قبل از ذوب شدن مواظب تغییر حالت مکانیکی پلیمرها باشید!

پلیمر آمورف و تغییر حالت فیزیکی

یکی دیگر از خصوصیت پلیمرها این است که پلیمرها مواد ویسکوالاستیک هستند. بنابراین رفتار دوگانه دارند.
یک فنر را در نظر بگیرید نمونه کامل مواد الاستیک است. اگر به فنر نیرو وارد کنید تمام نیروی اعمال شده را در خود ذخیره و بعد از برطرف شدن نیرو انرژی را برمی گرداند.
در مقابل مواد ویسکوز مانند آب انرژی صرف شده را صرف تغییر شکل می کنند و هرگز برنمی گردانند.
اگر یک وزنه در آب قراردهید سبب انباشته شدن انرژی پتانسیل در آن می شود.
 
حالا در نظر بگیرید که زمانی که یخ را حرارت می دهیم گرمای دریافت شده , باعث تغییر حالت آن می شود . به عبارتی پدیده ذوب در مواد کوچک مولکول شناخته شده است.
در مقابل وقتی پلیمر آمورف حرارت می بینند انتقال از حالت شیشه ای به حالت لاستیکی انجام می شود.
فرض کنید که یک پلیمر آمورف را با سرعت کم یک درجه بر سانتی گراد حرارت می دهیم و تغییر مهمی در خواص مکانیکی پلیمرمی توان مشاهده کرد.
یکی از این تغییرات مدول یانگ است. مثالی که برای این پلیمرها می توان ذکر کرد.
پلی استایرن که برای ساخت برخی ظروف یکبارمصرف و خط کش های پلاستیکی شفاف بکار می رود.
یا مثال دیگر پلی متیل متاکریلات یا طلق مصنوعی را می توان نام برد. این مواد ابتدا در ناحیه شیشه ای قرار دارند و مدول یانگ آنها ده به توان ده مگاپاسکال است.
در ناحیه شیشه ای مولکول پلیمر تنها حرکت درجا و مقدار بسیار محدودی حرکت های چرخشی حول پیوندهای شیمیایی دارند.

وقتی پلیمر حرارت داده می شود و به دمای انتقال شیشه ای می رسد. یکباره مدول یانگ هزار برابر کاسته می شود. در این ناحیه پلیمر شبیه چرم بوده و اندکی تغییر حرارت موجب می شود تا تغییرات زیادی در سفتی و نرمی آن پدید آید.از نظر فیزیکی Tg محدوده دمایی است که در آن حرکت زنجیره پلیمری از حالت محدود به حالت گسترده در می آید. در زیرTg  بین یک تا چهار اتم از زنجیر پلیمر همراه هم حرکت می کنند,در صورتی که در حدودTg  بین ده تا پنجاه اتم از زنجیر پلیمر همراه یکدیگر به حرکت در می آیند.
پس از آن وارد لاستیکی می گردد.در این ناحیه مدول یانگ ثابت است.در این ناحیه پلیمر حالت لاستیکی مانند داشته و اگر کشیده شود افزایش طول یافته و دوباره به حالت اولیه برمی گردد.
اگر پلیمر مورد نظر فاقد اتصالات عرضی باشد,مدول در این ناحیه لاستیکی به آرامی همراه با افزایش دما کاهش می یابد.
اگر پلیمر مورد آزمایش دارای پیوند عرضی باشد, مقدار مدول یانگ با افزایش دما کاهش چندانی نمی یابد.
برای پلیمرهای آمورف خطی,هنگامی که منطقه لاستیکی پایان یافت,منطقه روانش لاستیکی شروع می شود.
در این ناحیه پلیمر هم خاصیت لاستیکی داشته و هم در عین حال روان می شود.درست مانند تکه آدامس جویده شده که هم حالت لاستیکی دارد و هم در صورت کشیده شدن روان می شود.
پس از این ناحیه وارد ناحیه ذوب شدن می گردد و مانند سیال عمل می کند.در این ناحیه انرژی حرکتی قابل توجهی در زنجیرهای پلیمر وجود دارد و در واقع ذوب می گردد .بنابراین درجه حرارت ذوب پلیمر همیشه از دمای انتقال شیشه ای آن بیشتر است.

 نتیجه گیری:

نکته مهم این مقاله این است که برخی پلیمرها خصوصا پلیمر آمورف و نیمه بلوری ها قبل از رسیدن به دمای ذوب تغییر حالت فیزیکی می هند.برای مثال دمای انتقال شیشه ای پلی کربنات ۱۴۵ درجه سانتی گراد است ولی دمای ذوب آن ۲۵۰-۲۶۰ درجه می باشد.
دمای ذوب پلی وینیل کلراید ۱۶۰ درجه ساتی گراد است ولی انتقال شیشه ای ۸۵ درجه است.
دمای ذوب پلی استایرن ۲۴۰ درجه سانتی گراد است ولی دمای Tg آن ۱۰۰ درجه سانتی گراد است.
بنابراین دمای کارکرد قطعات ساخته شده از این مواد پلیمر آمورف و نیمه بلوری باید قبل از دمای شیشه ای باشد نه دمای ذوب . چون همانطور که قبلا اشاره شد در دمای Tg خواص مکانیکی مثل مدول یانگ ۱۰۰۰ مرتبه افت می کند .

منبع:کتاب خواص فیزیکی و مکانیکی پلیمرها