با افزودن ۵ الی ۱۰ درصد پلی بوتادین در زمان انجام فرایند پلیمریزاسیون و ایجاد پیوندهای شیمیایی و تشکیل باند دوگانه بوتادین با برخی از رادیکال های آزاد پلی استایرن، یک کوپلیمر و مخلوطی دو فازی حاوی ذرات پخش شده ی یک فاز در فاز دیگر تولید می گردد. محصول نهایی در پایان این فرایند، پلی استایرن با مقاومت بالا در برابر ضربه و شکنندگی پایین می باشد.
این ماده پلاستیکی به طور دقیق تر شامل خواصی چون استحکام و سختی پلی استایرن و انعطاف پذیری و جذب ضربهی پلی بوتادین است. به همین دلیل، به این دسته از پلیمرها نام پلی استایرن مقاوم در برابر ضربه (HIPS) داده شده است.
پلی استایرن مقاوم به ضربه (HIPS) محصولی چقرمه با شکنندگی پایین و استحکام ضربه ای بالاتری در مقایسه با پلی استایرن است و به دلیل پایداری بسیاری که در برابر ضربه از خود نشان می دهد، در ساخت بدنه لوازم خانگی یا انواع چاپگرهای سه بعدی مورد استفاده قرار می گیرد.
در این مقاله قصد داریم با روش اندازه گیری مقاومت HIPS در برابر ضربه و استانداردهای مربوط به آن آشنا شویم. آزمون ضربه یکی از مهمترین تستهای مکانیکی برای اندازه گیری مقاومت پلیمرها در برابر ضربه است.
از آزمون ضربه به طور کلی می توان در مواردی چون اندازه گیری مقاومت ماده در برابر ضربه، بررسی اثر دما بر مقاومت ضربه، بررسی درجه حساسیت مواد به شکاف (ناچ)، ارزیابی خصوصیات سطح مقطع شکست، انتخاب صحیح مواد در شرایط دارای تنش و دمای مشخص، تخمین و طبقه‌بندی رفتار شکست ترد و تعیین چقرمگی استفاده کرد.
آزمون های استاندارد اندازه گیری مقاومت ضربه ای در پلی استایرن مقاوم به ضربه (HIPS)
آزمون ضربه، آزمونی ساده و استاندارد برای شناسایی و اندازه گیری تمایل مواد به شکست است و اساس آن تعیین مقدار انرژی لازم جهت شکستن قطعه در اثر ضربه می‌باشد.
دستگاه آزمایش از یک پاندول تشکیل شده است که هنگام حرکت، با نمونه برخورد می کند. کمیت اصلی که در آزمون ضربه اندازه‌گیری می‌شود، انرژی جذب شده در شکست نمونه است. اختلاف ارتفاع پاندول قبل و بعد از ضربه، بیانگر انرژی جذب شده توسط نمونه است که معمولاً به شکل انرژی بر واحد سطح تعریف می‌شود
اگر مقدار این انرژی کم باشد، می توان نتیجه گرفت که ماده حساسیت بالایی نسبت به نیروهای ضربه ای دارد. اما اگر مقدار انرژی جذب شده بالا باشد، ماده نرم و شکل پذیر است و نیروی ضربه ای بیشتری را تحمل می کند و چقرمگی بالایی دارد.
مقدار انرژی به دست آمده معیاری از چقرمگی مواد محسوب می شود و از اختلاف زاویه اولیه و نهایی پاندول نیز قابل محاسبه است. در واقع چقرمگی یک ماده به مقاومت آن در برابر انتشار ترک یا توانایی آن برای جذب انرژی در تغییر شکل پلاستیک گفته می شود و بیانگر کاری است که می تواند بدون ایجاد شکست بر واحد حجم ماده انجام شود. ماده ای که چقرمگی بالایی دارد، ترکیب بهینه ای از انعطاف پذیری و استحکام را داراست.
متداول‌ترین روشهای آزمون ضربه، دو روش آیزود (Izod) و چارپی (Charpy) می‌باشند. در روش آیزود، نمونه آزمون به صورت عمودی و در روش چارپی، نمونه آزمون به صورت افقی قرار می گیرد. همچنین در آزمون آیزود، شکاف یا ناچ تثبت شده در یک پاندول گوی، مورد اصابت ضربه قرار می گیرد، در حالی که در آزمون چارپی، شکاف دور از گوی ضربه قرار می گیرد. تفاوت دیگر این است که در روش چارپی، دو نوع شکاف (U و V شکل) وجود دارد، در حالی که در روش آیزود تنها یک نوع شکاف وجود دارد.
دو آزمون آیزود و چارپی را می توان در طیف گسترده ای از مواد پلیمری پلاستیکی و کامپوزیتی اعمال کرد. به طور معمول برای اندازه گیری مقاومت پلی استایرن در برابر ضربه از آزمون آیزود استفاده می شود که در ادامه به آن پرداخته خواهد شد.
آزمون استاندارد مقاومت در برابر ضربه آیزود
همانطور که عنوان شد، آزمون مقاومت ضربه آیزود برای اندازه گیری چقرمگی و مقامت پلاستیک ها مانند پلی استایرن HIPS در برابر ضربه طبق استاندارد ملی ۶۹۸۱ و استانداردهای ISO 180 و ASTM D256 انجام می شود.
تجهیزات مورد نیاز آزمون ضربه آیزود شامل دستگاه ضربه پاندولی با تکیه گاه مناسب و میکرومتر جهت اندازه گیری ابعاد آزمونه و عمق شکاف است. نمونه ی مورد آزمایش یا همان HIPS را نیز می توان به روشهای اکستروژن، قالب گیری فشاری یا تزریق تهیه کرد. ابعاد نمونه HIPS طبق استاندارد ASTM D256 عبارتند از: طول ۶۴ میلیمتر، پهنای ۱۲.۷ و ضخامت ۳ الی ۱۲.۷ میلیمتر.
نوع شکاف نمونه نیز بهتر است از نوع V شکل باشد. نمونه های HIPS باید دارای سطوح موازی عمود بر یکدیگر و بدون پیچ و تاب باشند. سطوح و لبه‌ها باید عاری از خراش و حفره و فرورفتگی زاید باشد. نمونه‌هایی که فاقد یک یا بیش از یکی از شرایط مورد نیاز در اندازه‌گیری یا مشاهده چشمی باشند، باید مردود شناخته شده و یا قبل از شروع آزمون با اندازه و شکل مناسب مجدداً ماشین‌کاری شوند. در آزمون آیزود معمولاً از ۱۰ عدد نمونه HIPS استفاده می شود.
در این روش، ماده ی پلیمری به صورت عمودی در گیرهی نگهدارندهی نمونه قرار می گیرد. حال پاندول تا ارتفاع مشخص شده در دستگاه بالا رفته و در محل خود ثابت می شود. سپس چکش یا پاندول رها می شود تا به محل مورد نظر در نمونه برخورد نماید. ضربه آیزود به فاصله مشخصی از محل بسته شدن نمونه HIPS و در نمونه‌های شکاف‌دار، به فاصله مشخصی از مرکز شکاف به آزمونه برخورد می نماید.
مقدار انرژی جذب شده توسط نمونه HIPS در دستگاه ثبت می شود. مقاومت ضربه آیزود از تقسیم انرژی ثبت شده بر سطح موثر نمونه به دست می آید. سطح موثر نمونه، حاصل ضرب ضخامت در پهنای نمونه در حالت بدون شکاف و در حالت شکاف دار نیز حاصل ضرب ضخامت در پهنای باقیمانده پشت شکاف می باشد.