بررسی رئولوژی مواد پلیمری

نوع فایل: word

قابل ویرایش 110 صفحه

تاريخچه پيدايش رئولوژی:

نيوتن (1727-1642) اولين فردي بود كه برای مدل كردن سيالات با آنها برخوردی كاملاً علمی نمود. وی در قانون دوم مقاومت خود، كل مقاومت يك سيال را در برابر تغيير شكل (حركت) نتيجه دو عامل زیر دانست:

الف) مقاومت مربوط به اينرسی (ماند) سيال

ب) مقاومت مربوط به اصطكاك (لغزش ملكولها یا لايه‌های سيال بر هم‌ديگر)

و در نهايت قانون مقاومت خود را چنين بيان نمود: «در يك سيال گرانرو ، تنش مماسی (برشی) متناسب با مشتق سرعت در جهت عمود بر جهت جريان است.»

در اواخر قرن نوزدهم علم مكانيك سيالات شروع به توسعه در دو جهت كاملاً مجزا نمود.

از يك طرف علم تئوری هيدروديناميك كه با معادلات حركت اولر در مورد سيال ايده‌آل فرضی شروع می ‌شد، تا حد قابل توجهي جلو رفت. اين سيال ايده‌آل، غير قابل تراكم و فاقد گرانروي و كشساني (الاستيسيته) در نظر گرفته شد. هنگام حركت اين سيال تنشهای برشی وجود نداشته و حركت كاملاً بدون اصطكاك است. روابط رياضي بسيار دقيقي براي اين نوع سيال ايده‌آل در حالتهاي فيزيكي مختلف بدست آمده است. بايد خاطر نشان نمود كه، نتايج حاصل از علم كلاسيك هيدروديناميك در تعارض آشكار با نتايج تجربي است (بخصوص در زمينه‌هاي مهمي چون افت فشار در لوله‌ها و كانالها و يا مقاومت سيال در برابر جسمي كه در آن حركت مي‌نمايد). لذا اين علم از اهميت عملي زيادي برخوردار نگشت. به دليل فوق مهندسين كه به علت رشد سريع تكنولوژي نيازمند حل مسائل مهمي بودند، تشويق به توسعه علمي بسيار تجربي، بنام هيدروليك شدند. علم هيدروليك بر حجم انبوهي از اطلاعات تجربي متكي بود و از حيث روشها و هدفهايش، با علم هيدروديناميك اختلاف قابل ملاحظه‌اي داشت.

در شروع قرن بيستم دانشمندي بنام پرانتل نشان داد كه چگونه مي‌توان اين دو شاخه ديناميك سيالات را به يكديگر مرتبط نمود و با اين كار به شهرت رسيد. پرانتل به روابط زيادي بين تجربه و تئوري دست يافت و با اين كار توسعة بسيار موفقيت‌آميز مكانيك سيالات را امكان‌پذير نمود. البته قبل از پرانتل نيز بعضي از محققين بر اين نكته اشاره كرده بودند كه اختلاف بين نتايج

 هيدرو ديناميك كلاسيك و تجربه در بسياري از موارد به دليل صرف نظر كردن از اصطكاك سيال است.

علاوه بر اين، از شناخت معادلات حركت سيالات با در نظر گرفتن اصطكاك )معادلات ناوير- استوكس ( مدت زماني سپري مي‌‌شد. اما به دليل مشكلات حل رياضي اين معادلات در آن زمان (باستثناي موارد خاص)،در برخورد تئوريك با حركت سيالات گرانرو عقيم مانده بود. در مورد دو سيال بسيار مهم يعني آب و هوا، نيروي ناشي از لغزش لايه‌هاي سيال بر يكديگر (گرانروي آب

 N.S/m2 3-10×1 و گرانروي هوا N.S/m2 3-10×5/2) در مقايسه با ساير نيروها (نيروي ثقل و فشار، N/m2 105) قابل اغماض مي‌باشد. بنابراين مي‌توان پي برد كه چرا درك تأثير عامل مهمي همچون نيروي اصطكاك بر حركت سيال در تئوري كلاسيك تا اين حد مشكل بوده است. در مقاله‌اي تحت عنوان سيالات با اصطكاك بسيار كم كه قبل از كنگره رياضيات در هيدلبرگ در 1904 قرائت گرديد، پرانتل نشان داد كه مي‌توان جريانات گرانرو را با شيوه‌اي كه داراي اهميت عملي زيادي است به دقت تجزيه و تحليل نمود. با استفاده از اصول تئوريك و برخي آزمايشهاي ساده پرانتل اثبات نمود كه جريان سيال اطراف يك جسم جامد را مي‌توان به دو ناحيه تفكيك نمود:

1-       لايه بسيار نازك در مجاورت جسم (لايه مرزي) كه در آن اصطكاك نقش مهمي را بازي مي‌كند.

2-       ناحيه دورتر از سطح جسم كه در آن اصطكاك قابل اغماض است.

بر مبناي اين فرضيه (Prandtl) موفق به ارائه برداشت فيزيكي قابل قبول از اهميت جريانات گرانرو گرديد، كه در زمان خود موجب ساده شدن قابل توجه حل رياضي معادلات گرديد. آزمايشهاي ساده‌اي كه توسط پرانتل در يك تونل آب كوچك انجام شد بر تئوريهاي موجود صحه گذاشت. بدين ترتيب او اولين قدم را جهت ارتباط تئوري و نتايج تجربي برداشت. در اين رابطه تئوري لايه مرزي بسيار مفيد واقع شد، زيرا عامل مؤثري در توسعه ديناميك سيالات بود و بدين ترتيب در مدت زمان كوتاهي به يكي از پايه‌هاي اساسي اين علم مدرن تبديل شد. پس از شروع مطالعات در زمينه سيالات داراي اصطكاك يك تئوري ديناميكي براي ساده‌ترين گروه سيالات واقعي (سيالات نيوتني) توسعه يافت. البته اين تئوري در مقايسه با تئوري سيالات ايده‌آل از دقت كمتري برخوردار بود.

با رشد صنعت تعداد سيالاتي كه رفتار برشي آنها با استفاده از روابط سيالات نيوتني قابل توجيه نبود، رو به افزايش گذاشت. از جمله اين سيالات مي‌توان محلولها و مذابهاي پليمري، جامدات معلق در مايعات، امولسيونها و موادي كه دو خاصيت گرانروي و كشساني را تواماً دارا مي‌باشند (ويسكوالاستيكها) اشاره نمود. بررسي رفتار اين سيالات مهم موجب پيدايش علم جديدي بنام «رئولوژي » شد.

در مورد كلمه رئولوژي و پيدايش آن بد نيست به صحبتهاي تروسدل استاد دانشگاه

جان هاپكينز در هشتمين كنگره بين‌الملي رئولوژي گوش فرا داد:"از من خواسته شد كه درباره رئولوژي سخن بگويم، براي فرار از اداي اين وظيفه مشكل فكر مي‌كنم هيچ چيز بهتر از نقل قول گفتگوي دلنشيني كه با دوست عزيز و قديمي‌ام ماركوس رينر پس از صرف شام در چهارمين كنگره بين‌المللي رئولوژي داشتم، نيست". او براي شروع نقل قول داستان چگونگي ساخته شدن نام رئولوژي چنين گفت: "هنگامي كه من وارد شدم (سال 1928 به شهر ايستون در ايالت پنسيلواياي امريكا، محل تولد رئولوژي) بينگهام به من گفت: «در اينجا شما مهندسين ساختمان و بنده شيميدان نشسته‌ايم و با يكديگر روي مسئلة مشتركي كار مي‌كنيم، با توسعة شيمي كلوئيدها مي‌توان به اين همكاري وسعت بخشيد. بنابراين توسعه شاخه جديدي از فيزيك كه اين قبيل مسائل را در بر گيرد، مفيد خواهد بود.» من گفتم چنين شاخه‌اي از فيزيك قبلاً وجود داشته است (مكانيك محيط‌هاي پيوسته). بينگهام افزود: «نه چنين عنواني شيميدانها را جلب نخواهد نمود زيرا براي آنها بيگانه است.» پس از اين گفتگوها بينگهام با مشورت يك استاد زبان كلاسيك عنوان رئولوژي را براي اين شاخه از علم انتخاب نمود كه از سخن معروف هراكليتوس اقتباس شده است. هراكليتوس مي‌گفت همه چيز در جريان است. "

رينر خاطر نشان ساخت كه افراد غير متخصص غالباً رئولوژي را با تئولوژي (الهيات) اشتباه مي‌گرفتند. او از اين موضوع در تعجب بود و نمي‌توانست ارتباطي بين اين دو كلمه پيدا كند. در واقع او فراموش كرده بود كه قهرمان شبه آسماني رئولوژي، در تاريخ بنام هراكليتوس مبهم مشهور است كه نظر معروف خود را جهت دنبال كردن الهيات عرضه كرده است. مخالفين اين فيلسوف بر او خورده مي‌گرفتند كه خواص فقط در حالت سكون قابل تعيين هستند ولي علم رئولوژي آرزوي ديرين او يعني تعيين خواص ماده در حال جريان را برآورده است.

تعريف دقيق و علمي رئولوژي عبارتست از: رئولوژي علمي است كه تغيير شكل مواد را تحت اعمال نيرو مورد بررسي قرار مي‌دهد، اين تعريف بيشتر در مورد مايعات و شبه مايعات به كار مي‌رود. به عبارتي مي‌توان علم رئولوژي را به دو قسمت اصلي تقسيم نمود:

1-       بدست آوردن رابطه‌اي (معادله قانونمندي) ما بين تغيير شكل و نيرو از طريق نتايج تجربي و يا تئوريهای مولكولي

2-       بسط اين روابط و ارتباط آنها با ساختمان، تركيب مواد، دما، فشار و غيره

توسعه رئولوژي در سالهاي بين دو جنگ جهاني آغاز گرديد. بنابراين رئولوژي علمي زاييده نيازهاي عملي است و به همين دليل در ابتدا روشهاي تجربي ابداع شد. به موازات پيشرفت تحقيقات و كشف پديده‌هاي جديد، علم رئولوژي گسترش يافته و به شاخه‌هاي تحقيقات فيزيكي، شيميايي، تحقيقات مهندسي و بالاخره تحقيقات رياضي تقسيم شد.

بعضي از صنايع كه با علم رئولوژي سر و كار دارند عبارتند از: صنايع لاستيك، پلاستيك، الياف مصنوعي، نفت، توليد صابون و شوينده‌ها، دارو سازي، بيولوژي، انرژي اتمي، سيمان،

 صنايع غذايي، خمير كاغذ، مواد شيميائي سبك و سنگين، فرآيندهاي تخميري (و عملياتي كه در آنها از روغن استفاه مي‌شود) فرآيندهاي سنگهاي معدني، چاپ، رنگ و غيره. از گستردگي صنايع درگير با سيالات غير نيوتني مشخص مي‌شود كه شناخت علم رئولوژي از ضرورت اجتناب‌ناپذيري برخوردار است هر چند كه اين علم هنوز در بسياري از زمينه‌ها قادر به پاسخگوئي مشكلات عملي نيست.

فهرست مطالب:

فصل اوّل: رئولوژی مواد پلیمری

1-1 تاریخچه پیدایش رئولوژی

1-2 مواد از دیدگاه رئولوژی

1-2-1 پدیده‌های رئولوژیکی

1-2-2 تنش تسلیم در جامدات

1-2-3 تنش تسلیم در رئولوژی

1-2-4 تقسیم بندی مواد

فصل دوّم: آمیزه‌های پلیمری

2-1-1 مقدمه

2-1-2 تعاریف

2-1-3 روشهای تهیه آمیزه‌های پلیمری

2-1-4 رفتار اجزا آمیزه‌های پلیمری

2-1-5 امتزاج پذیری آمیزه‌های پلیمری

2-1-6 سازگاری آمیزه‌های پلیمری

2-1-7 سازگاری بواسطه افزودن کوپلیمر

2-1-8 روشهای تخمین سازگاری و امتزاج پذیری آمیزه‌ها و آلیاژهای پلیمری

2-1-9 کریستالیزاسیون آمیزه‌های پلیمری

2-2-1 رئولوژی پلیمرها

2-2-2 رئولوژی آمیزه‌های پلیمری

2-2-2-1 مقدمه

2-2-2-2 ویسکوزیته آمیزه‌ها و آلیاژهای پلیمری

2-2-2-3 معادلات تجربی ویسکوزیته آمیزه بر حسب غلظت سازنده‌های پلیمری

2-2-2-4 جریان برشی پایدار آمیزه‌های پلیمری

2-2-2-5 الاستیسیته مذاب آمیزه‌های پلیمری

فصل سوّم: خاصیت ویسکوالاستیک خطّی

3-1 مقدمه

3-2 مفهوم و نتایج از خاصیت خطی بودن

3-3 مدل ماکسول و کلوین

3-4 طیف افت یا آسایش

3-5 برش نوسانی

3-6 روابط میان توابع ویسکوالاستیک خطی

3-7 روشهای اندازه‌گیری

3-7-1 روشهای استاتیک

3-7-2 روشهای دینامیک: کشش نوسانی

3-7-3 روشهای دینامیک: انتشار موج

3-7-4 روشهای دینامیک: جریان ثابت

فصل چهارم: بررسی رفتار ویسکوالاستیک آمیزه های پلیمری با استفاده از مدل امولسیون پالیریَن

4-1 مقدمه

4-2 مدل پالیریَن (Palierne model)

4-3 نتایج تجربی و بحث