولیس اندازه گیری میشه، در نتیجه با تقسیم کردن نیرو بر سطح، تنش و با تقسیم کردن جابجایی به طول اولیه، کرنش بدست میاد. و میشه منحنی تنش-کرنش رو رسم کرد. از روی منحنی تنش-کرنش هم رفتار ماده مشخص میشه که آیا شکننده هست یا چقرمه.

از روی این منحنی اطلاعات خیلی زیادی میشه بدست آورد:

• نوع رفتار ماده: اگه توی منحنی تنش-کرنش نقطه تسلیم دیده بشه، ماده رفتار چقرمه داره، اما اگه دیده نشه رفتار ماده شکننده هست. مشخصات این نقطه، تنش و کرنش در نقطه تسلیم رو نشون میده.

• شیب خط در ناحیه خطی (کرنشهای پایین) نشونگر مدول ماده هست.

• سطح زیر منحنی تنش-کرنش، انرژی لازم برای شکست ماده هست.

• میزان تنش و کرنش در نقطه پارگی

یک نمونه از نتیجه این تست رو برای یه ماده چقرمه آپلود میکنم.

همونطور که تو شکل میشه دید، من تست رو روی 3 تا نمونه تکرار کردم، تا تکرار پذیری نمونم رو ببینم. البته طبق استاندارد باید حداقل این تست 5 دفعه تکرار بشه. نواحی خطی رو هم روی شکل مشخص کردم که با اندازه گیری شیب خط میشه مدول یانگ رو بدست آورد (البته همونطور که تو جدول خلاصه میشه دید، خود نرم افزار کامپیوتری این کار رو میکنه و مدول رو گزارش میکنه). همینطور نقاط تسلیم و پارگی هم روی شکل مشخص شده که بازهم توی جدول بصورت خلاصه اعداد رو کامپیوتر گزارش میکنه. استاندارد انجام این آزمایش ASTM D638 میباشد.

تست ضربه (آیزود)

تست ضربه یکی از مهمترین تستهای مکانیکی برای پلیمرهاست. تو این تست مقاومت ماده نسبت به ضربه آزمایش میشه. این تست به دو روش قابل انجام هست: روش آیزود و چارپی. این دو روش تفاوتهای جزئی دارند. در این تست ابتدا یه نمونه از ماده بصورت استاندارد تزریق میشه و تو دستگاه تست ضربه بصورت عمودی قرار داده میشه. دستگاه یه چکش استاندارد داره که اندازه این چکش میتونه تغییر کنه و اصطلاحاً با انرژیش شناخته میشه. مثلاً چکش 2 ژول، 4ژول و …. بعد چکش آزاد میشه و یه ضربه محکم به نمونه میزنه. چهار حالت ممکنه اتفاق بیافته:

NB: قطعه در این حالت نمیشکنه. یعنی انرژی چکش برای شکست نمونه کافی نیست. در این حالت توی گزارش فقط NB نوشته میشه، یا اینکه میشه یه چکش قویتر استفاده کرد.

P: شکست ناتمام (Partial Break) در این حالت قطعه کامل نشکسته اما حداقل 90% اون باید شکسته شده باشه.

HB: شکست لولایی (Hinge Break) در این حالت قطعه تقریباً کامل شکسته اما 2 قسمت اون جدا نشدند و بصورت لولا موندند. (به این معنی که اگه یه قسمت از قطعه رو بصورت عمودی نگه داریم، قسمت دوم با وزن خودش خم میشه و افقی نمیمونه)

B: شکست. در این حالت قطعه کامل شکسته و دستگاه انرژی لازم برای شکست رو ثبت میکنه.

یه توضیح مختصر در مورد مکانیزمهای شکست تو پلیمرها شکست تو پلیمرها 2 مرحله دارد:

الف) شروع ترک(Crack inirtiation)،

ب) رشد ترک (Crack propagation). وقتی روی نمونه ناچ زده میشه، عملاً ترک رو ما شروع میکنیم و به این ترتیب مقاومت ماده رو نسبت به رشد ترک میسنجیم.

استاندارد انجام این آزمایش ASTM D256 هست

تست ضربه (چارپی)

در این تست هم یه نمونه ناچ دار با ابعاد استاندارد در دستگاه قرار میگیره و یه چکش استاندارد بهش ضربه میزنه. و اونرو میشکونه. تفاوتهای اصلی این تست با تست آیزود اینا هستند:

• در تست آیزود نمونه بصورت عمودی قرار داره، ولی در تست چارپی نمونه بصورت افقی

• در تست آیزود ضربه از طرفی که نمونه ناچ داره، به نمونه وارد میشه، در تست چارپی از طرف مقابل

• طول نمونه در تست چارپی 2 برابر تست آیزود هست (12.7*127.0 میلیمتر با ضخامت بین 3 تا 12.7)

یه نکته دیگه ای هم که در مورد تست ضربه (هم آیزود و هم چارپی) هست اینه که بعضی از مواد چون نرم هستند توی دمای اطاق نمیشکنند و این مواد رو سرد میکنند و در دمای پایین تستش رو انجام میدن. مثلا دمای 0 یا 30- درجه سانتیگراد. یه نمونه از این مواد آلیاژ PP-EPDM هست که در دمای اطاق نمیشکنه و حتما تست ضربه باید در دمای پایین انجام بشه. استاندارد انجام این آزمون ASTM D6110 هست .

تست IR

در تست IR نمونه رو بصورت پودر، فیلم نازک یا محلول توی دستگاه میگذارند. و دستگاه نور مادون قرمز رو به نمونه میفرسته. و با استفاده از سنسورهایی که داره، میزان جذب نور رو اندازه گیری میکنه. با استفاده از تبدیل فوریه، دستگاه میزان جذب نور فرکانسهای مختلف نور مادون قرمز رو حساب میکنه و منحنی جذب رو بر حسب فرکانس میکشه. هر پیوندی توی یک فرکانس ثابت جذب داره. براساس منحنی بدست اومده، و اینکه تو چه فرکانسهایی جذب نور بوده، میشه تشخیص داد که که ماده چه پیوندهایی داره. (کتابهای مرجعی وجود داره که توی اونها میشه پیدا کرد، فرکانسی جذب پیوندهای مختلف را دید) با استفاده از این روش، میشه پیوندهای که ماده داره و همینطور غلظت اونها رو تشخیص داد. و در نتیجه به ساختار حدودی ماده پی برد. من یه نمونه منحنی FTIR رو آپلود میکنم که تقریباً روی هر پیک نوشتم که اون پیک مربوط به چی هست.

همونطور که میشه دید، توی ماده ماده من پیوند C-H (عدد موجی 2974) و پیوند C=O (عدد موجی 1820) و حلقه بنزنی (عدد موجی 822 و 872) و پیوند CH2 (عدد موجی 722) وجود داره.

تست رئومتری

رئومتری بصورت کلی، به تستهایی گفته میشه که خواص رئولوژیکی مواد پلیمری رو نشون میده. منظور از رئولوژی علم رفتار پلیمرها در حالت مذاب هست. تستهای رئولوژیکی با دستگاههای مختلفی اندازه گیری میشه. برای مثال میشه به دستگاههای بروکفیلد، کاپیلاری رئومتر، دستگاه RMS و … اشاره کرد. یکی از مهمترین دستگاه هایی که وجود داره و در حالتهای مختلفی مانند چرخشی، تناوبی و … میشه استفاده کرد دستگاه RMS هست. دستگاه RMS یه صفحه ثابت داره که ماده روش گذاشته میشه و روی اون ذوب میشه. بسته به نوع ماده و دمای ذوب اون، دمای این صفحه قابل تنظیم هست. پس از ذوب کامل یک صفحه دیگه به نام اسپیندل (Spindle) پایین میاد و روی ماده مذاب قرار میگیره. قطر اسپیندل ممعولا 25 میلیمتر بوده و فاصله بین این 2 صفحه که ماده بینشون هست معمولاً یک میلیمتر هست. بعد اسپیندل که به یک موتور الکتریکی متصله شروع میکنه به حرکت کردن. این حرکت کردن میتونه چرخشی باشه، تناوبی (Oscillation) باشه و یا … من چند تا تست معروف رو که میشه با این دستگاه انجام داد رو مینویسم. برای اطلاعات بیشتر و معادلاتشون هم چند کتاب خوب رو آپلود میکنم (البته همه معادلات تو کتاب Transport Phenomena نوشته Bird هست که سابقاً تو تالار کتابهای مهندسی پلیمر آپلود کردم).

الف) تست جاروب فرکانس یا Frequency Sweep

در این تست دستگاه با یه دامنه ثابت (معمولاً 1%) شروع میکنه به نوسان و عکس العمل ماده رو اندازه گیری میکنه و ثبت میکنه. بعد فرکانس رو کم میکنه و دوباره اندازه میگیره، تا به محدوده فرکانسی که به دستگاه داده شده برسیم. معمولاً محدوده فرکانسی از 1000 تا 0.01 گفته میشه. یه نکته خیلی مهمی که تو این تست هست اینه که دامنه باید خیلی کم انتخاب بشه تا ساختار ماده دچار شکست نشه. و اصطلاحاً گفته میشه ماده تو ناحیه خطیش هست. من یه نمونه فایل اکسل که خروجی این تست هست رو آپلود میکنم. با رسم خواص مختلف مثل مدول ذخیره (Storage Modulus یا G) بر حسب فرکانس اطلاعات خیلی خوبی از ساختار ماده میشه بدست آورد. همونطور که توی فایل ضمیمه دیده میشه، من تست رو از فرکانس 625 تا 0.1 در نظر گرفتم. و دستگاه مدول ذخیره، مدول اتلافی، ویسکوزیته و … در در فرکانسهای مختلف ثبت کرده.

ب) تستهای چرخشی:

برخلاف تستهای نوسانی که در اون ساختار ماده ثابت میمونه، در تستهای چرخشی، ساختار ماده شکسته میشه و از روی اطلاعات بدست اومده به ساختار ماده میشه پی برد. این تست حالتهای خیلی زیادی داره که برای اطلاعات بیشتر به کتاب Dynamics of Polymeric Liquids نوشته Bird میشه مراجعه کرد.

• منبع : تست‌های پلیمری
• ایمیل نویسنده : gnms.polymer@gmail.com