در بسیاری از موارد در پلاستیک ها برخلاف لاستیک ها، محصول نباید به راحتی کشیده یا دفرمه شود. برای دانستن این که مواد در مقابل تغییر شکل چقدر از خودشان مقاومت نشان می دهند، کمیتی در آنها اندازه گیری می شود که به آن مدول می گویند.
مدول به طور کلی مقاومت ماده یا محصول در برابر تغییر شکل و دفرمه شدن است. مدول در پلیمرها و پلاستیک ها انواع مختلفی دارد که شامل مدول کششی، مدول پیچشی، مدول برشی و مدول خمشی می شوند.
در این مقاله با مدول خمشی و روش اندازه گیری آن در پلی استایرن مقاوم به ضربه (HIPS) طبق استاندارد خواهیم شد.
مدول خمشی
استحکام خمشی که به آن مدول شکست، مدول پارگی و الاستیسیته نیز گفته می شود، یک ویژگی ماده است و بیانگر حداکثر مقدار تنش فشاری یا کششی است که ماده ی تحت آزمایش در آزمون خمش قبل از شکست می‌تواند تحمل کند.
به بیان دیگر، مقاومت خمشی نشانگر بالاترین مقدار تنش قابل تحمل توسط ماده قبل از نقطه تسلیم یا شکست و به لحاظ ریاضیاتی، شیب منحنی تنش – کرنش است که با واحد نیرو بر سطح نیز (نیوتن بر میلی متر مربع) اندازه گیری می شود.
مدول مواد پلاستیک همچون پلی استایرن مقاوم به ضربه (HIPS)، با توجه به تأثیر در خواص مکانیکی در انتخاب صحیح مواد و نیز به منظور طراحی محصولات برای کاربری های گوناگون بسیار مهم است و آگاهی از آن می تواند فرایند تولید ماده را از لحاظ اقصادی بهینه و مقرون به صرفه کند.
پارامترهای تأثیرگذار بر مدول خمشی
مدول خمشی در یک ماده به شدت تحت تأثیر انرژی های اتصال دهنده ی اتم های آن ماده می باشد. هر چه این نیرو ها قوی تر باشند، مدول خمشی یا الاستیسیته ی ماده نیز بالاتر بوده و درنهایت نیز باعث افزایش نقطه ذوب مواد می شود.
اگر دمای ماده را افزایش دهیم، حرکت مولکول های آن افزایش خواهند یافت و افزایش این حرکات منجر به کاهش انرژی مورد نیاز برای جداکردن مولکول ها از یکدیگر می شود و در نتیجه مقدار مدول خمشی ماده کاهش پیدا می کند.
آزمون استاندارد اندازه گیری مدول خمشی
آزمون استاندارد مدول خمشی (الاستیسیته) به طور کلی میزان مقاومت نمونه در برابر تغییر شکل در حالت خمشی را مورد ارزیابی قرار می دهد و به طور معمول برای نمونه هایی که به شکل میله (با مقطع عرضی به شکل دایره) یا مستطیلی هستند، قابل اجرا است. در این آزمون تقریباً تمام جزئیات مقاومتی نمونه در برابر نیروهای خمشی ارزیابی شود.
آزمون خمش به دو شیوه ی سه نقطه ای و چهار نقطه ای توسط توسط دستگاه تست کشش انجام می گیرد که متداول ترین نوع آن برای نمونه های HIPS، آزمون سه نقطه ای است. در این آزمون، نرم افزار دستگاه مقدار نیروی اعمالی و میزان خم شدن نمونه HIPS را در یک نمودار رسم می کند که در آن محور عمودی معرف نیروی تنشی و محور افقی نشان دهنده ی میزان خم شدگی یا همان کرنش است.
روش این آزمون مطابق با استاندارد ISO 178 وASTM D790 انجام می شود. برای انجام آزمون، ابتدا باید نمونه را با ماشین کاری و برش از محصول و یا قالب گیری تزریقی آماده کرد. طول نمونه مستطیلی شکل باید ۲۰ برابر ضخامت باشد و عرض آن بسته به مقدار ضخامت متغیر است. برای مثال اگر ضخامت نمونه بین ۱ تا ۳ میلی متر باشد، عرض آن باید برابر ۲۵ میلی متر و اگر ضخامت نمونه بین ۳ تا ۵ میلی متر باشد، عرض نمونه معادل۱۰ میلیمتر باید در نظر گرفته شود.
سپس نمونه مطابق شکل زیر بر روی دو تکیه گاه با فاصله ۱۶ برابر ضخامت نمونه و درست در مرکز آنها قرار می گیرد.
قطر تکیه گاه ها برای نمونه هایی با ضخامت کمتر از ۳ میلی متر باید برابر ۴ میلی متر و برای نمونه هایی با ضخامت بین ۳ تا ۵ میلی متر، باید برابر ۱۰ میلی متر باشند.
قطر شفت وارد کننده نیرو به نمونه در آزمون برابر ۱۰ میلی متر می باشد. پس از قرار گیری نمونه HIPS در محل نشان داده شده و وارد کردن ابعاد نمونه در نرم افزار، فک دستگاه با سرعت ۱ میلی متر بر دقیقه پایین می آید و نمونه مورد نظر را دچار خمش می کند. این روش آزمون خمش سه نقطه ای نامیده می شود چون در این روش دو تکیه گاه به عنوان دو نقطه و نقطه سوم محل تماس نمونه با شفت وارد کننده نیرو در نظر گرفته می شوند.
پس از قرار گرفتن نمونه تحت نیروی خمشی، مقدار مدول و میزان استحکام خمشی با توجه به ابعاد نمونه مورد آزمون و بار اعمال شده از طریق فرمول ارائه شده در زیر و یا منحنی تنش- کرنش قابل محاسبه خواهد بود.
استحکام خمشی :
- E: مدول خمشی
- W: نیروی اعمال شده
- d: ضخامت نمونه
- b: عرض نمونه
- L: فاصله دو محل قرار گیری نمونه روی دستگاه