1

What is polymer Rheology ماذا تعن رولوجا البولمر

العلاقة بن رولوجا البولمرات وعملات التصنع

Relationships Between polymer Rheology and

polymer processing

منذ فترة طولة فأن البولمرات تستخدم ف تطبقات متنوعة ف حاتنا الومة فضلا على التطبقات ( والطائرات والمركبات biomedical devicesالعالة التقنة مثل الاجهزة الطبة الحوة )

الفضائة ذات السرعات الخارقة والكثر من التطبقات. هنالك العدد من الخطوات الت جب أتباعها لأنتاج المنتجات البولمرة من تجمع المواد الخام الى تصنع المنتجات الجاهزة حث توجد

نع تلعب دورأ مهما ف تحدد نوعة المنتجات النهائة هنالك العدد من الخطوات. وأن عملة التص

rheologicalوأن نجاح عملة تصنع المواد البولمرة تطلب فهم جد لسلوكها الرولوج behavior).حث أنه توجد هنالك علاقة وثقة بن رولوجا البولمر وعملة تصنع البولمرات )

الرولوجا هو العلم الذي هتم بتشوهات وجران المادة البولمرة, وبما أن هنالك مجموعة متنوعة من المواد البولمرة لذلك مكن تصنف رولوجا البولمر الى العدد من الفئات تبعا لطبعة المواد

تم ذكر بعض منها:البولمرة وسوف

رولوجا البولمرات المتجانسة -1 رولوجا الخلائط البولمرة القابلة للأمتزاج -2 رولوجا الخلائط البولمرة الغر قابلة للأمتزاج -3 رولوجا البولمرا المملوئة بالجسمات -4 رولوجا الألاف الزجاجة الت تعمل على تقوة البولمرات -5 رولوجا المواد المركبة النانوة للبولمرات -6 رولوجا البولمرات الاسفنجة -7 رولوجا البولمرات الثرموست -8 رولوجا البولمرات المشتركة -9 رولوجا البولمرات المتبلورة -11

كل من هذه المواد تعط خواص رولوجة خاصة بها فردة بنوعها وبالتال هنالك الحاجة الى نظرات مختلفة لتفسر النتائج التجربة للسلوك الرولوج لمختلف المواد البولمرة. ومع ذلك ف

ولمرة الوقت الحاضر لس لدنا نظرة شاملة مكن أن تصف السلوك الرولوج لبعض المواد البوبالتال جب اللجوء الى التجربة لتفسر سلوك تلك المواد من خلال التجربة حث مكن القول

2

بأنصاف أن الفهم الكامل لرولوجا سلوك جمع المواد البولمرة لازال تحدا كبرا حقا. وأن هذه المواد البولمرة معظم المواد البولمرة الفعلة تستخدم السلوك المرن اللزج خلال التدفق وأن

( ف الحالة السائلة.rubberlikeلاتحمل فقط سلوك اللزوجة المرن فحسب بل أضا سلوك )

. أن الخصائص وهنالك عدة طرق مختلفة لوصف وتناول مرونة السائل من المواد البولمرةتم الربط بن الرولوجة للمواد البولمرة تختلف مع التركب الكمائ لذلك فأنه جب أن

الخصائص الرولوجة للمواد البولمرة مع التركب الكمائ. لذلك عندما سئل المرء لماذا

تختلف كثرا عن الخصائص الرولوجة polystyreneالخصائص الرولوجة ف البولسترن

ضر لس هنالك تحت شروط تدفق مماثلة. للأسف ف الوقت الحا polyethyleneالى البول أثلن

نظرة شاملة مكن أن تجب على مثل هذه المسائل. حث توجد بعض النظرات الجزئة الت مكن أن تفسر تأثر الوزن الجزئ وشكل السلاسل البولمرة على الخصائص الرولوجة.

للزوجة وعند دراسة المطاط نلاحظ أنه ظهر خصائص متنوعة ف كلا الحالتن الصلبة والسائلة كا والسلوك المرن .

وف دراسات انساب المطاط من الضروري ان نحسب معدل الجران تحت حالات متنوعة من) المطبقة. تالإجهاد والحرارة و وقت تطبق الإجهاد ( والرجوع المرن عند إزالة الاجهادا

viscous flowعلى المطاط فسوف تعرض الى جران لزج تومن الملاحظ عند تسلط الاجهادا

rupture.والفشل viscoelasticityو elastic deformationوتشوه مرن

وان المتغرات الاربعه )الحرارة والإجهاد والانفعال والزمن (نستطع ان نرتبها بشكل راض

Rheological equation ofلتتكون صغه راضه مهمة جدا ف تصامم المطاط وتعرف ب)state )

الواسعة ف أنواع المطاط والمدى الواسع لأنواع التحمل ومعدلات الانفعال ه وان التغرات سبب الاستخدامات الهائلة لأنواع المطاط .

ومن المهم أن تم تصنف معدل الانفعال إلى أنواع تحكم مختلقه لاختبار خصائص انساب المطاط

5.1))لاحظ الجدول

5.2طرة ف عملات المطاط معطاة ف الجدول وان شرح حالات الجران المثالة والمس

خصائص المطاط الممزة ف الحالة الصلبة أوالسائله نستطع ان نبنها ف حالات خاصة من الاختبار. وان معدل التشوه ؤثر على زمن حركة السلاسل الجزئة فف العملات البطئة

الجزئة الطولة.)كالجران اللدن أو الزحف( فإنها تتضمن حركة السلاسل

وف السرع المتوسطة فان المطاط ظهر مرونة عاله تنسب إلى دوران السلاسل .

وف السرع العالة )كاختبار الموجات الفوق الصوتة( فأنها تتضمن حركة الوحدات الصغرة.

3

4

ومن أهم الخصائص الت توضح رلوجا البولمرات ه:

1- Elasticity ( elasticالتطبقات التقنة فأن المواد تتشوة ضمن حدود المرونة وان الجسم كون )ف

عندما تشوة بواسطة قوة خارجة وعند أزالة القوة ستعد الجسم شكله الاصل, أن الرجوعة للبولمرات تعتمد على درجة الحرارة وعلى درجة التشابك.

2- Viscosity ( حث أن المواد المقولبة خلال عملات التصنع plastic stageمعظم البولمرات تمتلك )

تطابق بشكل كبر أو قلل أساسات الجران. فزائا وراضا فأن الكتلة المذابة تعامل ( solidificationكسائل كما هو معروف فأن درجة الحرارة المنخفضة تعط الانجماد )

ما درجة الحرارة العالة فأنها تعمل ( للثرموست أcuringللثرموبلاستك وتعط الانضاج )

(, ف هذه المدات من درجة الحرارة تم معرفة decompositionعلى تفكك المركب )

اللزوجة للمادة. وان الانتقال من الكتلة المنصهرة الى الجسم الصلب سبب ظهور أجهادات تغر كبر ف داخلة بشكل كبر أو قلل ف كل من البلاستك وبذلك فأن الاجهاد سبب

الخواص المهمة للمواد البولمرة وجب أن ؤخذ بنظر الاعتبار عند أي تقنة قولبة3- Viscoelasticity تعرف على إنها الاستجابة للإجهاد بالنسبة للمواد الت تتصرف حسب

فكرة اتحاد الجسم الصلب المرن والسائل اللزج .الحرارة العالة تنشأ خصائص الجران أما عند السرع وعند الاجهادات البطئة أو عند الدرجات

العالة للاجهادات أو عند درجه حرارة واطئه فأن الخصائص التصلب ه المسطرة .

وتوجد خصائص أخرى غرمذكوره X-rayالمطاط شبه السائل وهذا كون واضحا عندما تتشتت

تتعلق بالتشوهات المكانكة.

كة الشائعة للمطاط تم تسلط إجهاد شد على العنة وكذلك إجهاد ضغط أو ف الاختبارات المكانقص من اجل معرفة كل خواص المطاط وبذلك نستطع تحدد سلوك المطاط خلال الخدمة انظر

ومن الجدر بالذكر إن تسلط الحمل أما أن كون مؤقتا أي نستطع إزالته اوكون 5.1)للشكل)

الاختبارات تعتمد على الزمن وتقدم معلومات عن الخصائص المرنة دوري )دنامك( وان هذه اللزجة.

وان التعرف على السلوك المرن اللزج كون معقد أكثر من السوائل النوتنه وبسبب مرونة الطرق الاساسه المستخدمة لحساب لزوجة السوائل النوتنه فأنها تطبق على المطاط المفلكن وسوائل

حث بن الطرق الاساسه . (5.2)المطاط لاحظ الشكل

5

المختلفة لست ضرورة لتعرف العوامل الت تتحكم بالمواد أو الت تتنبأ اختبارات الانساب بسلوك المطاط ف العملات اللاحقة .

وان هذه الاختبارات ذات حساسة عاله للحرارة والتردد والإجهاد الستاتك )أو الدوري( العال الانفعال

مئوة أي 150إلى Tgة تحسب من ومن أجل السهولة فأن خصائص المطاط ف الحالة المطاط

للمطاط غر المفلكن أو التشابك . Tgفوق

6

Flow Behavior of Unvulcanized Rubber Compounds

ف البولمرات ذات التوزع العال للوزن RMMسلوك المطاط ف البثق والطحن عتمد على

ف الاستجابة للمرونة بالمقارنة مع نماذج الجزئ تكون متكافئة مع الإجهاد الكل وتظهر تأخر لها نفس اللزوجه ولكن ذات توزع قلل للوزن الجزئ وعند إجهاد قص قلل فأن لزوجة البولمر ذي التوزع العال للوزن الجزئ تكون أعلى من البولمر ذي التوزع القلل للوزن الجزئ بنما

ح.عند إجهاد قص عال فأن العكس كون صح

-:لزوجة مركبات المطاط نستطع تقللها بواسطة إحدى هذه الطرق*

توفر هذه الطرقة تغر دائم وحضر بواسطة القص -بواسطة تقلل الوزن الجزئ: -1

المكانك أو التأثرات الكمائة والت تقلل الترابط وتختزل اللزوجة وف هذه الحدود فأنأجزاء صغره وبذلك تظهر سلوك غر شبه بالمطاط . وان طحن المطاط السلسلة تنكسر إلى

. لذو الوزن الجزئ العال ؤدي إلى تكسر السلاس

( ف المطاط وكما هو لإن السلاسل ذات التفرعات العالة مسؤوله عن تكون )الماكروجبشكل كل أو جزئ لمعروف فأن الطحن متلك تأثر مفد حث عمل على تدمر الماكروج

وبذلك سوف تقل لزوجة المطاط.

لزوجة المطاط الطبع تقل بواسطة القص . المطاط ذو الوزن الجزئ العال كون أصعب عند smoothف العملات من المطاط ذو الوزن الجزئ القلل لذلك تظهر انساب ناعم

درجات حرارة عاله.

ئ قلل كالزوت وعملات مساعده وان هذه المواد ذات بواسطة إضافة مواد ذات وزن جز -2

جزئات صغره مقارنة مع المطاط وتكون قادرة على ملئ الفراغات بن سلاسل البولمر وبذلك فأن السلاسل تتحرك بسهوله وتزداد المرونة.

ئات هذه الطرقة تسبب زادة ف الكتلة والمسافة بن الجز -بواسطة رفع درجة الحرارة: -3

والت تكون قادرة على الانزلاق بسهوله وعند التبرد فالتغرات تكون بالعكس.

عند خلط نوعن أو أكثر من المطاط لتكون مزج ؤثر على الجران -بواسطة الخلط: -4

والخواص الفزائة والنتجة تعتمد على نسبة المطاط المخلوط.

ه المقاومة للشد بصوره جزئه Gum vulcanizatate*أن خصائص الصمغ المفلكن

والرجوعه الت من الممكن أن تؤثر على لزوجة المركب وهذه الصفات نستطع الحصول علها بواسطة عوامل كالإنضاج الممز ولزوجة المواد المركبة وتفاعلات مواد الحشو ف

لشد أو الرجوعه . وان أي نقصان ف مقاومة ا black-filledحالة فلكنة مواد الحشو السوداء

هو بسبب لزوجة المواد المركبة والت قد تتغر بواسطة التحسن ف تشتت مواد الحشو.

7

Measurement of Plasticity

اللدونه ه مقاومة الجران والت تنتج بواسطة تطبقات إجهاد القص وبشكل عام توجد خمسة -طرق اختباره لحساب لدونة المطاط:

على صفحه ذات أبعاد قاسه ونحسب التشوه بعد فتره من الزمن عند درجه حرارة تسلط قوه -1 معنه .

بثق المطاط خلال فتحه ذات أبعاد قاسه ونحسب التشوه بعد فتره من الزمن عند درجه حرارة -2 معنه )الرومتر الشعري أو مقاس لدونة المادة المبثوقه(

ص على محور الدوران داخل القالب وقاس تدور القرص ذي العقدة المصمم بشكل خا -3 المقاومة إلى الدوران

قص المطاط بن زاوت المخروط العرضة أو بن المخروط والصفحة الافقه. -4

( من أجل معرفة قابلة إجراء العملات moony viscosityمعظم الشركات تستخدم اختبار )

من اجل التمز بن المرونة واس اللزوجةوالبعض الآخر ستخدم اختبار لكل نوع من المطاط غر النوتنه ف كل عمله . طرق الاختبار تطبق من اجل معرفة الفرق بن أنواع المطاط

واختلاف المركب وان ذلك عتمد على خواص وتركب المطاط.

Compression Plastimeters

Wallace rabid plastimeter ستخدم لحساب لدونة والاس للمطاط الطبع .العنة المختبرة

ذات أبعاد قاسه )كره( وتتشوه بواسطة تطبقات قوة الضغط وان السمك المضغوط قاس بعد فتره معنه من الزمن وعند درجه حرارة محدده .الاختبار سرع جدا وسهل الإنجاز ومهم كما ف اختبار

-ه توجد بعض العوب:السطرة النوعة إلا ان (.1s-1> (معدل القص الذي نتج ف المطاط قلل -1 خصائص السولة الأساسة لامكن الحصول علها . -2 الاختبار غر ملائم لمخالط المطاط المحشوة . -3

الفائدة ألرئسه لهذا الاختبار هو حساب الرجوعه لنماذج مختلفه بعد انفعالات متشابهه . ( )وهو جهاز شائع الاستخدام ف ألمانا(Defoهاز دفو)وهذه ه قاعدة ج

*العنة المختبرة تثبت دائما بن قطع من المواد الخففه مثلا أوراق السكائر من اجل تجنب الأنزلاق

خلال الاختبار وكذلك من أجل تسهل إزالة العنة بعد الاختبار.

8

Capillary rheometers

( ه من الوسائل واسعة الاستعمال لقاس capillary eheometersالشعري )إن الرومتر

خواص الانساب لمنصهرات البولمرات والمطاط الغر مفلكن واللدائن المطاوعة للحرارة. أن مسخن عند القاعدة الت تكون متوافقة مع القالب الصغر المحتوى على barrelالرومتر تضمن

(capillaryالذي ك ) .ون ذو طول وقطر متغر. ان المنصهر نبثق أما بحجم ثابت أو بضغط ثابت

أن المكبس سلط قوة على المنصهر البولمر عند درجة حرارة الفحص وعند معدلثابت بتأثر (. أن 1مكانك أو تحت ضغط ثابت بواسطة هدرولك أو بتأثر الهواء المضغوط كما ف الشكل )

مكن أن عبر عنه كما capillaryنساب ونزول الضغط خلال القالب لانساب العلاقة بن معدل الا

ل:

:

9

Power Low Indexالقوة لقانون القدرة

Shearing Disk Viscometer

10

Cone and plate viscometer

ف هذا الجهازالماده تقص بن زاوت المخروط أو بن المخروط والصفحة الافقه . الصفحه أما تدور أو تتذبذب والعزم على النهاة العرضة المخروط كون محسوب والمادة مثبته بن المخروط الثرموستاتك والصفحة . المخروط مثبت فوق الصفحة حث إن قمة المخروط فوق مستوي الصفحة أما النهاة الأخرى للمخروط تكون عرضة .الزاوة بن جانب المخروط والصفحة

( المخروط دور نسبة إلى الصفحة والعزم قاس فوق مدى معدلات °5صغره جدا )أقل من

5.8لاحظ الشكل θ الدوران )

11

Area of annulus =

Force=

Torque =

Total torque=∫

=

Shear strain amplitude ;𝜈

𝜃

=rotation rates

𝛼 =the angle between the side of the cone and the plate

Strain rate ( time derivative of shear strain) ��=

As viscosity 𝜂

; 𝜂

(

)

( زداد عرض الفجوه مع زادة نصف القطر وهذا حدث ف حالة αف حالة كون الزاوة صغره )

S-1 to 1 3-10زادة السرعه بشكل متوازن. المخروط و الصفحه متلكان معدل انفعال ضمن المدى)S-1 . )

( فأن الجران كون مضطرب والمنصهر ظهر للعان من S-1 10-1ف حالة معدل الانفعال عال )

الفجوة بن المخروط والصفحة . قد تظهر أخطاء تؤثر على النتائج كتأثرالحافه أو بسبب تولد الحرارة والانزلاق بن أسطح المادة.

( N/m2 104هذا الجهاز عط بانات ضغط للزوجة والمرونة عند اجهادات قص منخفضة )أقل من

واضا نستفاد من هذا الجهاز لحساب الاستجابة المرنة للمنصهر .

1936سنة Moonyوان الفسكومترذوالاسطوانه متحدة المركز استعمل للبولمرات من قبل العالم

( للمطاط الطبع وان الفسكومتر المتكون viscosity/shear rateمن أجل الحصول على )

12

لاستخدامه للمواد ذات اللزوجة Moony &Ewartلعالمن ( طور من قبل اcone – plateمن)

المنخفضة.

( والذي عن الاجهادات rheogoniometerأستخدم هذا النظام ل ) Weissenbergوأن العالم

القصة والطبعة ف حالة الجران القص المستقر .

( والذي حدث بسبب وجود القوة Weissenbergتظهر تأثر ) والمنصهرات والبولمرات المنحله

تحت تأثر تشوه القص )كما ف حالة قوة عموده مسلطه على اتجاه قوة القص المطبقة( وبذلك فأن المنصهر ظهر ثلاث أبعاد للاستجابة للإجهاد لكون انفعال قص باتجاه واحد.

مره viscoelastic liquidشبه بالكوب تحتوي على ف اسطوانة دواره Rodكمثال// إذا تم تثبت

بدلا من جدار Rodنجد إن السائل المرن اللزج تسلق Newtonian liquidومرة أخرى تحتوي

(. 5.9الاسطوانة ولكن ف الحالة الأخرى نجد إن السائل النوتون تسلق الجدار.)انظر للشكل