آزمون سختی پلیمرها

پلیمرها از جمله مواد پرکاربرد در صنعت لاستیک سازی و تولید محصولات ترموپلاست هستند. از این رو سنجش پلیمرها در کیفیت کالاهای تولیدی می‌تواند تأثیر به‌سزایی داشته باشد. آزمون سختی پلیمر یکی از راه‌های سنجش پلیمرها از نظر میزان سختی آن‌هاست.

به طور کلی در این آزمون، مقاومت سطحی مقطع جسم پلیمری مورد نظر را با فرو کردن شی نوک تیز و میزان فرورفتگی شی در جسم می‌سنجند. آزمایش سختی پلیمرها روش‌های مختلفی دارد. در این مقاله به بررسی عوامل مؤثر بر سختی پلیمرها و انواع آزمون سنجش سختی پرداخته می‌شود. پس توصیه می‌شود مطالعه این مقاله را از دست ندهید.

آزمون سختی پلیمرها چیست؟

 یکی از مهم‌ترین و رایج‌ترین آزمون‌هایی که بر روی مواد پلیمری انجام می‌شود، آزمون سنجش سختی پلیمرهاست. در واقع منظور از آزمون سختی پلیمر‌، میزان استحکام و مقاومتی است که قطعه پلیمری در برابر فشار حاصل از ضربه‌های بیرونی از طرف سوزن مخروطی یا کروی شکل از خود نشان می‌دهد.

به عبارت دیگر، مقاومت جسم مورد نظر و عدم تغییر شکل آن در برابر اعمال نیروهای خارجی را سنجش سختی پلیمر می‌گويند. روش ثابتی در سنجش سختی وجود ندارد بنابراین آزمون سنجش سختی پلیمرها، دارای انواع مختلفی است که در همه این روش‌ها، شرایط آزمایشگاهی استانداردی برقرار است.

عوامل مؤثر بر سختی پلیمرها

قبل از بررسی انواع آزمون سختی پلیمر ابتدا لازم است که اطلاعات کافی در مورد عوامل مؤثر بر سختی پلیمرها را به دست آورید. سپس اقدام به شناخت انواع آزمون سختی پلیمرها نمایید. این عوامل بر اساس ویژگی‌های فیزیکی، داخلی و فرآیند تولید آن‌ها دسته‌بندی می‌شود. در زیر به برخی از این عوامل اشاره‌ای کوتاه شده است.

ساختار شيميايي داخلی

از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر سختی پلیمرها، نوع ساختار درونی آن‌هاست. یعنی نوع پیوندهای بین مولکولی مونومرهای تشکیل دهنده پلیمر و نیز تعداد شاخه‌ها و زنجیره‌ای که بین آن‌ها تشکیل می‌شود، همگی بر سختی پلیمر مؤثر هستند. بر همین اساس هر نوع پلیمر دارای سختی خاص خود است.

نوع مخلوط

اخيراً در جهت بهبود خواص پلیمرها از روش مخلوط کردن آن‌ها با یکدیگر و اضافه کردن مواد افزودنی دیگر استفاده می‌کنند. به عنوان‌ نمونه در آزمایشی، پلی‌اتیلن سبک و سنگین را به‌طور جداگانه مورد سنجش سختی قرار دادند سپس در آزمایشی دیگر ترکیب آن دو را به عنوان ماده تحت آزمایش سختی بررسی کردند. در نهایت به نتیجه‌های متفاوتی در مورد سختی آن‌ها رسیدند. در نتیجه جواب به‌دست آمده در آزمون سختی پلیمر، بر اساس نوع مخلوط می‌تواند تغییر کند.

درجه بلورینگی

بلوری بودن پلیمر، از دیگر عوامل مؤثر بر سختی پلیمرهاست. شکل کریستالی یا بلوری پلیمر، نشان دهنده منظم بودن ساختار مولکولی در پلیمر است. اما تا به‌حال هیچ‌گونه پلیمری یافت نشده است که کریستال کامل باشد و همیشه بخش‌هایی از پلیمر به صورت آمورف است. ازاین‌رو به جای واژه کریستال از شبه کریستال یا نیمه بلوری در مورد پلیمرها استفاده می‌شود. بین سختی پلیمر و درصد کریستالی بودن آن ارتباط مستقیم وجود دارد. یعنی هر چه پلیمر بلورینگی بیشتری داشته باشد، از درجه سختی بالاتری نیز برخوردار است.

تأثیر مواد افزودنی بر سختی پلیمرها

این مواد شامل ترکیبات شیمیایی معدنی یا آلی هستند که به منظور بهبود یک سری خواص و ویژگی‌ها، به پلیمر مورد نظر افزوده می‌شوند. انواع افزودنی‌ها شامل پرکننده‌ها، نرم کننده‌ها، مرطوب‌کننده‌ها و تقویت‌کننده‌ها است. در نتیجه با تغییر در خواص فیزیکی و شیمیایی پلیمر، درجه سختی پلیمرها نیز تغییر می‌کند. بنابراین مواد افزودنی از دیگر عوامل مؤثر بر سختی پلیمرها محسوب می‌شود.

انواع آزمون سختی پلیمر

دستگاه‌های سنجش سختی پلیمرها، بر اساس میانگین عدد سختی پلیمر شامل سه نوع دیورومتر، Brcola و Rockwell است. از دیورومتر در سنجش سختی پلاستیک‌های نرم و منعطف بیشتر استفاده می‌شود. پس می‌توان گفت نرمی و ‌منعطف بودن پلیمر، از دیگر عوامل مؤثر بر سختی پلیمرهاست. دستگاه Brcola بیشتر در آزمون سختی پلیمرهای با درجه سختی متوسط کاربرد دارد.

آزمون سختی راکول

Rockwell برای سنجش سختی در انواع پلاستیک‌، اعم از پلیمرهای نرم، خشک و سخت به کار می‌رود. در این آزمون، شی نفوذ کننده، مخروطی شکل و از جنس استیل یا الماس است. روش آزمون راکول به این صورت است که نیروی f به اندازه مشخصی در مدت زمان 10 ثانیه بر سطح مقطع جسم پلیمری وارد می‌شود.

سپس برای بار دیگر، نیروی f با اندازه مشخص دیگری در مدت زمان 15 ثانیه بر جسم وارد می‌شود. در نتیجه عدد سختی پلیمرها در آزمون سختی راکول با فرمول مشخصی بر حسب مقدار نیرو و تفاوت بین دو زمان آزمون تعیین خواهد شد. در واقع توسط این دستگاه، طیف وسیعی از پلیمرها، مورد آزمون سختی قرار می‌گیرند.

آزمون سختی Shore Durometer

یکی از رایج‌ترین روش‌های آزمون سختی پلیمر، سختی سنجی به روش شر است. در این روش سختی جسم پلاستیکی، از طریق اندازه‌گیری میزان نفوذ شی نوک تیز الماسی یا فولادی در جسم، تعیین می‌شود. به عبارتی سختی مواد پلیمری بر اساس مقدار بازگشت چکشی است که شی نوک تیز در انتهای آن قرار دارد و از یک فاصله استاندارد به صورت عمود بر سطح مقطع جسم پلاستیکی مورد نظر فرود آمده است. به همین دلیل گاهی به عنوان سختی ارتجاعی، الاستیکی و دینامیکی هم شناخته می‌شود.

از دستگاه شر برای سنجش سختی قطعات بزرگی مانند غلتک‌ها و چرخ‌دنده‌ها در مراکز بزرگ تولیدی استفاده می‌شود. این روش آزمون سختی، خود دارای دو نوع است. در Shore A ابزار نوک تیز یا سوزن به شکل یک مخروط ناقص است. در این نوع آزمون شر، زاویه شی فرو رونده 35 درجه و قطر صفحه 0.79 میلی‌متر است. این آزمون، برای پلاستیک‌های خیلی نرم مانند pvc کاربرد دارد.

در حالی که در Shore D ابزاری که جهت اعمال نیرو از آن استفاده می‌شود به شکل یک مخروط با نوک کروی شکل است. از shoreD برای آزمون سختی پلیمرهای سخت و شکننده استفاده می‌شود. با توجه به آزمون shoreD می‌توان نتیجه گرفت که شکننده بودن جسم از دیگر عوامل مؤثر بر سختی پلیمرهاست.

آزمون سختی برینل

در این آزمون برای سنجش سختی پلیمر، از یک شی کروی شکل با قطر 10 میلی‌متر از جنس استیل یا کاربید استفاده می‌شود. این شی کروی، قادر است نیرویی برابر با 3000 کیلوگرم بر جسم پلاستیکی مورد نظر وارد کند. این نیرو در آزمون سختی پلیمر نرم به 1000 تا 500 کیلوگرم کاهش می‌یابد. روش آزمون به این صورت است که به مدت 10 تا 30 ثانیه، نیرو بر جسم پلیمری وارد می‌شود سپس عدد سختی بر حسب بار وارد آمده بر جسم، قطر کره و نیز قطر دندانه ایجاد شده، با استفاده از فرمول برینل به‌دست می‌آید.

جمع بندی

سختی پلیمر به معنای میزان مقاومت و عدم تغییر شکل جسم پلاستیکی مورد نظر در برابر ضربات و فشار حاصل از نیروهای خارجی وارد شده بر سطح مقطع جسم است. عوامل مؤثر بر سختی پلیمر بر اساس ویژگی‌های درونی، بیرونی و فیزیکی آن مشخص می‌شود. از جمله این عوامل می‌توان به نوع ساختار مولکولی، میزان کریستالی بودن پلیمر، نوع مواد افزودنی و ترکیب آن‌ها اشاره کرد. آزمون سختی برینل، شر یا Shore Durometer و آزمون راکول از رایج‌ترین آزمون‌های سنجش سختی پلیمر هستند. این آزمون‌ها همگی قابل اعتماد و طبق استانداردهای بین‌الملی صورت می‌گیرند.