ملتقى الفيزيائيين العرب - [حصـري] مقدمة في ميكانيـــكا البوليمير

بسم الله الرحمن الرحيم

البوليمير، هو جزيء أو عنصر مكرر "ن" مرة، مثل ستيران"styrene" الذي يشكل عند التصاقه البوليستيران ، الإيثيلان "ethylene" الذي يشكل عند التصاقه "البولي إيتيلان" البوليبروبيلان ''، ،polyproylene"، ميتيلبولي ميتا كريلات PDMS...إلخ

يتميز السلوك الميكانيكي للبوليمرات بالتنوع الكبير و الواضح. في الواقع ، عند ثثبيتنا
لشروط استعمال البوليمير ، و من منظور تكنولوجي ، يمكننا القول أن نجد أن البولير في الحالات الفيزيائية التالية:

[gdwl]جامد هش ، مرن أو مطاطي[/gdwl]
.
وهكذا ، فإنه في عائلة البوليمرات ، يمكنا العثور على العديد من أنواع السلوكات :
لزجة مطاطية ،لزجة بلاستيكية، بلاستيكية وكذلك مرنة، إضافة إلى بعض الحالات الخاصة.

هذا التغير في السوك يمكن أن يتواجد في نفس النوع من البوليمير!!! وهذا بتغيير بعض الخصائص الموجودة فيه، أو حتى مجال الإستعمال. إذن يمكن أن يكون لزج-مطاطي (ViscoElastic)، مرن، مطاطي...إلخ.

كل هذه الخصائص والسوكات المذكورة آنفا ، تعتبر عوامل يمكن التحكم فيها ومراقبتها وحتى تفعيلها بصورة تلقائية بعد التغيير في الخصائص والتوجيه.

قبل البدء في النقطة المقبلة يجب معرفة أن للبوليمير درجة حرارة خاصة تميزه عن باقي المواد الأخرى الموجودة في الطبيعة(معادن،سيراميك) وهي درجة حرارة الإنتقال الزجاجي ويرمز لها بـ Tg عند هذه الدرجة يدخل البوليمير من حالته الصلبة إلى حالة تسمى بالحالة المطاطية ، حتى يصل إلى درجة حرارة معينة يدخل حينها لفترة فصيرة من الزمن في منطقة تسمى منطقة السيلان، إلى أن أن يصل إلى درجة الإنصهار Tf، كما هو موضح في الشكل التالي :

http://img8.imageshack.us/img8/5784/57895778.jpg

درجة حرارة التغير لها أهمية كبيرة وتُبنى عليها العديد من الخصائص الميكانيكية للبوليمير.

يمكن أن نأخذ مثال شائع ومعروف وهو للبوليستيران، والشكل التالي يوضح تغير معامل يونغ للبوليستيران مع درجة الحرارة (درجة حرارة التغير الزجاجي مابين 40 إلى 60 درجة مئوية للبوليستيران) :

http://img818.imageshack.us/img818/3245/36550645.jpg

يبقى أن نشير أن مستوى التغير الذي يحدث عند Tg يتغير على حسب خصائص البوليمير، إضافة إلى أمر هام وهو السرعة المطبقة في ارتفاع درجة الحرارة الذي سيؤدي إلى تغير Tg وكذلك درجة الإنصهار Tf وسأعود لشرح هذه النقطة بأكثر تفصيل.

السلوك والعمليات الميكانيكية :

مثلما هو معمول به في المواد الاخرى (معادن، سيراميك، بلاستيك)، القاعدة الأساسية المتبعة :

* كل النقاط التي تشغل حيزا يشغلع جسم معين، هناك نقطة مادية، كل نقطة تتحرك بصورة متواصلة

* نقطتان متجاورتان يقصلهما بعد صغير، تبقيان متجاورتين
* الخصائص الفيزيائية تكون بصورة متواصلة ( في الحقيقة نُخفي قليلا من الحقيقة الفيزيائية التي تقول أن رد الفعل لمادة معينة يدخل فيه تشوه بصورة مباشرة أو متقطعة وما يرافقها في تغيرات الطاقة الداخلية للنظام).

تشويه البوليمير، يعني بصورة موضعية، تغيير مكان/تحريك مكان كل عناصره المتواصلة، أي الروابك التي تصل الجزئيات فيما بينها.
بالنسبة الجزئيات الكبرى (macromolecules) والتي تمثل البوليمير. في حالة تثبيت وضعية وضعية الروابط فيما بينها، فإنه يمكننا الحصول على عدة وضعيات للجزئيات في الفضاء وبالتالي ارتفاع النسبة البلورية(لا يوجد بوليمير بلوري 100%) كما هو مبين في الشكل تلموالي :

http://img196.imageshack.us/img196/4884/critani.jpg

نسبة البلورية لها مجموعة من الضوابط، سأعود بعدها لاعطاء نظرة بسيطة عنها، لكن هذا لا يمنع أن نقول أن شرط وجود بلورية في البوليمير هو وجود جزئيء متكرر على طول البوليمير أي Homopolymere ، في حالة وجود جزيء يمكن أن نسميه دخيل على الجزيئات الاخرى أي copolymere فإنه في هذه الحالة البلورية تكون مستحيلة.

إنخفاض نسبة البلورية سيؤدي إلى انخفاض درجة الإنصهار وبالتالي هذا الامر مهم جدا في الميدان الصناعي، فالتحكم بدرجة الغنصهر يعني توجيه البوليمير إلى الميدان الذي نعمل عليه، فاستعمال بوليمير داحل فرن درجة حرارته 30 درجة مئوية بانصهاره كما يمكن استعماله في درجة 60 درجة مئوية بدون انصهاره ، وبالتالي الوصول يمر عبر مجموعة من المفاهيم خاصة منها التسخين والتبريد لانزال درجة حرارة الإنصهار على المستوى الذي هو عليه بطريقة مُتحكم فيها، قد أرجع إليها لاحقا.

نعود إلى النقطة السابقة وهو أن تشويه بوليمير يعني تغيير وضعية الروابط في الفضاء منها فان دار فلز، الروابط الهيدروجينية، غلى غير ذلك كل على حسب طوبولوجيا البوليمير:

بوليمير خطي: يُمكن انصهاره
بوليمير في الأبعاد الثلاثة : غير قابل للذوان أو الإنصهار

هناك كذلك نوعين من البوليميرات الصناعية :

[gdwl]تارموبلاستيك : وهو القابل للرجوع إلى حالته الأولى بعد غخدات تغييرات عليه
بوليمير غير قابل للرجوع إلى الحالة الأصلية ( thermosetting )
[/gdwl]
تغير درجة حرارة التغير الزجاجي

قد تحدثت سابقا عن تغير درجة حرارة التغير الزجاجي وفقا لمجموعة من العوامل، وقبل أن ندهل في أحد هذه العوامل، وجب التذكير بأمر مهم ، والسؤال الذي يطرحه نفسه :

[gdwl]كيف تحدث Tg ؟[/gdwl]

كما هو معلوم، عند ارتفاع درجة الحرارة، تخصل إهتزازات على مستوى الجزئيات، وهو الامر المعمول به في ميكروويف

http://www.brison-sa.be/523-778-larg...e-hf15g541.jpg

حيث أن اهتزاز ذرتي الهيدروجين المرتبطان بالاوجسجين المشكل للماء، سيرفع درجة الحرارة مما يؤدي إلى تسخين الاكل وبالتالي ارتفاع dipole moment الذي يساوي ù=ql
http://img535.imageshack.us/img535/654/31923582.jpg

هذا الأمر ينطبق على البوليمير، حيث أن ارتفاع درجة الحرارة سيؤدي إلى اهتزاز الجزيئات، وفي كل مرة تعود الجزيئات إلى وضعيتها الأصلية في مدة زمنية معينة تسمى بـ "وقت الإسترجاع" الذي يحدث بين اهتزاز وآخر ويرتفع مع ارتفاع درجة الحرارة بطبيعة الحال، حتى تصل غلى درجة حرارة معينة لا يمكن معها للجزيئات أن تعود غلى حالتها الأصلية، حينئذ، يحدث التحول إلى الحالة الزجاجية Tg أي بصورة أدق

[gdwl]مدة الإسترجاع > مدة التجربة (1/T) [/gdwl]

وبالتالي عندما نقوم برفع التردد فإن Tg ترتفع

بالنسبة لسرعة ارتفاع درجة الحرارة ستؤدي إلى ارتفاع Tg كما رأينا وبالتالي سنكون على هذا الشكل :

http://img225.imageshack.us/img225/8334/66867641.jpg

خليط من مركبين مختلفين هل يعطي Tg واحدة أم إثنين؟

إذا كان لدينا خليطين متجانسين من البوليمير سكون لدينا درجة حرارة الإنتقال ازجاجي واحدة
إذا كان لدينا خليطين غير متجانسين: سيكون لدينا درجتي حرارة للإنتقال الزجاجي

طبعا لتحديد هتين الدرجتين نستعمل قانون jenckel-hensch

http://img264.imageshack.us/img264/294/28824758.gif

فهم النظام البلوري للبوليمير، سيؤدي إلى فهم كيفية التعامل مع معامل الإحتكاك الذي ينتج عن سطح البوليمير، لذا فالأمر يحتاج شرحا مفصلا، كان هذا الموضوع لاعطائكم مقدمة فقط بدون أن أدخل في التفاصيل المعمقة، لأن الامر يحتاج قبل كل شيء فهم البوليميرات من حيث الأنواع والخصائصص وكيفية الإنتارج، الهدف من الإنتاج، الخصائص الفيزيائية الكيميائية...إلخ

و لكن أعدكم في المرة القادمة وضع شرح لكلفية دراسة معامل الإحتكاك بصورة بسيطة ستكون حصيرية لملتقى الفيزيائيين العرب، بل ستكون حصرية في كل المنتديات العالمية، لأن الآلة التي تُستعمل في هذه الدراسة لها سنوات قليلة منذ صنعها وبالتالي مقالات قليلة تتحدث عن هذا الامر، وأقول في المقالات تُعطى نتائج الدراسة وليس كيفية استعمال هذه الآلة.

الشرح سيكون للآلة فقط ولطريقة استعمالها، تركيبها وكذا الأهداف التي نريدها. نماذج هذه الآلة يوجد منها القليل في العالم وعددها يُحسب على أصابع اليد الواحدة..

ودائما مع لؤلؤتكم....لؤلؤة المواقع والمنتديات

ملتقى الفيزيائيين العرب

[gdwl]مرحبا بأسئلتكم، مهما كان نوعها، مهما كانت بساطتها، فلا تترددو بذلك، فقط هناك أمور يمكن أن نقول أنها قاعدية وبالتالي شرحها قد يسلزم بعضا من الصبر، أو وقتا أكبر لفهمها، لأن هذا الميدان واسع جدا وتشعباته أكبر. أما الموضوع فقد وضعته على عجل وربما هناك بعض الأفكار غير واضحة، أو مفاهيم كان يجب وضعها ولم أقم بوضعها[/gdwl]

ووفقكم الله لما فيه خير لهذه الأمة

والسلام عليكم ورحمة الله تعالى وبركاته