مقدمة
مطاط الأكريلونيتريل بيوتاديين (NBR، الشكل الهيكلي في الشكل 1) هو بوليمر مشترك ينتج عن بلمرة الأكريلونيتريل ومونومرات البيوتاديين. والعملية الرئيسية المستخدمة في تصنيع هذا المطاط هي البلمرة بالمستحلب في درجات حرارة منخفضة [1]. وعادةً ما يتراوح محتوى الأكريلونيتريل في البوليمرات المشتركة بين 18 و50 مولارًا في المائة [1]. تُظهر NBRs عمومًا مقاومة جيدة للمذيبات غير القطبية، ومقاومة عالية للتآكل، وعدم نفاذية الغازات ومقاومة جيدة لدرجات الحرارة. ونتيجة لذلك، يتم استخدامها على نطاق واسع في تصنيع العديد من المنتجات المطاطية المقاومة للزيت، مثل المنافيخ والحشيات وغيرها من الأختام والقفازات المطاطية والنعال المقاومة للزيوت وبطانيات الطباعة وغيرها، وأصبحت مادة مرنة لا غنى عنها في صناعة السيارات والطيران والبترول والتعبئة والتغليف والأغذية والطباعة وغيرها من الصناعات [2].
تتعرض بعض منتجات NBR لإجهاد مستمر ودرجات حرارة مرتفعة أثناء الخدمة. ولذلك، فإن معرفة مجموعة الاسترخاء والتشوه - سواءً مجموعة الشد أو مجموعة الضغط - مهمة للعميل أثناء تصميم المنتج. عندما يتم استخدام مادة ما تحت إجهاد ثابت، قد تصبح استجابة المادة غير قابلة للانعكاس في ظل نطاقات زمنية أطول و/أو درجات حرارة أعلى. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تشوه غير صفري ودائم للمادة بعد إزالة الإجهاد. هذا الجزء غير القابل للانعكاس هو عامل مهم في تحديد قابلية تطبيق بعض المواد المطاطية. وهناك العديد من المعايير الدولية والمعايير الصينية لاختبار خصائص مجموعة الاسترخاء والتشوه ذات الصلة للمطاط الصناعي مثل ASTM D395 وGB/T 7759.1 وGB/T 7759.2 وGB/T 1683.
ومع ذلك، يمكن أيضًا الحصول على معلومات عن أداء المادة لهذه الخواص باستخدام NETZSCH DMA 303 Eplexor® من خلال محاكاة سلوك المادة في ظل الظروف ذات الصلة بالتطبيق.
قياسات مجموعة الاسترخاء والضغط علىNBR كما استُلمت وبعد المعالجة بالفلكنة
تم قياس عينتين مختلفتين من NBR في وضع الضغط باستخدام DMA 303 Eplexor®® باستخدام حامل عينة الضغط الفولاذي المناسب وقضيب الدفع، كما هو موضح في الشكل 2. إحداهما عينة من NBR كما تم استلامها وخضعت لعملية فلكنة أولية عند 170 درجة مئوية في هواء ساكن، والأخرى عينة NBR بعد المعالجة بالحرارة عند 170 درجة مئوية لمدة ساعتين في فرن في هواء ساكن. بلغ قطر العينات 5.18 مم و5.22 مم لعينات NBR كما تم استلامها وعينات NBR بعد المعالجة بالحرارة على التوالي. تم تحديد ارتفاع العينة من خلال خاصية الكشف التلقائي عن الطول لجهاز DMA 303 Eplexor®.
تم إجراء التجربة باستخدام الإجراء التالي المكون من ستة أجزاء:
- تم تطبيق قوة ثابتة مقدارها 0.05 نيوتن لضمان التلامس مع العينة أثناء التثبيت المتساوي الحرارة عند درجة حرارة 25 درجة مئوية لمدة 5 دقائق. في نهاية المقطع، تم قياس السُمك الأولي، L0.
- ثم رُفِعَت درجة الحرارة إلى 100 درجة مئوية بمعدل تسخين 10 كلفن في الدقيقة 1.
- لتثبيت درجة الحرارة والسماح للعينة بأكملها بالتساويlibrate عند 100 درجة مئوية، تم الاحتفاظ بدرجة الحرارة لمدة 5 دقائق قبل الخطوة التالية.
- تم تطبيق إجهاد ثابت مستهدف بنسبة 25% بناءً على الطول المقاس في نهاية الجزء السابق. تم الاحتفاظ بالإجهاد ثابتًا عند درجة الحرارة هذه لمدة 60 دقيقة، ولوحظ تضاؤل القوة ومعامل الاسترخاء كدالة للوقت خلال القطعة.
- خُفِّضت القوة المطبقة إلى 0.05 نيوتن السابقة ثم بُرِّدت مرة أخرى إلى 25 درجة مئوية عند 10 كلفن دقيقة-1.
- وظلت درجة الحرارة ثابتة عند 25 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة لتثبيت درجة الحرارة والسماح للعينة بالتساوي الكاملlibrate عند درجة الحرارة المحددة. في نهاية المقطع، تم قياس طول العينة، L1، مرة أخرى وتم تحديد الإجهاد المتبقي غير القابل للانعكاس، ε = (L1 - L0)/L0.
تجريبي
طول العينة المقاس في نهاية القطعة الأولى هو L0 = 7.722 مم. بعد تطبيق إجهاد استاتيكي قدره -25% في بداية الجزء المتساوي الحرارة عند درجة حرارة 100 درجة مئوية، تنخفض القوة الاستاتيكية من قيمتها القصوى البالغة 24.97 نيوتن إلى 20.41 نيوتن بعد ساعة واحدة. وفي المقابل، ينخفض معامل الاسترخاء من 4.77 ميجا باسكال إلى 3.87 ميجا باسكال. في نهاية القياس، يبلغ طول العينة L1 = 7.464 مم. هذا يتوافق مع إجهاد متبقي ε = -3.34 % بعد ساعة واحدة.
بالنسبة إلى عينة NBR بعد المعالجة بالحرارة بعد التسخين، تم قياس طول L0 = 7.638 مم قبل بدء جزء التسخين. يتطلب الإجهاد الساكن بنسبة -25% قوة أولية مقدارها 21.41 نيوتن تنخفض إلى 17.10 نيوتن بعد ساعة واحدة عند درجة حرارة 100 درجة مئوية. يتناقص معامل الاسترخاء من قيمة أولية تبلغ 4.06 ميجا باسكال إلى 3.19 ميجا باسكال خلال الجزء المتساوي الحرارة. في نهاية التجربة، تم قياس طول العينة L1 = 7.509 مم. وبالتالي، كان الإجهاد المتبقي المحسوب في هذه الحالة ε = -1.69%.
نتائج القياس
بينما لا تزال تُظهر عينة NBR كما تم استلامها سلالة متبقية تبلغ -3.34%، بينما تُظهر عينة NBR بعد المعالجة بالكبريت فقط قيمة -1.69%. يُظهر هذا تأثيرًا جذريًا للمعالجة بعد المعالجة بالكبريت على NBR، وهو ما يبرزه انخفاض الإجهاد المتبقي بنسبة 50.6% تقريبًا مقارنةً بالحالة التي تم استلامها. من وجهة نظر البنية المجهرية، يمكن تفسير الفرق في الإجهاد المتبقي من خلال ارتفاع درجة الارتباط الكيميائي بين الجزيئات لسلاسل البوليمر في عينة NBR بعد المعالجة بالكبريت. ونتيجة لذلك، تنخفض حركتها وقدرتها على الخضوع لتغيرات تكوينية في درجات الحرارة المرتفعة و/أو في ظل نطاقات زمنية أطول بشكل كبير. نظرًا لأن التدفق اللزج غير القابل للانعكاس يتطلب حركة سلاسل البوليمر الرئيسية إلى تكوينات جديدة غير قابلة للانعكاس، فإن زيادة درجة الارتباط الكيميائي المتقاطع تقلل من احتمالات حدوث تغييرات تكوينية أثناء تشوه العينة. تنعكس التغيرات المجهرية غير القابلة للانعكاس في البنية المجهرية على النطاق العياني من خلال انخفاض القوة خلال مقطع الاسترخاء المتساوي الحرارة كما هو موضح في الشكلين 3 و4.
بالنسبة لمصممي المنتجات، تتمثل ميزة ما بعد فلكنة اللدائن في أنه يمكنهم توقع حدوث تغيرات فيزيائية وكيميائية أقل داخل منتجهم أثناء الخدمة، مثل الإجهاد المتبقي الموضح هنا. وهذا يسمح لهم بتكييف منتجهم النهائي بشكل أوثق مع استخدام المادة.
الخاتمة
بالإضافة إلى ذلك، ومقارنةً بتجارب مجموعة الاسترخاء والضغط التي يتم إجراؤها وفقًا للعديد من المعايير الدولية، يسمح التحليل الميكانيكي الديناميكي أيضًا بملاحظة انخفاض القوة في الموقع أثناء الإجهاد الثابت. وهذا يمكن أن يزود مصمم المنتج بمعلومات إضافية حول سلوك مادته أثناء الخدمة.