آزمون کنترل کیفیت مواد اولیه لوله پلی اتیلن
آزمون کنترل کیفیت مواد اولیه محصولات پلیمری توسط کارشناس آزمایشگاه کنترل کیفیت انجام میشود از این رو این کارشناسان باید با خواص و ساختمان پلیمرها و ارتباط آنها با فرآیند های شکل دهی و … آشنایی کامل داشته باشند تا بتوانند نتایج آزمون های انجام شده را به خوبی بررسی و تجزیه و تحلیل نمایند .
آزمون های کنترل کیفیت به دو دسته تقسیم میشوند: الف) آزمون کنترل کیفیت مواد اولیه ب) آزمون های کنترل کیفیت لولهمحصولات پلیمری تولید شده بر حسب کاربرد آنها در معرض یکسری از تنش ها قرار میگیرند که میتواند شامل تنش هایی از نوع فشاری،کششی،خمشی،پیچشی و … باشند . برای تعیین خواص مکانیکی ماده و همچنین مقایسه مواد مختلف تحت تنش مهمترین تست مورد کاربرد تست کشش است . در این آزمون نمونه را به صورت دمبلی شکل با ابعاد استاندارد در آورده و سپس از دوطرف با سرعت ثابت کشیده می شود تا آنجایی که نمونه پاره شده یا بشکند و با ثبت لحظه ایِ نیرو بر حسب تغییر طول نمونه ، خصوصیات مکانیکی مهم ماده تعیین میشود . معمولا نیرو و تغییر طول را به ابعاد اولیه نمونه تقسیم کرده و حاصل این تقسیم به ترتیب تنش نرمال ( σ ) و کرنش ( ε ) میباشند.
σ= F⁄S0 ε= ∆L⁄L0در فرمول های ذکر شده S0و L0 به ترتیب مساحت و طول اولیه هستند . با ثبت لحظه به لحظه اطلاعات دستگاه و محاسبه تنش و کرنش در هر لحظه نمودار تنش – کرنش به صورت زیر می باشد
قسمت اول نمودار تا نقطه ( σy و εy ) ناحیه الاستیک نام دارد . تا قبل از این نقطه اگر نیرو را قطع کنیم طول اضافه شده به نمونه به وسیله کشش ، به صفر میرسد و به عبارتی نمونه به شکل و اندازه اولیه خود باز میگردد . قسمت بالای نمودار یعنی از نقطه (εy و σy ) به بعد در صورت قطع کردن نیرو ، مقداری از تغییر شکل از بین نمیرود و این قسمت را منطقه پلاستیک می نامند.
مدول یانگ شیب قسمت الاستیک منحنی تنش کرنش میباشد . مدول یانگ با میزان سفتی ماده (stiffness) رابطه مستقیم دارد یعنی هرچه ماده سفت تر باشد از مدول بالاتری نیز برخوردار خواهد بود .
بیشترین مقدار تنش تحمل شده توسط ماده در نقطه شکست است . استحکام کششی با سختی (stiffness) رابطه مستقیم دارد یعنی هرچه ماده سخت تر باشد از استحکام کششی بالاتری برخوردار خواهد بود .
ماده ای که تحت تنش بدون اینکه تغییر شکل دهد دچار شکست گردد از نظر رفتاری ، رفتار شکننده (Brittle) مشابه رفتار جسم الاستیک می باشد. این مواد در اثر اعمال تنش می شکنند در حالی که مواد (Ductile)در اثر تنش پاره میشوند شکل زیر دو نوع رفتار گفته شده را برای دو نمونه پلی اتیلن و پلی استایرن در قالب نمودار های تنش – کرنش نمایش میدهد .
نمودار تنش کرنش پلی اتیلن و پلی استایرن
نمودار تنش کرنش انواع مواد
رفتار نمودار ۱و۴ نشان میدهد که دو نمونه (Brittle)هستند زیرا نقطه تسلیم از خود نشان نداده اند ولی در نمودار ۱ که سطح زیر نمودار بیشتر است نشان دهنده این است که انرژی شکست آن بیشتر است و به ماده (stiff)و به سطح زیر نمودار ماده (stiffness)میگویند . رفتار نمودار های ۲ و۳و ۵ نشان دهنده (Ductile)بودن نمونه ها است . ولی از نظر خواص دارای تفاوت هایی با یکدیگر هستند . نمودار شماره ۳ یک ماده چقرمه را (tough) را نشان میدهد و نمودار شماره ۵ یک ماده نرم (soft) میباشد . و از سطح زیر نمودار نیز دریافت میشود که انرژی پارگی مورد ۳ بیشتر از ۵ است . به سطح زیر نمودار نمونه های ۲و۳و۵ چقرمگی (toughness) نیز میگویند .بهترین رفتار ، رفتار (Ductile) با چقرمگی بالا است که پلاستیک های مهندسی از این رفتار باید پیروی کنند . نمودار ۶ نشان دهنده رفتار رابری می باشد . که این نوع رفتار از نوع (Brittle) می باشد .
درصورت سرد کردن پلیمر رفتار پلیمر را از حالت (Ductile) میتوانیم به حالت شکننده تغییر دهیم . یکی از تست های مهم که میتوان چقرمگی اجسام را سنجید ، تست مقاومت نسبت به ضربه در دماهای پایین است . برای هر پلیمر دمایی وجود دارد که در زیر آن دما پلیمر رفتاری شکننده و در بالای آن دما ماده رفتار (Ductile) از خود نشان میدهد .
به هنگام خروج لوله از اکسترودر سطح بیرونی لوله توسط جریان های خنک کننده سرد میشود به همین دلیل سطح بیرونی لوله از سطح درونی لوله زودتر خنک میشود بنابراین در سطح داخلی لوله بلورینگی بیشتری داریم و دانسیته لایه داخلی لوله بیشتر از لایه خارجی می شود. و زنجیر ها درون لایه های منظم کریستالی به صورت فشرده تر قرار میگیرند و به این ترتیب لایه داخلی تمایل به جمع شدن دارد اما لایه خارجی این اجازه را به آن نمیدهد و به همین دلیل لایه داخلی تحت تنش کششی و لایه خارجی تحت تنش فشاری قرار می گیرند (شکل۳۰) به این گونه تنش های موجود درون لوله تنش باقیمانده گفته میشود .
توزیع تنش در دیواره لوله
خمش دیواره لوله درانتهای لوله
لوله های استفاده شده برای آبیاری قطره ای در اثر فشار آب و وزن خاک تنش روی آن وارد میشود و هم اینکه در داخل آب و محیط اطراف مواد معدنی وجود دارد و علاوه بر آن ترکیب خاک ، تابش نور خورشید خصوصا اشعه ماورای بنفش به روی لوله اثر میگذارد که به کلیه این عوامل محیط مهاجم گفته میشود . ESCR یک نقیصه از نوع شکننده است . برای رفع آن باید انعطاف پذیری را زیاد کنیم به عبارتی با انتخاب مواد صحیح از میزان ناحیه کریستال کاسته و به حجم ناحیه آمورف اضافه کنیم .
در برخی موارد به مواد پلیمری پودر های جامدی مانند دوده ، کربنات کلسیوم و … اضافه میگردد که اگر این مواد به طور یکنواخت در پلیمر پخش نشوند باعث تمرکز تنش و ایجاد اثر نامطلوب میشوند.
ابتدا حدود ml۳۰ آب و ml۳۰ گلیسیرین را برداشته و بر روی هر کدام چند قطره اسید میریزیم و سپس دو ظرف دیگر گلیسیرین و آب را برداشته و چند پولک سود داخل آنها میاندازیم و به وسیله سود محیط را به محیطی قلیایی تبدیل میکنیم . در هر کدام از این ۴ ظرف که حجم یکسان دارند ، ۱ گرم نمونه مستربچ را اضافه میکنیم و به مدت ۴۸ ساعت در دمای محیط قرار میدهیم . پس از گذشت ۴۸ ساعت نباید تغییری در رنگ نمونه ایجاد شده باشد .
برای بررسی کیفیت مستربچ لوله های پلی اتیلن مقداری زایلین را حرارت داده تا به جوش آید و در این حالت یکدانه مستربچ را به زایلین درحال جوشیدن اضافه میکنیم . اگر مستربچ از مرغوبیت کافی برخوردار باشد ، باید کاملا خود را رها کند در غیر این صورت مستربچ ما مرغوبیت ندارد . برای مستربچ لوله های PP میتوانیم از حلال دکالین در دمای ۱۳۵ درجه سانتی گراد نیز استفاده کنیم .
جدول زیر مشخصات دوده را برای استفاده در لوله های پلی اتیلن نمایش میدهد .ویژگی | حد |
خاکستر | کمتر از 0.1% |
مواد قابل استخراج با تولوئن | کمتر از 0.03% |
گوگرد | کمتر از 0.1% |
اندازه ذره | کمتر از 25nm |
باقیمانده روی الک مش۳۲۵ | کمتر از 20ppm |
مقدار MFI به صورت مقدار ماده مذابی که در مدت ۱۰ دقیقه از دستگاه استاندارد و در دمای مشخص استخراج شده است تحت بار معین و درجه حرارت مشخص خارج میگردد، تعریف میشود . MFI برای تعیین میزان سهولت قالب گیری مواد پلیمری به طریق تزریق و اکستروژن مفید بوده و با وزن مولکولی پلیمر نسبت عکس دارد یعنی هرچه پلیمر دارای طول زنجیر بیشتر و جرم مولکولی بالاتر باشد به دلیل گره خوردگی بیشتر زنجیره ها دارای MFI کمتری خواهند بود . آزمایش MFI برای تشخیص گرید های مختلف یک پلیمر، کنترل کیفیت ترموپلاستیکهای دارای ویسکوزیته نسبتا پایین و طبقه بندی آنها به کار میرود . درجه حرارت و بار استاندارد برای انجام آزمایش MFI برای هر پلیمر متفاوت است . درجه حرارت آزمایش پلی اتیلن ۱۹۰ درجه سانتی گراد و برای پلی پروپیلن برابر ۲۳۰ درجه سانتی گراد میباشد . بار استاندارد برای LDPE وPP ،2.160 کیلوگرم و برای HDPE برابر ۵ کیلوگرم نیرو است . همچنین نمونه مورد استفاده میتواند به صورت یکی از انواع گرانول ، پودر ، فیلم یا قطعه ، قالب گیری شده باشد .
بر اساس استاندارد ISIRI 6980 از لوله تولید شده باید MFI تهیه شود و آنرا با مواد اولیه مقایسه کرد اضافه کردن مقدار کمی دوده در حدود ۲ دهم درصد تغییر محسوسی در میزان MFI ایجاد نخواهد کرد . در صورت وجود تفاوت زیاد در لوله و مواد انتخابی موارد زیر استنباط میگردد .
آزمون کنترل کیفیت مواد اولیه
آزمون کنترل کیفیت مواد اولیه
آزمون شاخص جریان مذاب
در تقسیم بندی جدید ، پلی الفین ها را بر اساس حداقل استحکام مورد نیاز طبقه بندی میکنیم(MRS) . در دسته بندی قبلی بر اساس دانسیته تقسیم بندی میشدند . اما معیار دانسیته نیز همچنان مفید بوده و قابل استناد میباشد . به عنوان مثال برای تعیین و مقایسه گرید های مختلف و یا تعیین میزان و درصد دوده از معیار دانسیته نیز میتوانیم استفاده کنیم .
در دانسیته های پایین (کمتر از ۰.۲ گرم بر سانتی متر مکعب ) با مشکلاتی درانتقال مواد از قیف به درون اکسترودر مواجه هستیم و انتقال مواد در طول ناحیه انتقال جامد مارپیچ خواهد شد و این امر باعث کاهش دبی جریان میشود .
آزمون دانسیته توده
تعیین دانسیته لوله
پلی الفین ها در اثر قرار گیری در معرض اشعه ماوراءبنفش و در حضور اکسیژن تخریب میشوند . به این صورت که زنجیر های پلیمری تحت یک واکنش رادیکالی تخریب شده و ساختار آنها دچار تغییراتی میشود که این تغییر ساختار باعث تغییر در خواص فیزیکی ماده میگردد و شاهد افت کیفیت چشمگیری در قطعه خواهیم بود . به همین منظور برای قطعاتی که در معرض این اشعه قرار دارند افزودنی های ضد اشعه ماوراءبنفش توسط یه فرآیند اختلاط مناسب به مواد اولیه اضافه میکنیم . “دوده” یکی از موادی است که قابلیت جذب اشعه ماوراءبنفش را داراست و یکی از دلایل استفاده آن در صنعت پلی الفین ها است .از جمله خواصی که باعث استفاده از دوده در صنعت پلی الفین ها شده است به موارد زیر میتوان اشاره نمود
در صورتی که مقدار دوده افزوده شده به قطعه کمتر از میزان مورد نیاز قطعه باشد ، قطعه ما مقاومت کافی در برابر اشعه UV را نخواهد داشت . و درصورتی که میزان دوده اضافه شده بیشتر از میزان مورد نیاز باشد ، میزان فرآیند پذیری مخلوط نهایی کاهش میابد . پس شرط لازم برای محافظت دوده از پلیمر در برابر اشعه UV به کار بردن مقدار مناسب دوده است .ذرات دوده به دلیل ساختار شیمیایی خاص خود تمایل به خوشه ای شدن دارند به همین جهت اختلاط باید به گونه ای باشد که علاوه بر خرد شدن و پخش شدن ذرات به صورت مناسب در زمینه پلیمر(پلی اتیلن)توزیع شوند تا بتواننداثر بخشی مطلوبی در محافظت کامل از پلیمر داشته باشند .
با توجه به موارد ذکر شده برای سنجش میزان مقاومت یک پلیمر نسبت به اشعه ماوراءبنفش دو مورد میزان افزودنی و چگونگی پراکنش و توزیع افزودنی را مورد سنجش قرار میدهیم . به دست آوردن میزان دوده موجود در مخلوط از دو روش پیرولیز و دانسیته قابل اندازه گیری است .
این روش مطابق استاندارد ISIRI 7175-2 برای تعیین میزان دوده در ترکیبات پلی اتیلنی میباشد که به روش وزنی پس از اینکه آزمون در محیط بی اثر ازت پیرولیز شد انجام میشود .
آزمون کنترل کیفیت مواد اولیه
شکست لوله در برابر نور خورشید
همانطور که در آزمون اندازه گیری مقدار دوده چگونگی پراکنش و توزیع دوده در مقاومت قطعه نسبت به اشعه UV بیان گردید ، ذرات دوده اگر خرد نشوند و به صورت توده ای باقی بمانند میتوانند باعث تمرکز تنش وارده به لوله شوند و این امر منجر به شکست لوله شود همچنین توزیع ذرات دوده در سرتاسر زمینه پلیمری جهت محافظت کامل از قطعه در برابر اشعه ماوراءبنفش ضروری است به همین منظور استاندارد تعریف شده برای این امر استاندار ISIRI 7175-6 است .
آزمون کنترل کیفیت مواد اولیه
بررسی پراکنش دوده
زمان پایداری اکسیداتیو ، تعیین مقاومت یک ماده در برابر اکسایش میباشد که به وسیله آنالیز حرارتی ،فاصله زمانی شروع اکسایش گرمازایی در یک ماده در درجه حرارت مشخص در محیط حضور اکسیژن تا شروع تخریب ماده توسط دستگاه DSC و استاندارد ISIRI 7186 انجام میگردد.
آزمون کنترل کیفیت مواد اولیه
آزمون پایداری حرارتی
در زمان تولید قطعات پلیمری احتمال دارد که مواد مدتی را در داخل اکسترودر باقی بمانند به همین منظور باید مواد دارای پایداری حرارتی مناسب باشند تا تخریب نشوند . موادی مانند PE و PP دارای مقاومت حرارتی پایینی هستند به همین جهت پس از سنتز افزودنی هایی برای پایداری حرارتی به آنها اضافه میشود تا در موقع فرآیند تولید با حرارت دیدن تخریب نگردند .
این آزمون برای بررسی مواد اولیه و همچنین برای بررسی کیفیت محصول نهایی نیز به کار میرود .به صورتی که اگر میزان OIT مواد اولیه پایین باشد ، مقاومت حرارتی مواد پایین بوده و نمیتوانیم آنهارا فراورش کنیم .در مورد محصول نهایی نیز اگر OIT محصول نهایی پایین باشد نشانگر این موضوع است که مواد اولیه در هنگام فراورش پایداری خودرا از دست داده اند و احتمال تخریب مواد وجود دارد . این آزمون در مواردی که نیاز است قطعه جوشکاری شود بسیار هائز اهمیت است چراکه مواد باید در دماهای بالا از لحاظ حرارتی مقاوم باشند .
تحت شرایط محیطی و تنش های مختلف بر روی قطعات از جنس پلی الفین ترک هایی ایجاد میگردد و با تسریع این ترک زایی توسط عوامل محیطی قطعه دچار نقص مکانیکی میگردد از جمله عوامل محیطی میتوان ازمحلول های حاوی صابون ، شوینده ها ، روغن ها و دیگر مواد آلی نام برد. گرچه این مواد و عوامل تاثیر شیمیایی محسوس ویا اثر حلالیت روی پلیمر نمیگذارند و توسط آن نیز جذب نمیشوند . به همین دلیل برای ایجاد ترک در نمونه حتما باید تنش مناسب و عوامل محیطی خاص موجود باشند . عوامل محیطی یاد شده ممکن است محیط های گازی ، مایع ، جامد یا نیمه جامد باشند و تنش های موثر نیز ممکن است درونی یا بیرونی یا ترکیبی از هردو باشند . تنش های درونی مانند تنش های ایجاد شده در اثر انجماد پلیمر و تنش های بیرونی نیز میتواند مانند تنش های مکانیکی باشد به همین خاطر برای به دست آوردن نتایج دقیق تر توصیه میشود که نمونه مورد آزمایش از هرگونه تنش درونی آزاد باشد که این مورد توسط گرم کاری نمونه (Annealing) صورت میپذیرد زیرا تنش های درونی قطعه پلیمری با گرم شدن قابلیت آزاد شدن دارد .
لازم به ذکر است که ایجاد ترک در اثر عوامل محیطی با ایجاد ترک در اثر وجود حلال نباید اشتباه گرفته شود . این پدیده در اصل تمایل محصولات پلیمری به شکست در برابر موادی مانند شوینده ها ، آب ، روغن و.. است که معمولا در کرنش نسبتا بالا صورت میگیرد که کاملا فیزیکی بوده و شامل تورم نمونه و … نمیشود . مواد پلی الفینی مستعد این پدیده هستند و تحت تنش و مجاورت با مواد شیمیایی ترک میخورند که این پدیده اولین بار درکابل های پوشش داده شده با پلی اتیلن مشاهده شد زیرا برای روکش دهی بهتر سیمها اغلب با مواد فعال سطحی نرم میشد که در این صورت پلی اتیلن به سرعت چندین ترک برمیداشت . مقاومت در برابر رشد ترک ناشی از تنش و عوامل محیطی از عوامل متعددی تاثیر میپذیرد که به شرح زیر میباشند.
در این آزمون براساس استاندارد ISO 2208-2 نمونه تحت یک بار کششی ثابت (کمتر از تنش تسلیم ماده) قرار میگیرد در حالی که در این شرایط نمونه در دمای مشخص و در مجاورت یک سیال ویژه قرار دارد در این آزمون تنش و زمان شکست ثبت میگردد .
آزمون خزش
دراین آزمون که بر اساس استاندارد ISO 22088-3 انجام میشود ، نمونه توسط دو عدد گیره به یک ورق با شعاع انحنای معین و توسط بار خمشی ثابتی در مجاورت یک سیال با دمای مشخص قرار میگیرد که میزان حساسیت تشکیل ترک در اثر تنش محیطی و از طریق اندازه گیری کرنش بحرانی در محل ترک های قابل رویت پس از گذشت زمان مشخص انجام میشود .
آزمون کنترل کیفیت مواد اولیه
بر اساس کلیات این روش آزمون ، آزمون دیگری با استفاده از استاندارد ASTM D1693 یا ISIRI 17175-8 جهت پلی اتیلن مدون ارائه شده است که در این آزمایش نمونه ها در راستای طولی شکاف داده شده و مدت ۱۰ دقیقه به اندازه ۱۸۰ درجه خم میشوند و به صورت U شکل در یک کانال برنجی قرار میگیرند و در سیالی مشخص با دمای معین قوطه ور میگردند سپس زمان لازم برای ترک برداشتن ۵۰ درصد نمونه ها اندازه گیری میشود . به طور کلی در این روش نوار خمیده بسته به زمان بارگذاری ، نیروی اصطهلاک تنش در طول زمان انجام آزمون کاهش مییابد .
آزمون کنترل کیفیت مواد اولیه
این آزمون که بر اساس استاندارد ISO 22088-4 یک سوراخ با قطر مشخص در درون نمونه ایجاد شده و توپ کوچکی به ابعاد بزرگتر از حفره را درون حفره جایگذاری میکنیم سپس نمونه در یک ظرف حاوی سیال ویژه با دمای معین نگهداری میشود ، پس از گذشت زمان آزمون تاثیر تنش محیطی به صورت چشمی بررسی میگردد.
باز شدن سریع گره خوردگی های زنجیر در اثر تنش القایی که به واسطه حلال به قطعه پلیمری وارد میشود یکی از روش های اثبات شده برای شرح رفتار ترک خوردگی در اثر تنش محیطی در نوک ترک (Crack Tip) میباشد.
در ابتدا ترک های ریزی (Crazing) در اثر بارگذاری بر روی سطح نمونه ویا در نوک شکاف ایجاد شده و در اثر بار این ترکچه های ایجاد شده در راستای عمود بر راستای تنش کششی رشد میکنند . این ترکچه ها شامل دسته ها و رشته های مولکولی آرایش یافته به همراه حفره های خالی ما بین آنها میباشد که سیال از طریق این حفره ها به داخل ترک نفوذ کرده و به صورت یک نرم کننده عمل میکند و به این صورت عمل باز شدن زنجیر ها را تسریع میبخشد . تسریع در بازشدن زنجیر در اثر افت موضعی دمای انتقال شیشه ای که منجر به کاهش مقاومت مولکولی در برابر اصطکاک لغزشی میشود ، صورت میگیرد در نتیجه انرژی فعال سازی مورد نیاز برای فرآیند های لغزش به شدت کاهش پیدا میکنند که در شکل زیر قابل مشاهده است .
با افزایش میزان بلورینگی پلیمر نفوذ پذیری محلول ها در داخل پلیمر سخت تر میشود به همین خاطر مقاومت در برابر تنش های محیطی افزایش پیدا میکند از سویی دیگر مشخصات و ماهیت فصل مشترک نیز تاثیر زیادی بر نفوذ سیال به داخل قطعه دارد به این صورت که در مواقعی که دانسیته مولکول های رابط بین فصل مشترک لایه ها و گویچه های کریستالی پایین باشد این مناطق در نقش نقطه ضعف قطعه عمل میکنند و سیال به راحتی در منافذ فصل مشترک نفوذ کرده که منجر به افت مقاومت در برابر تنش محیطی میگردد.
باز شدن گره خوردگی مولکول پلیمر
آزمون کنترل کیفیت مواد اولیه