تأثیر وزن مولکولی بر رفتارهای سایشی و خراشیدگی الاستومرهای پلی یورتان ترموپلاستیک

پلی یورتان های الاستومری (PU ) نوعی از کوپلیمرهای بلوکی هستند که معمولاً از دو ماده شیمیایی شامل سگمنت های سخت و نرم تشکیل شده اند. هر بخش از الاستومرهای PU را می توان برای دستیابی به طیف وسیعی از خواص برای بسیاری از کاربردهای مختلف طراحی کرد. با این حال، برای کاربردهایی که ظاهر زیبا و یکپارچگی ساختاری سطح مدنظر است، الاستومرهای PU مقاومت ناکافی در برابر تغییر شکل سطح و آسیب هایی مانند خراش و ساییدگی دارند. رفتار خراشیدگی الاستومرهای PU اخیراً با استفاده از آزمون خراش ASTM/ISO مورد مطالعه قرار گرفته است که به طور گسترده در بررسی رفتارهای خراشیدگی پلیمرهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. نتایج نشان می‌دهد که الاستومرهای PU هنگامی که بار خراش زیاد است، ترک می خورند. استحکام کششی، پارامتر کلیدی مربوط به مقاومت الاستومرهای PU در برابر این آسیب است. پس از آن، رفتار سایشی الاستومرهای PU مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد که آسیب‌های سایشی و خراشیدگی الاستومرهای PU با همان مکانیسم شامل ترک‌خوردگی سطحی همراه با حذف مواد تعیین می‌شوند. افزایش استحکام کششی نه تنها مقاومت در برابر ترک خوردگی/حذف مواد در هنگام خراش را بهبود می بخشد، بلکه مقاومت در برابر کاهش حجم در هنگام سایش مواد ساینده را نیز بهبود می بخشد. به خوبی شناخته شده است که وزن مولکولی تأثیر قابل توجهی بر خواص کششی پلیمرها، به ویژه بر استحکام کششی دارد. مک کورمیک و همکارانش استحکام کششی هشت پلی استایرن با میانگین عددی وزن مولکولی (Mn ) در محدوده ۴۰۰۰۰ تا ۲۴۰۰۰۰ گرم بر مول را بررسی کردند. نتایج آن ها نشان داد که استحکام کششی نمونه‌ها در وزن‌های مولکولی پایین به سرعت افزایش می‌یابد، اما به تدریج در وزن‌های مولکولی بالا ثابت می شود. به طور مشابه، پرکینز و همکارانش آزمایش‌های کششی را روی یک مجموعه از پلی‌اتیلن‌های با دانسیته بالا در محدوده وزن مولکولی متوسط ​​(Mw ) از ۵۹۰۰۰ تا ۱۴۷۰۰۰ گرم بر مول انجام دادند. آن ها دریافتند که استحکام کششی نمونه ها با افزایش اولیه وزن مولکولی به صورت خطی افزایش یافته و سپس با افزایش بیشتر وزن مولکولی کاهش می یابد.

الاستومرهای پلی یورتان

به طور کلی پذیرفته شده است که چگالی درهم تنیدگی زنجیره با افزایش وزن مولکولی افزایش می‌یابد که به عنوان پیوندهای متقاطع فیزیکی برای تقویت پلیمرهای تحت کشش عمل می‌کند. با این حال، زمانی که وزن مولکولی بسیار بالا باشد، چگالی زیاد درهم‌تنیدگی‌های زنجیره و نیروهای بین مولکولی، تحرک زنجیره را کاهش می‌دهد و چینش مجدد زنجیره‌های مولکولی را برای کاهش تنش اعمال شده محدود می‌نماید. در نتیجه، تأثیر وزن مولکولی بر استحکام کششی به طور کلی در وزن‌های مولکولی پایین قابل توجه بوده، اما زمانی که وزن مولکولی بالا باشد، اهمیت کمتری پیدا می‌کند. پیش‌بینی می‌شود که وزن مولکولی الاستومرهای PU نیز بر استحکام کششی و در نتیجه مقاومت در برابر خراش و سایش ساینده تأثیر بگذارد. تحقیقات محدودی در مورد اثر وزن مولکولی بر استحکام کششی الاستومرهای PU انجام شده است. Schollenberger و Dinbergs استحکام کششی یک سری الاستومرهای پلی یورتان ترموپلاستیک (TPU ) را در محدوده وزن مولکولی از ۴۷۹۰۰ تا ۳۶۶۸۰۰ گرم در مول اندازه گیری کردند. نتایج آن ها همان روند را با یافته های فوق در سایر پلیمرها نشان داد. استحکام کششی TPU با افزایش وزن مولکولی تا یک مقدار محدود افزایش یافته و سپس به تدریج کاهش می یابد. بسیاری از مطالعات دیگر در گذشته فقط بر روی تأثیر وزن مولکولی سگمنت نرم بر استحکام کششی متمرکز بودند. به عنوان مثال، Zdrahala و همکارانش، نمونه‌های TPU را با تغییرات گسترده در وزن مولکولی سگمنت نرم مورد مطالعه قرار دادند. جالب توجه است، آن ها دریافتند که افزایش وزن مولکولی سگمنت نرم تأثیر مشابهی با افزایش وزن مولکولی نهایی PU بر استحکام کششی دارد. استحکام کششی نمونه‌های TPU آن ها با افزایش اولیه وزن مولکولی سگمنت نرم افزایش یافته و سپس با افزایش بیشتر کاهش می یابد. آن ها این پدیده را به تغییرات مورفولوژی نسبت دادند، زیرا تحقیقات نشان داده است که افزایش وزن مولکولی سگمنت نرم باعث افزایش جدایی فازی بین سگمنت های سخت و نرم می گردد. درجه بالاتر جدایی فازی با افزایش استحکام کششی همراه بوده، اما این سیستم ممکن است مرزهای فاز واضحی را نشان دهد که منجر به تمرکز تنش و کاهش استحکام کششی می گردد. تا به امروز، اثر وزن مولکولی بر استحکام کششی سیستم‌های TPU که دارای وزن‌های مولکولی متفاوت اما با یک نوع و نسبت سگمنت های سخت و نرم هستند، بررسی نشده است و باید مورد بررسی قرار گیرد. علاوه بر این، مطالعات متعددی نشان داده اند که وزن مولکولی انواع دیگر پلیمرها ممکن است بر مقاومت آن ها در برابر خراش و سایش تأثیر بگذارد.

بارهای نرمال در شروع ترک/حذف مواد نمونه های TPU.
شکل۱: بارهای نرمال در شروع ترک/حذف مواد نمونه های TPU

در این مقاله اثر وزن مولکولی بر رفتارهای خراشیدگی و سایشی سه نمونه TPU مورد بررسی قرار می گیرد. در محدوده وزن‌های مولکولی بررسی شده، مشخص میشود که تغییر وزن مولکولی تأثیر قابل‌توجهی بر استحکام کششی نمونه‌های TPU دارد. در نتیجه، عملکرد خراشیدگی و سایشی نمونه های TPU نیز به طور قابل توجهی تحت تاثیر قرار می گیرد.

  •  افزایش وزن مولکولی استحکام کششی TPU را بهبود می بخشد.
  •  تغییر در وزن مولکولی کمترین تأثیر را بر مورفولوژی TPU دارد.
  •  افزایش وزن مولکولی مقاومت TPU را در برابر شروع ترک خوردگی/حذف مواد و کاهش حجم سایش مواد ساینده بهبود می بخشد.

رفتار خراشیدگی:

بارهای عادی در شروع ترک خوردگی/حذف مواد نمونه های TPU در شکل ۱ نشان داده شده است. همه نمونه ها شروع واضحی از ترک خوردگی را نشان می دهند. پس از نقطه شروع، همه آن ها نوع مشابهی از تشکیل ترک سهموی پیوسته را در طول مسیر خراش با مواد حذف شده از مرکز ترک نشان می دهند. نمونه با وزن مولکولی بالاتر، بار شروع بالاتری را نشان می دهد، که نشان دهنده مقاومت بهتر در برابر خراشیدگی است. هنگام خراش، نوک خراش به سطح نمونه ساییده شده و با افزایش بار معمولی از داخل نمونه نفوذ می کند و باعث ایجاد تنش کششی بالا، تقریباً موازی با جهت خراش در پشت نوک خراش می شود. با افزایش بیشتر بار نرمال، تنش کششی از استحکام کششی نمونه فراتر رفته و منجر به ترک خوردگی/حذف مواد روی شیار خراش می گردد. استحکام کششی بالاتر برای مقاومت بهتر پلیمرها در برابر خراشیدگی ضروری است.

حجم سایش ساینده نمونه های TPU
شکل ۲: حجم سایش ساینده نمونه های TPU

رفتار سایش:

خراش را می توان به صورت لغزش منفرد یک جسم سخت بر روی سطح نمونه در نظر گرفت، در حالی که سایش معمولاً شامل چند گذر از چند ماده سخت بر روی همان سطح نمونه است. همانطور که قبلا ذکر شد، تحقیقاتی برای ارتباط مقاومت خراشیدگی با عملکرد سایشی الاستومرهای PU انجام شده است. مشخص شده اَست که آسیب های خراشیدگی و سایشی الاستومرهای PU شامل ترک خوردن همراه با حذف مواد روی سطح نمونه است. یک الاستومر PU با استحکام کششی بالاتر، هم در برابر شروع ترک خوردگی/حذف مواد و هم از دست دادن حجم سایش ساینده مقاومت بهتری نشان می دهد. کاهش حجم سایشی نمونه‌های TPU در شکل۲ نشان داده شده است. همانطور که انتظار می‌رود، در محدوده وزن‌های مولکولی مورد بررسی، نمونه با وزن مولکولی بالاتر و مقاومت کششی بالاتر نه تنها شروع ترک خوردگی و حذف مواد را دیرتر نشان می دهد، بلکه حجم سایش کمتری را نیز نشان می دهد. به نظر می رسد تفاوت در حجم سایش مواد ساینده در بین نمونه ها بیشتر از تفاوت در بارهای شروع خراشیدگی است. همه نمونه‌ها، سطح سایش مشابهی را نشان می‌دهند که نشان‌دهنده آسیب سایش در نمونه‌ها با مکانیزم یکسان است. مواد در طول آزمایش سایش به دلیل وجود ناهمواری‌های ریز متعدد روی سطح از سطح نمونه جدا می‌شوند. الگوی موج موازی روی سطح سایش که عمود بر جهت لغزش است، معمولاً برای پلیمرهایی که با آزمایش سایش رفت و برگشتی بررسی می‌شوند، مشاهده می‌شود که نتیجه تجمع تغییر شکل پلاستیک در طول رفت و برگشت می باشد.

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *