بررسی تاثیر نرخ کرنش بر خواص کششی پلی‌یورتان با استفاده از مدل ایرینگ
محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین
محمدهادی مقیم
1
(دکتری تخصصی، بخش مهندسی مواد، دانشکده مهندسی، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران)
سیدمجتبی زبرجد
2
(استاد، بخش مهندسی مواد، دانشکده مهندسی، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران)
کلید واژه: خواص مکانیکی, نرخ کرنش, پلی‌یورتان, مدل ایرینگ,
چکیده مقاله :
در پژوهش حاضر، نمونه‌های استاندارد از جنس پلی‌یورتان گرماسخت با استفاده از روش ریخته‌گری محلول تهیه شدند. جهت بررسی تاثیر نرخ کرنش بر خواص مکانیکی پلی‌یورتان، نمونه‌های استاندارد در دمای محیط و در نرخ‌های کرنش متفاوت (5-10 × 2 تا 1-s 2-10 × 2) تحت آزمون کشش قرار گرفته و با استفاده از نتایج آزمون کشش و روابط مدل ایرینگ، آنتالپی فعال‌سازی بدست آمد. هم‌چنین مشخصه‌یابی شیمیایی و حرارتی نمونه‌ها توسط آزمون‌های مادون قرمز، آنالیز دینامیکی- مکانیکی و آنالیز توزین حرارتی انجام پذیرفت. سطح شکست نمونه‌ها نیز توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج آزمون کشش نشان داد که با افزایش نرخ کرنش استحکام کششی و مدول الاستیک نمونه‌ها به ترتیب بیش از 80 و 300 درصد افزایش یافته و این در حالی است که کرنش شکست پلی‌یورتان تا بیش از 50 درصد کاهش می‌یابد. با بررسی تصاویر میکروسکوپی مشخص است که با افزایش نرخ کرنش، سطح شکست نمونه‌ها به سمت شکست ترد میل می‌کند. در انتها نیز با استفاده از روابط مدل ایرینگ آنتالپی فعال‌سازی kJ/mol 49/45 محاسبه گردید که نتیجه جدیدی برای پلی‌یورتان گرماسخت به حساب می‌آید.
In the current research, samples of thermoset polyurethane were fabricated through the solution casting method. In order to investigate the effect of strain rate on the mechanical properties of polyurethane, a tensile test was done on standard samples, at ambient temperature and different strain rates (2×10-5 to 2×10-2); and activation enthalpy was obtained by using tensile test results and Eyring model equations. Chemical and thermal characterizations were done by fourier transform infrared spectroscopy, dynamical-mechanical analysis and thermogravimetry. Fracture surface of samples were also studied by scanning electron microscopy. Tensile test results showed that by increasing strain rate, tensile strength and elastic modulus were improved by 80 and 300% respectively, while fracture strain was reduced by more than 50%. It was also evident by investigation of SEM micrographs that the fracture surface of samples was changed to brittle fracture by increasing strain rate. Finally, the amount of activation enthalpy obtained was 45.49 kJ/mol, which is a new result for thermoset polyurethane.
1- G. C. Jacob, J. M. Starbuck, J. F. Fellers, S. Simunovic and R. G. Boeman, “Strain Rate Effects on the Mechanical Properties of Polymer Composite Materials”, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 94, pp. 296–301, 2004.
2- M. Schoßig, C. Bierögel, W. Grellmann, R. Bardenheier and T. Mecklenburg, “Effect of Strain Rate on Mechanical Properties of Reinforced Polyolefins”, Proceedings of the European Conference of Fracture, Alexandroupolis, Greece, 2006.
3- J. Tsai and C.T. Sun, “Constitutive model for high strain rate response of polymeric composites”, Composites Science and Technology, Vol. 62, pp. 1289–1297, 2002.
4- T. Gómez-del Río, A. Salazar and J. Rodríguez, “Effect of strain rate and temperature on tensile properties of ethylene–propylene block copolymers”,
Materials and Design, Vol. 42, pp. 301–307, 2012.
5- J. Yi, M.C. Boyce, G.F. Lee and E. Balizer, “Large deformation rate-dependent stress–strain behavior of polyurea and polyurethanes”, Polymer, Vol. 47, pp. 319–329, 2006.
6- B. F.Arlas a, U. Khan, L. Rueda, J. N. Coleman, I. Mondragon, M. A. Corcuera and A. Eceiza, “Influence of hard segment content and nature on polyurethane/multiwalled carbon nanotube composites”, Composites Science and Technology, Vol. 71, pp. 1030–1038, 2011.
7- T. Gómez-del Río and J. Rodríguez, “Compression yielding of epoxy: Strain rate and temperature effect”, Materials and Design, Vol. 35, pp. 369–373, 2012.
8- M.R. Loos, J. Yang, D.L. Feke, I. Manas-Zloczower, S. Unal and U. Younes, “Enhancement of fatigue life of polyurethane composites containing carbon nanotubes”, Composites: Part B, Vol. 44, pp. 740–744, 2013.
9- E. Cipriani, M. Zanetti, V. Brunella, L. Costa and P. Bracco, “Thermoplastic polyurethanes with polycarbonate soft phase: Effect of thermal treatment on phase morphology”, Polymer Degradation and Stability, Vol. 97, pp. 1794-1800, 2012.
10- M. A. Hood, B. Wang, J. M. Sands, J. J. La Scala, F. L. Beyer and C. Y. Li, “Morphology control of segmented polyurethanes by crystallization of hard and soft segments”, Polymer, Vol. 51, pp. 2191–2198, 2010.
11- A. Sharma, A. Shukla and R.A. Prosser, “Mechanical characterization of soft materials using high speed photography and split hopkinson pressure bar technique”, Journal of Materials Science, Vol. 37, pp. 1005–1017, 2002.
12- H.J. Qi and M.C. Boyce, “Stress-strain behavior of thermoplastic polyurethane”, Mechanics of Materials, Vol. 37, pp. 817–839, 2005.
13- S. S. Sarva, S. Deschanel, M. C. Boyce and W. Chen, “Stress strain behavior of a polyurea and a polyurethane from low to high strain rates”, Polymer, Vol. 48, pp. 2208-2213, 2007.
14- G. R. da Silva, A. da Silva-Cunha Jr., F. Behar-Cohen, E. Ayres and R. L. Oréfice, “Biodegradation of polyurethanes and nanocomposites to non-cytotoxic degradation products”, Polymer Degradation and Stability, Vol. 95, pp. 491–499, 2010.
15- X. Wang, Z. Du, C. Zhang, C. Li, X. Yang and H. Li, “Multi-walled carbon nanotubes encapsulated with polyurethane and its nanocomposites”, Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol. 46, pp. 4857–4865, 2008.
16- N. G. Sahoo, Y. C. Jung, H. H. So and J. W. Cho, “Synthesis of polyurethane nanocomposites of functionalized carbon nanotubes by in-situ polymerization methods”, Journal of the Korean Physical Society, Vol. 51, pp. S1– S6, 2007.
17- S. Shadlou, B. Ahmadi-Moghadam and F. Taheri, “The effect of strain-rate on the tensile and compressive behavior of graphene reinforced epoxy/nanocomposites”, Materials and Design, Vol. 59, pp. 439–447, 2014.
18- N. G. McCrum, C. P. Buckley and C.B. Bucknall, Principles of Polymer Engineering, 2nd ed., Oxford University press, 2011.