آزمون‌های فیزیکی و مکانیکی پلیمرها: ارزیابی عملکرد و کیفیت
کنترل کیفیت و پیش‌بینی رفتار مواد پلیمری در شرایط مختلف کاربردی، نیازمند انجام مجموعه‌ای از آزمون‌های استاندارد است. این آزمون‌ها به مهندسان و طراحان کمک می‌کند تا مناسب‌ترین ماده را برای تولید محصول نهایی انتخاب کنند. در این مقاله به بررسی مهم‌ترین آزمون‌های فیزیکی و مکانیکی پلیمرها از جمله سختی (Hardness)، شاخص جریان مذاب (MFI)، خزش (Creep)، مقاومت ضربه (Impact) و تست شعله (Flame Test) می‌پردازیم.
۱. آزمون سختی (Hardness Test)
سختی، معیاری از مقاومت ماده در برابر فرورونده‌ای (indenter) تحت فشار است. این آزمون سریع، آسان و غیرمخرب بوده و برای کنترل کیفیت روزانه بسیار مناسب است.
روش‌های متداول:
- روکول (Rockwell): بر اساس عمق فرورفتگی اندازه‌گیری می‌شود. مقیاس‌های مختلفی (مانند R, L, M) برای مواد نرم تا سخت وجود دارد.
- شور (Shore) یا دوrometer: پرکاربردترین روش برای لاستیک‌ها و ترموپلاستیک‌های نرم. مقیاس Shore A برای مواد نرمتر (مانند TPE) و Shore D برای مواد سخت‌تر (مانند PVC سخت) استفاده می‌شود.
- برینل (Brinell) و ویکرز (Vickers): معمولاً برای مواد بسیار سخت یا کامپوزیت‌ها به کار می‌روند.
کاربرد: انتخاب ماده برای قطعات در معرض سایش، مانند چرخ‌دنده‌ها، کفپوش‌ها و دسته ابزار.
۲. شاخص جریان مذاب (Melt Flow Index – MFI) یا شاخص ذوب (MFR)
MFI یک آزمون رئولوژیکی ساده است که ویسکوزیته (گرانروی) پلیمر در حالت مذاب را اندازه‌گیری می‌کند. این آزمون نشان می‌دهد که یک پلیمر تحت فشار و دمای استاندارد چقدر راحت جریان می‌یابد.
روش انجام آزمون:
مقدار مشخصی از گرانول پلیمر درون دستگاه (کاپیلاری رئومتر) قرار گرفته و ذوب می‌شود. سپس وزنه‌ای استاندارد به آن اعمال شده و مقدار مواد خارج شده از یک دهانه کاپیلاری در مدت زمان ۱۰ دقیقه (بر حسب گرم/۱۰ دقیقه) اندازه‌گیری می‌شود.
تفسیر نتایج:
- MFI بالا: نشان‌دهنده وزن مولکولی پایین‌تر و ویسکوزیته کم. پردازش آسان‌تر (مثلاً در قالب‌گیری تزریقی) اما استحکام مکانیکی معمولاً پایین‌تر.
- MFI پایین: نشان‌دهنده وزن مولکولی بالاتر و ویسکوزیته زیاد. استحکام مکانیکی بهتر اما پردازش سخت‌تر (مناسب برای اکستروژن).
کاربرد: کنترل کیفیت دسته‌بندی پلیمرها، پیش‌بینی رفتار پردازش و یکنواختی بارهای مختلف.
۳. آزمون خزش (Creep Test)
خزش، تغییر شکل تدریجی و دائم یک ماده تحت بار مکانیکی ثابت و در دمای معین (معمولاً زیر دمای انتقال شیشه‌ای) در طول زمان است. این آزمون برای پیش‌بینی رفتار بلندمدت مواد در بارهای مداوم حیاتی است.
روش انجام آزمون:
نمونه تحت یک تنش ثابت (کششی، فشاری یا خمشی) قرار گرفته و تغییر شکل آن در مقابل زمان ثبت می‌گردد. منحنی خزش معمولاً سه ناحیه دارد: خزش اولیه، خزش ثانویه (پایدار) و خزش ثالثیه (منجر به گسیختگی).
کاربرد: طراحی قطعات تحمل‌کننده بار در بلندمدت مانند لوله‌های تحت فشار، اتصالات و قطعات خودرو.
۴. آزمون مقاومت ضربه (Impact Test)
این آزمون، توانایی ماده در جذب انرژی یک ضربه ناگهانی را اندازه‌گیری می‌کند و معیاری از چقرمگی (Toughness) ماده است.
روش‌های متداول:
- آزمون شارپی (Charpy) و ایزود (Izod): رایج‌ترین روش‌ها. یک پاندول از ارتفاع مشخصی رها شده و به نمونه نهched (دارای شکاف) برخورد می‌کند. انرژی جذب شده توسط ماده (بر حسب kJ/m²) از روی اختلاف ارتفاع پاندول قبل و بعد از ضربه محاسبه می‌شود.
- آزمون ضربه با دمای متغیر: برای تعیین دمای transition ترد به نرم (Ductile to Brittle Transition Temperature) انجام می‌شود.
کاربرد: ارزیابی رفتار مواد در شرایط بارگذاری دینامیکی، مانند سپر خودرو، محفظه ابزار برقی و کفش ایمنی.
۵. آزمون مقاومت در برابر شعله (Flame Test)
این آزمون‌ها رفتار ماده در برابر آتش را ارزیابی می‌کنند و برای کاربردهای دارای ملاحظات ایمنی ضروری هستند.
استانداردهای متداول:
- UL94 (تست اشتعال‌پذیری مواد پلاستیکی): معروف‌ترین استاندارد که سطوح مختلفی دارد:
- HB: اشتعال‌پذیری افقی (کمترین مقاومت).
- V-2, V-1, V-0: اشتعال‌پذیری عمودی (V-0 بالاترین مقاومت).
- 5VB, 5VA: مقاومت در برابر شعله با انرژی بالاتر.
- محدود کردن اکسیژن (Limiting Oxygen Index – LOI): حداقل درصد اکسیژن در محیط که برای ادامه سوختن ماده لازم است. هرچه LOI بالاتر باشد، ماده خودخاموش‌کننده‌تر است (مثلاً LOI بالای ۲۶-۲۸%).
کاربرد: انتخاب مواد برای قطعات الکترونیکی، بدنه دستگاه‌ها، قطعات خودرو و ساختمان‌سازی.
۶. سایر آزمون‌های مهم فیزیکی و مکانیکی
- کششی (Tensile): اندازه‌گیری استحکام کششی، ازدیاد طول و مدول یانگ.
- خمشی (Flexural): اندازه‌گیری استحکام و مدول خمشی.
- فشاری (Compressive): اندازه‌گیری استحکام فشاری.
- HDT (دمای تغییر شکل تحت بار): دمایی که در آن نمونه تحت بار مشخصی تغییر شکل معینی می‌دهد.
جمع‌بندی نهایی
انجام این آزمون‌ها نه تنها برای کنترل کیفیت، بلکه برای انتخاب ماده صحیح، طراحی بهینه قطعه و پیش‌بینی عمر مفید محصول ضروری است. نتایج این تست‌ها به مهندسان این امکان را می‌دهد که بین خواص مختلف (مانند استحکام در مقابل چقرمگی، یا سهولت پردازش در مقابل عملکرد بلندمدت) تعادل برقرار کرده و محصولی ایمن، بادوام و مقرون‌به‌صرفه تولید کنند.