جلسه دفاع سمینار جامع پژوهشی 2 دکتری مهندسی مکانیک- گرایش طراحی کاربردی ( آقای احسان احمدی)

موضوع:  تحلیـل تجربـی  و عددی فرآینـد نـورد ورق های الاستـومـر گرمانـرم

ارائه دهنده: احسان احمدی

استادان راهنما: دکتر محمد رضا فروزان، دکتر پیمان مصدق

استاد مشاور: دکتر مهدی کاروان

استادان داور: دکتر محمد مشایخی، دکتر مهدی سلمانی تهرانی، دکتر محمدرضا موحدی

چکيده:

الاستومرهاي گرمانرم و به­طور خاص گونه پلي يورتان در آن­ها جزو آلياژهاي پليمري دوفازي محسوب مي­شوند که از تمام مزاياي گرمانرم­ها از جمله فرآيند کردن آسان و بازيافت پذيري بهره­مند بوده و از خواص فيزيکي و مکانيکي خوب و مقاومت به ضربه و مقاومت به سايش بالا برخوردار هستند. به­همين دليل امروزه جايگزيني آن­ها با انوع لاستيک­ها به عنوان ورق و فيلم­هاي پليمري مزيت ويژه­اي ایجاد می­کند. ضرورت استفاده از الاستومرهاي گرمانرم براي توليد ورق و فيلم در سال­هاي اخير­، به­خوبي اهميت مطالعه بر روي شکل­دهي و ارزيابي قابليت شکل­پذيري اين دسته از ورق­هاي پليمري را تبيين مي­کند. فرآيند نورد از جمله يکي از روش­هاي شکل­دهي غلتکي هم در حالت مذاب و هم در حالت جامد براي توليد ورق و فيلم به حساب مي­آيد. در اين پژوهش رفتار تغيير شکل پلاستيک در حالت جامد الاستومرهاي گرمانرم پلي يورتان مورد مطالعه قرار گرفته است. بدين منظور مشخصه­يابي حرارتي روي دو ماده با سختي متفاوت برابر 90 و 85 Shore A به روش آناليز گرماسنج پويشي تفاضلي  و آناليز مکانيکي حرارتي پویا انجام و محدوده­ي دماي شکل­دهي حالت جامد، دماي انتقال شيشه­اي فاز آمورف، دماي ذوب فاز کريستالي و همچنين خواص ويسکوالاستيسيته بدست آمد. تحليل و تفسير نتايج آزمون گرماسنج پویشی تفاضلی مؤيد وجود ساختار دوفازي متشکل از فاز سخت نيمه کريستالي با دماي ذوب Tm حداکثر برابر167 درجه سانتيگراد و فاز نرم بي­شکل با دماي انتقال شيشه­اي Tg برابر 6/45- درجه سانتيگراد است. لازم به ذکر است که فرآيند تغيير شکل در حالت جامد در بازه­ي دمايي بين Tg و Tm تعريف مي­شود. با استفاده از آزمون مکانیکی حرارتی پویا علاوه بر اينکه دماي انتقال شيشه­اي مواد با اين روش نيز بدست آمد و صحت نتايج آزمون گرماسنج پویشی تفاضلی را نشان داد، منحني­هاي تغييرات مدول ذخيره، مدول اتلاف و فاکتور اتلاف بر حسب دما و فرکانس بدست آمد. تحليل و تفسير نتايج آزمون مکانیکی حرارتی پویا نشان داد که در سرعت­هاي بالا ( نرخ کرنش بالا) هر دو نمونه از خود رفتار الاستيک غالب­تري بروز مي­دهند که با افزايش دما از شدت آن کاسته مي­شود. از طرفي نتايج اين آزمون نشان می­دهند که با افزايش دما، از حساسيت تاثير فرکانس (که به نرخ تغيير شکل در ماده نيز تعبير مي­شود) بر مدول ذخيره کاسته خواهد شد. مشخصه­يابي مکانيکي مواد نيز با استفاده از آزمون­­هاي فشار که شباهت زيادي به فرآيند نورد دارد انجام گرفت. منحني تنش-کرنش بدست آمده از مواد حاکي از رفتار سخت شونده­ي اوليه، رفتار تسليم مانند غلتيده به پهلو همراه با کارسختي در بارگذاري و رفتار هيسترزيس در  باربرداري دارد. به­علت رفتار ويسکوپلاستيسيته، ماده بعد از حذف تنش تمايل به بازيابي شکل دارد که بعد از گذشت مدت زمان اندازه­گيري شده به مقدار مشخص خود ميل مي­کند. نتايج آزمون فشار نشان داد که هرچقدر درصد فاز سخت ماده بيشتر باشد مقدار بازيابي الاستيک ماده کمتر و مقدار بازيابي غير الاستيک حاصل از رفتار ويسکو پلاستيک بيشتر است. با اين حال در نهايت ماده­اي با فاز سخت بالاتر، بيشترين کرنش پلاستيک بدون تغيير در اثر فشار را خواهد داشت که در صورت افزايش دما تا 120 درجه سانتگراد مقدار کرنش پسماند پلاستيک به مراتب افزايش خواهد يافت. با الهام گرفتن از نتايج آزمون فشار الاستومرهاي گرمانرم پلي­يورتان ها با درصد فاز سخت متفاوت، فرآيند نورد سرد و گرم در سرعت­هاي 5/0 تا 4 متر بر دقيقه و به ازاي گپ هاي مختلف از 3/2 تا 6/0 ميليمتر  که به ترتيب معادل نسبت نورد40 تا 85 درصد است، به منظور دست­يابي به حداکثر نسبت فروکاست با حداقل عيوب انجام گرفت. نتايج آزمون نورد سرد در سرعت 5/0 متر بر دقيقه و حداقل گپ ممکن برابر 6/0 ميليمتر حاکي از نسبت فروکاست پايين و تا حداکثر 34 درصد براي نمونه با درصد فاز سخت بيشتر دارد که به دليل مواجه شدن با پلاستيسيته زياد در سطح شکل محصول نهايي بصورت موج دار است. موج دار شدن ورق با استفاده از انجام چند مرحله­اي نورد حذف گرديد. با اين حال جهت افزايش مقدار نسبت فروکاست، نورد گرم روي ورق­هاي پليمري صورت گرفت که نتايج نشان داد در صورتي انجام نورد در دماي 120 درجه سانتيگراد و سرعت بهينه­ي يک متر بر دقيقه با نسبت نورد بیش از82 درصد(معادل گپ 7/0 ميليمتر) مي­توان بيش از 50 درصد فروکاست ضخامت در ورق ايجاد کرد. سرانجام در اين پژوهش توليد ورق پليمري سالم  از جنس الاستومرهاي گرمانرم پلي يورتان با خواص هايپرالاستيک-ويسکوپلاستيک با بيش از 50 درصد کاهش ضخامت در اثر نورد گرم در حالت جامد، محقق شد.

کلمات کليدي: فرآيند نـورد سرد و گرم حالت جامد پليمر، ورق­هاي پليمري الاستومر گرمانرم پلي يورتان، فاز سخت و فاز نرم، رفتارهايپر الاستيک-ويسکوپلاستيک،  فيلم جهت­دهي شده، فيلم­هاي مدول بالا، آزمون گرماسنج پویشی تفاضلی ، آزمون مکانیکی حرارتی پویا، آزمون فشار، نسبت فروکاست ضخامت، فاصله غلتک­ها، سرعت نورد، رفتار جامد مانند، رفتار مايع مانند