امروز یکشنبه ۲۹ اردیبهشت ۱۳۹۸ ۱۱:۱۵

مقالات

بکارگیری آزمون های سریع روی کامپاندهای PE100 در پیشبینی رشد آهسته ترک در مواد لوله

سیدکمال افضلی, راشدی رضا و رضا ادهم دوست,هوشمند سعید  ۱۳۹۷/۱۲/۰۶
عمر محصولات محصولات پلی اتیلنی، از قبیل لوله ها و اتصالات، تابعی از مقاومت به رشد آهسته ترک ( SCG (این مواد می باشد. توانایی بازشدنِ گره خوردگی های پلیمر، تعیین کنندة مقاومت به SCG است. با توسعه تکنولوژی پلیمریزاسیون پلی اولفینها و فهم سازوکارهای تاثیر گذار بر مقاومت ماده در مقابل تخریب زنجیرها، باز شدن گرهها و رشد ترک، گونه های جدید پلی اتیلن سنگین با مقادیر MRS بالاتر تولید شده است. پلی اتیلن PE100 که در تولید لوله های با قطرهای زیاد و فشار کاری بالا بدون ریزش بدنه استفاده می شود، یکی از این گونه ها است. مدول سخت گردانی کرنشیGp ،اندازه ای از توانایی بازشدنِ گره خوردگی مولکول های پل زن بوده و یک خاصیت ذاتی پلیمر است که از منحنی تنش -کرنش در بالای نسبت کشیدگی طبیعی در دمای بالا (C°80) به دست می آید. انرژی لازم برای شکست پلیمر در تست ضربه نیز معیاری از این توانایی ذاتی پلیمر می باشد. در این تحقیق نشان داده شده است که Gp می تواند معیار مناسبی برای ارزیابی مقاومت به رشد آهسته ترک باشد و جایگزین آزمونهای طولانی مدت تعیین SCG مانند آزمونهای هیدرواستاتیک روی لوله، ESCR ، FNCT و PENT باشد. نتایج آزمونهای ضربه نیز تایید کننده موضوع است. از دیگر نتایج این پژوهش این بود که تفاوت فاحشی در Gp بین PE100 و گریدهای دیگر HDPE وجود دارد که نشان دهنده ساختار ویژه آن می باشد. همچنین مشخص شد که افزودن کربن بلک که در لوله برای جذب نور UV استفاده می شود ، مقاومت SCG و متناظر با آن Gp را کاهش می دهد.

مقدمه

در سالیان متوالی، با توسعه تکنولوژی پلیمریزاسیون پلی اولفینها و فهم سازوکارهای تاثیر گذار بر مقاومت ماده در مقابل تخریب زنجیرها، باز شدن گرهها، رشد آهسته ترک و رشد سریع ترک، گونه های جدید پلی اتیلن سنگین با مقادیر مقاومت هیدرواستاتیکی لوله (MRS ) بالاتر تولید شده است. لازم به ذکر است افزایش MRS ماده به معنی افزایش مقاومت در مقابل فشار داخلی سیال میباشد که این موضوع باعث کاهش ضخامت لازم برای تحمل تنشهای محوری و عرضی حاصل، میگردد. موادPE100 برای تولیدلوله های با قطرهای زیاد و فشار کاری بالا بدون ریزش بدنه ( Sagging ) پتانسیل بالاتری نسبت به سایر گریدهای لوله از خود نشان می دهد. علاوه بر آن، مقادیر بالاتری از مقاوت خزشی( Creep) و هیدرواستاتیک بلند مدت و مقاومت در برابر رشد سریع ترک را نسبت به سایر گریدهای لوله دارد. برای دستیابی به این خواص فوق العاده، PE100 میبایست به طور همزمان دارای سفتی مناسب، حاصل از بلورینگی زنجیرهای کوتاه و مقاومت بالا در برابر رشد آهسته وسریع ترک، ناشی از گره خوردگی زنجیرهای بلند در نواحی آمورف مابین نواحی بلورین، باشد. برای این منظور میبایست توزیع وزن مولکولی به نحوی کنترل شود که شامل زنجیرهای کوتاه با حداقلشاخه جانبی و زنجیرهای بلند با شاخههای جانبی فراوان باشد. این حالت با استفاده از کنترل شرایط پلیمریزاسیون در دو رآکتور سریو تکمیل پلیمریزاسیون در یک رآکتور نهایی صورت میگیرد[ 1 .[ساختار خاص زنجیرهای بلند همراه با شاخه جانبی باعث میشود آنهاتوانایی قرار گرفتن در یک ناحیه بلورین کاشیگون( Lamellae) را نداشته و به صورت همزمان از محل شاخههای جانبی از یک کاشی -گون خارج شده و از ناحیه خطی وارد کاشیگون جدید شوند. این حالت باعث میشود نواحی مختلف بلورین توسط این زنجیرهای بلندبه هم دوخته شده و منجر به تقویت ناحیه آمورف میگردد. وجود چنین ساختاری انرژی لازم بر شروع و رشد ترک را از ناحیه آمورفبه شدت افزایش داده و موجب افزایش مقاومت ماده در برابر شروع ترک، رشد آهسته ترک ( SCG )رشد سریع ترک(RCP )و تنش-های محیطی (ESCR )میشود[2].

مقایسه بین داده های آزمون رشد آهسته ترک و سخت گردانی کرنشی( Hardening Strain ،(نشان می دهد که از آزمون SH می توان برای رتبه بندی مقاومت به رشد آهسته ترک پلی اتیلن استفاده کرد. تمرکز اغلب مطالعات مربوط به رشد آهسته ترک روی مولکول های پل زن به عنوان منبع اصلی اتصالات بین لایه ای است. گره خوردگی های فیزیکی نیز در تشکیل این اتصالات بین لایه ای سهیم هستند. وزن مولکولی گره خوردگی پایین تر ( Me (به معنای تعداد زیاد گره خوردگی ها در سیستم و درنتیجه تحرک کمتر شبکه است. با کاهش تحرک شبکه، مقاومت به رشد آهسته ترک افزایش می یابد. زنجیرهای بلند پلیمری که در دو لایه بلوری مجزا منظم می شوند، دو لایه را کنار هم نگه داشته و نرخ ایجاد ترک منتهی به رشد آهسته ترک را کاهش میدهند[ 3 ]. پلی اتیلن با مقدار کومنومر بیشتر، مقاومت بالاتری به رشد آهسته ترک دارد. شاخه های جانبی کوتاه ( SCB (به دلیل جلوگیری از لغزش زنجیر از فاز بلوری، مقاومت به SCG را بهبود میدهند. علاوه بر تعداد، طول آن ها نیز بر مقاومت به SCG تاثیر دارد. با افزایش طول از 2 به 6
کربن، مقاومت به SCG به شدت افزایش می یابد که علت آن افزایش مقاومت لغزشی زنجیر حاوی شاخه های جانبی بلندتر است[4 ] در آزمون کشش تک جهته، فاز بلوری که سفت تر است تغییرشکل کمتری متحمل می شود؛ درحالیکه فاز آمورف برای تطبیق با تغییرشکل کلی نمونه، دچار تغییرشکلی قابل توجه می شود. لذا پس از تسلیم و قبل از سخت گردانی کرنشی، لغزش لایه های بلوری رخ داده و هر دو فاز بلوری و آمورف در تحمل بار و کرنش نقش دارند. در فاز سخت گردانی کرنشی، فاز آمورف کاملا کشیده شده تبدیل به عنصر صلب تحمل کننده بار شده، درحالیکه لایه های بلوری دچار شکست و باز شدن تاخوردگی می شوند تا بتوانند خودشان را با تغییر کرنش تطبیق دهند. عناصر تحمل کننده بار در فاز آمورف پلی اتیلن، هم مولکول های پل زن و هم گره خوردگی ها هستند. باتوجه به اینکه این دو عامل اثر زیادی بر مقاومت به SCG دارند، لذا می توان سخت گردانی کرنشی را به SCG ربط داد[5 ]. کرنش در شروع سخت گردانی تابعی از میزان کشش پذیری شبکه پلیمری است. معیاری که برای اندازه گیری کشش پذیری شبکه پلیمری استفاده می شود، نسبت کشیدگی طبیعی ( λ ) است. میزان کشش پذیری پلی اتیلن توسط گره خوردگی زنجیرهای آن کنترل می شود. محققان متوجه شدند که با استفاده از آزمون تعیین مدول سخت گردانی کرنشی می توان برای ارزیابی مقاومت به رشد آهسته ترک استفاده کرد. در مطالعات انجام شده، نتایج حاصل از انواع آزمون های رشد آهسته ترک مانند FNCT ،PENT و فشار هیدرواستاتیکی لوله با نتیجه حاصل از آزمون تعیین مدول SH مقایسه شده است. نتایج نشان دهنده همبستگی بین نتایج آزمونهای بلند مدت رشد آهسته ترک با آزمون های کوتاه مدت تعیین مدول سخت گردانی کرنشی و حتی آزمون ساده ضربه است. آزمون ضربه Charp  به عنوان انرژی جنبشی لازم برای اینکه در یک نمونه شیاردار باعث آغاز Failure و ادامه آن تا شکست نمونه می باشد، شناخته می شود. هرچه نمونه چقرمگی بیشتری داشته باشد مقاومت ضربه آن افزایش می یابد. مطابق با مطالعات Kramer و Brown ، رفتار رشد آهسته ترک می تواند به عنوان ترکیبی از تنش تسلیم و توانایی بازشدنِ گره خوردگی ها درنظر گرفته شود [ 2-5 ] مدول سخت گردانی کرنشی پلی اتیلن از منحنی تنش-کرنش در بالای نسبت کشیدگی طبیعی در دمای بالا ( C °80 )به دست می آید. (شکل 1)مقدار مدول سخت گردانی کرنشی، امکان تمایز بین مواد را امکان پذیر می سازد. تطابق نتایج آن با نتایج حاصل از چندین آزمون مربوط به رشد آهسته ترک اثبات شده است [6,7].


ارزیابی

مواد و روش ها
Uمواد U :مواد مورد استفاده، پلی اتیلن گرید پایپ بی رنگ ( PE100N (و پلی اتیلن خودرنگ (PE100B .(پلی اتیلن سنگین گرید دمشی (BL3) و گرید پایپ (EX3 ).  هر گرید حداقل شش نمونه از شش لات مختلف استفاده شد. لازم به ذکر است پلی اتیلن های مورد استفاده محصولات پتروشیمی جم می باشند. Uتولید لوله:U برای آزمون مقاومت به رشد آهسته ترک، مطابق با الزامات استاندارد ملی ایران شماره 1-14427 ،لوله با قطر 110 میلی متر و SDR11 تولید شد. تولید لوله به وسیلة اکسترودر Battenfeld با قطر مارپیچ 60 میلی متر و 35=D/L انجام شد . آزمون رشد آهسته ترک (SCG ): آزمون رشد آهسته ترک روی لولة تولیدشده انجام گردید. عملیات شیارزنی طولی لوله ها، برای آزمون مقاومت به رشد آهسته ترک، توسط دستگاه Milling Notch CNC ساخت کشور آلمان انجامشد. دستگاه آزمون فشار هیدروستاتیک، مدل 1575 ساخت شرکت IPT کشور آلمان بوده است. آزمون در دمای C °80 تحت تنش MPa 6/4 انجام گردید. Uمقاومت ضربه Charpy U :این آزمون بر اساس استاندارد 179 ISO روی نمونه های قالبگیری فشاری شیاردار
 شده انجام گردید. دستگاه Instron برای این آزمون استفاده گردید. Uمدول سخت گردانی کرنشی (SH U :(آزمون مدول سخت گردانی کرنشی روی دمبلهای تهیه شده از ورق های قالبگیری شده انجام شده است. دستگاه آزمون، ساخت شرکت آواهونام پلیمر از کشور ایران است. آزمون مدل سخت گردانی کرنشی مطابق با 18488 ISO انجام شده است. تهیه نمونه ها قالبگیری فشاری و تهیه ورق و سپس پانچ کردن شیت انجام گردید. پس از قالبگیری فشاری، آنیلینگ ورق ها به وسیلة تثبیت شرایط به مدت یک ساعت در آون با دمای C° (2 ± 120 ) و سپس خنک کاری آهسته با میانگین سرعت کمتر از min/C°2 از طریق خاموش کردن محفظة بسته دمایی انجاممی شود. منحنی تنش-کرنش با استفاده از دستگاه آزمون کشش مجهز به اکستنسومتر نوری به دست آورده می شود. مدت زمان آزمونِ مدول سخت گردانی کرنشی نتیجة سرعت آزمون کشش است و بنابراین برای تمام اندازه گیری ها ثابت بوده و مستقل از خاصیت رشد آهسته ترک مادة تحت آزمون است.
تحلیل داده ها
نسبت کشیدگی (λ (از طول (l (و طول سنجش ( l0 ) مطابق با معادلة 1 محاسبه می شود. که در آن Δl افزایش طول آزمونه در ناحیة
trueR  مطابق با معادلة 2 محاسبه می شود. بین نشانه های سنجش است. با فرض ثابت ماندن حجم بیننشانه های سنجش، تنش واقعی ( σR که در آن F نیروی اندازه گیری شده برحسب نیوتن ( N (است. برای هر آزمونه، سطح مقطع اولیه ( A (تعیین می شود. مدل غیر هوکی ارائه شده در معادله 3 برای فیت کردن و برون یابی داده ها استفاده می شود تا مدول سخت گردانی کرنشی، <Gp ،<برحسب مگاپاسکال  (MPa (برای 12< λ <8 محاسبه شود. که در آن C پارامتر ریاضی مدلِ توصیف کنندة تنش تسلیمِ برون یابی شده به 0 = λ است. در متن استاندارد مرجع، فقط برای شکست های قبل از 5/8 = λ آزمونه ها کنار گذاشته می شوند.معادله
.


نتایج و بحث
از پنج نمونه متفاوت PE100 شامل نمونه های خودرنگ و مشکی تولید شده در پتروشیمی جم با دو کاتالیست، مختلف لوله های با قطر 110 میلیمتر تهیه گردید. نمونه ها شیارزنی شد و طبق استاندارد تحت فشار هیدرواستاتیکی قرار گرفت. لوله ها در یک باز نسبتا گسترده کمتر از 500 تا بیش از 2000 ساعت دچار شکست شدند. از نمونه های PE100 شیت با ضخامت 1 میلیمتر آماده و نمونه آزمونه دمبل شکل تهیه شد و طبق استاندارد آنیل گردید. آزمون کشش طبق استاندارد SH در دمای 80C روی آنها انجام شد و مدول SH) Gp (آنها تعیین شد. نتایج بسیار جالبی مشاهده گردید وقتی که داده ها با نتایج آزمون بلند مدت SCG مقایسه گردید. در شکل زیر ارتباط بین مدول سخت گردانی کرنشی و مدت زمان لازم برای fail کردن لوله در آزمون رشد آهسته ترک نشان داده شده است. رابطه خطی بین مدول سخت گردانی کرنشی ( Gp (برحسب MPa و مدت زمان مقاومت در برابر فشار هیدرواستاتیکی در آزمون رشد آهسته ترک (SCGR (بر حسب ساعت (شکل 2 (مطابق با معادلة 4 محاسبه می شود:


ارزیابی 2

 

ارزیابی 2

 مشکی کردن لوله با کربن بلک یا مستربچ آن برای افزایش مقاومت آن در برابر نور UV در شرایط محیطی کاربرد لوله استفاده میشود. تایج آزمونها هرچند نشان دهنده کاهش زمان مقاومت لوله مشکی نسبت به لوله بی رنگ ( Natural (در آزمون رشد آهسته ترک بود. این کاهش را نتایج آزمون SH با افت مقدار مدول سخت گردانی کرنشی نیز تایید کرد. نتایج در شکل 3 نشان داده شده است.

3

 

یکی دیگر از آزمونهای کوتاه مدت که همبستگی جالبی با آزمونهای کششی SH و هیدرواستاتیکی SCG نشان میدهد، آزمونهای ضربه روی نمونه های شیاردار شده تهیه شده از شیتهای مواد PE100 است. آزمون ضربه Charpy بر اساس استاندارد 179 ISO یکی از این آزمونها است. نتایج مقایسه ای این آزمون با مدول سخت گردانی کرنشی برای چند گرید مختلف HDPE در شکل 4 نشان داده شده است. هرچند باید به این نکته توجه داشت که پراکندگی داده ها در تست ضربه زیاد است و تکرار پذیری نتایج کم است. این نقاط ضعف، کاربرد تست ضربه را در جایگزینی آزمونهای بلندمدت SCG محدود میکند.

3در شکلهای زیر تاثیر تفاوتهای ساختاری گریدهای مختلف HDPE بر نتایج آزمونهای کوتاه مدت جایگزین SCG نشان داده شده است. مشاهده میشود گریدهای لوله PE100 نسبت به گریدهای PE80) EX3 (و گریدهای دمشی BL3 مقاومت ضربه و مدول سخت گردانی کششی بالاتری دارند. این تفاوتها ناشی از همان تفاوت ساختاری است که در مقدمه توضیح داده شد، یعنی توانایی بالای گریدهای لوله به خصوص PE100 در توانایی بازشدنِ گره خوردگی مولکول های پل زن بین نواحی بلوری در ساختار پلیمر میباشد.  

3 در اینجا هم مشاهده میشود حضور دوده و یا پایه های پلی اتیلنی ضعیف در مستربچ مشکی میتواند باعث افت خواص مکانیکی لوله شود.

4نتیجه گیری
پس از تنش تسلیم در دمای بالا در آزمون کشش، پدیده سخت گردانی کرنشی SH ،در نمونه های HDPE رخ میدهد. ابتدا فاز آمورف کاملا کشیده شده و سپس باز شدن تاخوردگی ها و گره خوردگی ها در فاز بلوری اتفاق می افتد تا زنجیرها بتوانند خودشان را با تغییر کرنش تطبیق دهند. عناصر تحمل کننده بار در فاز آمورف پلی اتیلن، هم مولکول های پل زن و هم گره خوردگی ها هستند. باتوجه به اینکه این دو عامل اثر زیادی بر مقاومت در برابر رشد آهسته ترک SCG دارند، لذا می توان SH را به SCG ربط داد. نتایج  این پروژه نشان دهنده همبستگی بین مقاومت در برابر رشد آهسته ترک با مدول سخت گردانی کرنشی ( Gp (و مقاومت ضربه است.
رابطه خطی بین مدول سخت گردانی کرنشی و مدت زمان مقاومت در برابر فشار هیدرواستاتیکی در آزمون رشد آهسته ترک وجوددارد. بنابراین میتوان با آزمونهای کوتاه مدت به خصوص آزمون SH نتایج آزمونهای بلند مدت SCG را پیشبینی کند. نتایج آزمونهانشان دهنده کاهش زمان مقاومت لوله مشکی نسبت به لوله بی رنگ در آزمون رشد آهسته ترک بود. مشاهده میشود گریدهای لوله PE100 نسبت به سایر گریدهای HDPE مقاومت ضربه و مدول سخت گردانی کششی بالاتری دارند که مرتبط با ساختار ویژه آنها میباشد. پیشنهاد میشود جهت بررسی همبستگی مقاومت ضربه و مقاومت رشد آهسته ترک، تستهای ضربه به خصوص در یک گستره پهن دمایی و همچنین تاثیر رزین پایه مستربچ و توزیع دوده بر تغییر در مقاومت SH و SCG بررسی شود.


برای نظر دادن ابتدا باید به سیستم وارد شوید. برای ورود به سیستم اینجا کلیک کنید.