چگونه استحکام پلیمر را بسنجیم؟

در انتخاب گریدهای پلیمری مناسب برای صنایع خودرو و پلاستیک، دانستن استحکام مکانیکی مواد اهمیت زیادی دارد. یکی از اصلی‌ترین معیارها «استحکام کششی» است که توانایی پلیمر برای مقاومت در برابر کشش تا نقطه شکست را نشان می‌دهد. استحکام کششی در واقع حداکثر تنشی است که یک ماده می‌تواند بدون شکست تحمل کند. به علاوه، پارامتر «مقاومت ضربه‌ای» نیز میزان انرژی مورد نیاز برای شکست ماده در اثر ضربه‌های ناگهانی را اندازه‌گیری می‌کند؛ برای این منظور از آزمون‌های استاندارد چارپی یا ایزود استفاده می‌شود. در ادامه این مقاله به تعریف انواع استحکام کششی، فرمول‌ها و واحدهای متداول آن، روش‌های آزمایش، عوامل مؤثر و نمونه‌هایی از استحکام پلاستیک‌ها می‌پردازیم تا فرآیند انتخاب مواد و کنترل کیفیت برای مهندسان و مدیران صنعت آسان‌تر شود.

استحکام کششی پلیمر چیست و انواع آن کدام است؟

وقتی به یک نمونه پلیمری نیرو وارد می‌شود، ابتدا تغییر شکل الاستیک دارد (با حذف نیرو، به شکل اولیه بازمی‌گردد) و پس از آن تغییر شکل پلاستیک (دائمی) رخ می‌دهد و در نهایت به شکست می‌انجامد. هر یک از این مراحل متناظر با یک نوع مقاومت کششی است. به طور کلی سه معیار مهم در نمودار تنش–کرنش تست کشش تعریف می‌شود:

• استحکام تسلیم (Yield Strength): حداکثر تنشی که قبل از ایجاد تغییر شکل دائمی قابل تحمل است.
• استحکام نهایی (Ultimate Strength): بیشینه تنش اعمالی که ماده می‌تواند پیش از شروع شکست تحمل کند.
• استحکام شکست (Breaking Strength): تنشی که دقیقاً در لحظه شکست نهایی ماده اعمال شده است.

نمودار تنش-کرنش یک آزمون کشش پلیمر را نشان می‌دهد. نقطه Y تسلیم، نقطه U استحکام نهایی و نقطه B شکست است. همان‌طور که دیده می‌شود، پلیمر در ابتدا خطی و الاستیک تنش را افزایش می‌دهد، سپس پس از تسلیم، کرنش زیادی رخ داده و نهایتاً در نقطه شکست می‌شود.

از منظر کاربردی، استحکام تسلیم نشان‌دهنده بار مجاز برای شرایط کاربرد معمولی است و استحکام شکست محدودیت نهایی تحمل ماده در شرایط بحرانی را مشخص می‌کند. برای مثال، در طراحی قطعات پلاستیکی، ممکن است از نقطه تسلیم برای کارکرد عادی و از استحکام شکست برای پیش‌بینی مقاومت در شرایط بارگذاری شدید استفاده شود.

فرمول تنش کششی و واحدهای اندازه‌گیری

فرمول محاسبه تنش کششی ساده است و بر حسب فشار تعریف می‌شود: σ = F/A، که در آن σ تنش (مگاپاسکال، Pa یا PSI)، F نیروی کشش واردشده و A سطح مقطع موثر نمونه است. همچنین کرنش (ε) برابر با نسبتی از افزایش طول نمونه است: ε = ΔL/L₀ = (L – L₀)/L₀. بر این اساس واحد تنش در سیستم SI پاسکال (Pa) یا مگاپاسکال (MPa) و گیگاپاسکال (GPa) است؛ در سیستم انگلیسی از پوند بر اینچ مربع (psi) استفاده می‌شود. برای مثال، معمولا تنش کششی مواد پلاستیکی را در بازه‌های ده‌ها تا چندصد مگاپاسکال گزارش می‌کنند.

روش‌های آزمایش و استانداردها

برای اندازه‌گیری عملی استحکام کششی پلیمرها، از دستگاه‌های کشش یونیورسال (تنسایل) و نمونه‌های استاندارد استفاده می‌شود. نمونه‌‌ها معمولاً به شکل دمبل (دوبل) قالب‌گیری‌شده تهیه می‌شوند. در آزمون، نمونه توسط دو گیره دستگاه نگه داشته شده و با سرعتی ثابت کشیده می‌شود تا بالاخره پاره شود. نیروی واردشده و افزایش طول نمونه به طور همزمان ثبت شده و منحنی تنش–کرنش رسم می‌گردد. سپس نقاط تسلیم، نهایی و شکست از روی این نمودار استخراج می‌شوند.

شرکت‌ها معمولا بر اساس استانداردهای بین‌المللی کار می‌کنند. آزمون کشش پلاستیک‌ها طبق استاندارد ISO 527-1 یا ASTM D638 انجام می‌شود. این استانداردها شکل نمونه، سرعت تست، دمای محیط (معمولاً ۲۳±۲ درجه سانتی‌گراد) و رطوبت (~۵۰٪) را تعیین می‌کنند. به طور مثال در روش ISO 527 سرعت آزمون ۵ یا ۵۰ میلیمتر بر دقیقه تنظیم می‌شود. دقت در رعایت این شرایط اهمیت دارد؛ چرا که تغییر در دما یا سرعت بارگذاری، رفتار ماده را تغییر داده و نتایج نهایی را تحت تاثیر قرار می‌دهد.

نمونه‌ای از دستگاه تست کشش یونیورسال دیده می‌شود که آزمایش استحکام کششی را انجام می‌دهد. در عمل، پس از تنظیم اولیه و بستن دمبل بر روی فک‌ها، دستگاه با یک برنامه کامپیوتری، نمونه را با نرخ مشخص می‌کشد تا نقطه شکست رخ دهد.

عوامل مؤثر بر استحکام پلیمر

بسیاری از ویژگی‌های ساختاری و شرایط آزمایش می‌توانند استحکام کششی پلیمرها را تغییر دهند. مهم‌ترین عوامل عبارتند از:

• وزن مولکولی: با افزایش وزن مولکولی، زنجیره‌های بلندتر و درهم‌تنیده‌شده مقاومت را افزایش می‌دهند و استحکام پلیمر را بالا می‌برند.
• پیوند عرضی (Crosslink): پیوندهای عرضی محدودیت حرکت زنجیرها را بیشتر کرده و استحکام را افزایش می‌دهند.
• بلورینگی (کریستالی بودن): پلیمرهای تا حد بلوری بالا استحکام بیشتری دارند؛ افزایش فاز بلوری باعث قوی‌تر شدن پیوندهای بین مولکولی و سخت‌تر شدن تغییر شکل می‌شود.
• جهت‌گیری رشته‌ها: هر چقدر زنجیره‌های پلیمری یکدست‌تر و منظم‌تر جهت‌دهی شده باشند، انتقال بار بهتر انجام می‌شود و استحکام کششی بالاتر است.
• دمای آزمون: در دماهای بسیار بالا یا پایین، ماده شکننده‌تر می‌شود یا چسبندگی بین زنجیرها کاهش می‌یابد. به همین دلیل اغلب آزمون‌های استاندارد در دمای حدود ۲۳°C انجام می‌گیرند تا نتایج قابل مقایسه باشند.
• سرعت تست: افزایش سرعت کشش، مانند وارد کردن ضربه سریع، باعث کاهش قابل ملاحظه در استحکام کششی می‌شود؛ زیرا در سرعت‌های بالا فرصت تغییر ساختار پلاستیک وجود ندارد.

این عوامل نشان می‌دهند که دو نمونه پلیمری با وزن مولکولی یا فرایند متفاوت ممکن است حتی در یک گرید نام‌گذاری شده، استحکامی متفاوت داشته باشند. بنابراین کنترل شرایط آزمایش و مشخصات ماده برای مقایسه دقیق ضروری است.

کاربردهای استحکام کششی در صنعت

اطلاعات حاصل از آزمایش کشش برای مدیران فنی در طراحی و تولید پلاستیک‌ها بسیار حیاتی است. کاربردهای کلیدی عبارتند از:
– ارزیابی مواد: مقایسه استحکام کششی گریدهای مختلف برای انتخاب ماده مناسب کاربرد.
– کنترل کیفیت: اطمینان از اینکه محصول نهایی از حد مشخص‌شده پایین‌تر نیست.
– طراحی قطعات: تعیین بار مجاز و ضخامت قطعات برای جلوگیری از شکست در شرایط عملی.
– مدلسازی و شبیه‌سازی: ورودی اطلاعات برای مدل‌های پیش‌بینی رفتار سازه‌های پلیمری.
– تحلیل شکست: بررسی دلایل گسیختگی قطعات (مانند خوردگی یا شرایط بارگذاری بیشتر از حد مجاز).

به طور خلاصه، اندازه‌گیری استحکام کششی به پیش‌بینی دقیق عملکرد پلیمر در شرایط واقعی کمک می‌کند و موجب بهینه‌سازی هزینه‌ها و ایمنی محصولات می‌شود.

از دیگر مقالات ما دیدن فرمایید

راهنمای انتخاب فرآیند تزریق پلاستیک

نمونه‌هایی از استحکام کششی پلاستیک‌های رایج

در عمل، استحکام کششی پلاستیک‌ها تنوع زیادی دارد و بستگی به نوع ساختار مولکولی و فرایند تولید دارد. به عنوان مثال، پلی‌اتیلن سنگین (HDPE) به دلیل ساختار بلوری بسیار متراکم، تقریباً دو برابر پلی‌اتیلن سبک (LDPE) مقاومت دارد؛ HDPE حدود ۳۰–۴۰ مگاپاسکال و LDPE حدود ۱۰–۲۰ مگاپاسکال استحکام کششی دارد. این اختلاف، به HDPE «استحکام مخصوص» بالاتری (نسبت استحکام به چگالی) می‌دهد.

پلی‌پروپیلن معمولی نیز استحکام حدود ۱۸–۷۰ مگاپاسکال دارد و به دلیل وزن کم در کاربردهای خودرو و بسته‌بندی پرمصرف است. در مقابل، پلی‌کربنات (PC) یک پلیمر مهندسی بسیار مقاوم است که استحکام کششی ۹۰–۱۶۰ مگاپاسکال را نشان می‌دهد. جدول زیر نمونه‌ای از این مقادیر را برای برخی پلیمرهای متداول نشان می‌دهد:

HDPE (پلی‌اتیلن سنگین): ~30–40 MPa

LDPE (پلی‌اتیلن سبک): ~10–20 MPa

PP (پلی‌پروپیلن): ~18–70 MPa

PC (پلی‌کربنات): ~90–160 MPa

ABS: ~30–43 MPa

PET (پت): ~45–70 MPa

PVC: ~10–25 MPa

توجه کنید که اعداد فوق برای گریدهای معمولی و شرایط استاندارد تست ذکر شده‌اند و در گریدهای خاص یا با افزودنی‌ها ممکن است تغییر کنند. به طور کلی هرچه مقاومت کششی بالاتر باشد، ماده در برابر بارهای کششی مقاوم‌تر است و برای کاربردهای حاد مناسب‌تر است.

دیگر محصولات ما

پلی پروپیلن نساجی RG1101 (هموپلیمر)

پلی اتیلن سبک خطی 209KJ

پلی اتیلن سبک خطی 22B03

سخن پایانی

در این مقاله به نحوه سنجش استحکام کششی پلیمرها پرداختیم. دیدیم که استحکام کششی در نقطه شکست معیاری از حداکثر تنش قابل تحمل قبل از گسیختگی است و با استفاده از تست کشش و نمودار تنش–کرنش محاسبه می‌شود. پارامترهای مختلفی مانند وزن مولکولی، بلورینگی و دمای آزمون روی نتایج تاثیر دارند. همچنین اشاره کردیم که اطلاعات استحکام کششی در کنترل کیفیت، طراحی سازه و تحلیل شکست کاربرد فراوانی دارد. امیدواریم این مروری فنی به تصمیم‌گیری بهتر در انتخاب مواد پلیمری و فرایندهای تولید برای شما کمک کند.

سوالات متداول

آیا استحکام کششی بالاتر همیشه بهتر است؟
بله. پلیمرهایی که استحکام کششی بالاتری دارند، در برابر نیروهای کششی و تغییر شکل مقاومت بیشتری نشان می‌دهند. البته باید توجه داشت که ممکن است خواص دیگر مانند چقرمگی یا هزینه مواد تحت تاثیر قرار گیرد.

شرایط استاندارد برای اندازه‌گیری استحکام کششی چیست؟
بسته به استاندارد انتخاب‌شده، شرایط تست متفاوت است، اما معمولا آزمون‌ها در دمای اتاق (۲۳°C) و رطوبت کنترل‌شده (~۵۰٪) انجام می‌شوند. سرعت بارگذاری نیز بر اساس استاندارد تعیین می‌شود (برای مثال ۵۰ میلی‌متر بر دقیقه در ISO 527). رعایت دقیق این شرایط برای داشتن نتایج قابل مقایسه ضروری است.

آیا دستگاه‌های مختلفی برای تست تنسایل وجود دارد؟
بله. انواع دستگاه کشش یونیورسال تک‌ستون و دوستون در بازه‌های توان مختلف (برای نمونه ۱ تا چند تن) موجود است که بسته به مقاومت مورد انتظار ماده انتخاب می‌شود. کیفیت تجهیزات و دقت در تنظیمات نیز در صحت نتایج مهم است.

استحکام مخصوص چه مفهومی دارد؟
استحکام مخصوص (Specific Strength) نسبت استحکام کششی یک ماده به چگالی آن است. این کمیت در صنایعی مانند خودرو و هوافضا اهمیت دارد، چرا که نشان می‌دهد چگونه یک ماده سبک می‌تواند بار بالا را تحمل کند. HDPE به دلیل استحکام بالاتر نسبت به چگالی‌اش، استحکام مخصوص بیشتری نسبت به LDPE دارد.

چه زمانی از استحکام ضربه‌ای استفاده می‌شود؟
زمانی که نیاز باشد مقاومت ماده در برابر شوک‌های دینامیکی بررسی شود، از آزمون ضربه (Charpy/Izod) استفاده می‌شود. این آزمون‌ها انرژی جذب شده در اثر ضربه را اندازه می‌گیرند و برای ارزیابی رفتار ترد یا چقرمه مواد در شرایط ضربه مفیدند.