مروری بر پژوهش‌های انجام شده از تاثیر دما بر خواص اسفنج‌های پلی‌یورتان
برگردان: مهندس فائزه نرگسی اعظم
دما به عنوان یکی از شاخص‌های اصلی تاثیرگزار بر خواص اسفنج‌های پلی‌یورتان است، به گونه‌ای که در دماهای مختلف گستره‌ای از خواص مکانیکی مختلف در اسفنج‌های پلی‌یورتانی وجود دارد. برای درک تاثیر دما روی خواص مکانیکی اسفنج‌های پلی‌یورتانی و ارائه‌ی یک مبنای نظری برای کاربردهای اسفنج‌های پلی‌یورتانی در محیط‌های دشوار، در این مقاله به طور نظام‌مند به بررسی پژوهش‌هایی پرداخته شده است که توسط پژوهشگران انجام شده و تاثیر دمای قالب، دمای مواد اولیه و دمای محیط را بر ریزساختار و خواص مکانیکی اسفنج‌های پلی‌یورتانی در مراحل شکل‌دهی و عملیاتی آن بررسی کرده‌اند. با مروری بر مقالات موجود در این زمینه اثر دماهای مختلف بر خواص مکانیکی اسفنج‌های پلی‌یورتانی به طور خلاصه آورده شده است. مروری بر مقالات موجود نشان می‌دهد که تغییرات خاصی در فرایند اسفنجش، ساختار خانک‌ها (سلول‌ها) و خواص مکانیکی اسفنج‌های پلی‌یورتان در دماهای مختلف وجود دارد و افزایش دما به طور کلی منجر به افزایش اندازه خانک‌ها، کاهش چگالی و کاهش خواص مکانیکی اسفنج‌های پلی‌یورتان می‌شود.
مقدمه
مواد بسپاری به طور عمده به سه دسته تقسیم می‌شوند: پلاستیک، لاستیک و الیاف که در این میان پلاستیک با بیشترین سهم مصرف در حدود 70 تا 75 درصد از تولید کل، امروزه به طور گسترده در زمینه‌های کشاورزی، ترابری، ساخت و ساز، مهندسی، درمان‌های پزشکی و ساخت و ساز دفاعی کاربرد دارد. اسفنج پلی‌یورتانی یک ماده‌ی سنتزی مهم است که از واکنش پلی‌ال و ایزوسیانات تشکیل می‌شود که دارای ویژگی‌هایی است از جمله قابلیت تغییر آمیزه‌سازی، تولید انواع مختلف محصولات، خواص مکانیکی عالی و سادگی روش‌های فراورش و شکل‌دهی که بسته به طراحی فرمول‌بندی، محصول مورد نظر می‌تواند تهیه شود. انواع مختلفی از اسفنج‌های پلی‌یورتان وجود دارد که نیازهای حوزه‌های مختلف را برآورده می‌کند و انواع محصولات شامل مواد اسفنجی، لاستیک‌ها، چسب‌ها، کف‌پوش‌ها، مواد ضد آب، چرم مصنوعی الیافی، پوشش‌های پایه آب و بسیاری دیگر است. اسفنج پلی‌یورتان کم چگالی خواصی چون، عایق گرمایی، جذب ضربه، میرایش صدا و جلوگیری از آلودگی صوتی، خواص مکانیکی خوب و… دارد. تمام این مزایا باعث شده است که اسفنج‌های پلی‌یورتان یکی از مواد بسپاری ضروری در جهان امروز باشند که به طور گسترده‌ای در خطوط لوله نفت، ترابری، ساخت و ساز، لوازم خانگی الکترونیکی، تجهیزات پزشکی، تجهیزات ورزشی و… استفاده می‌شوند. اسفنج‌های پلی‌یورتانی به عنوان محصولی که بیشترین سهم را در پیشرفت پلاستیک‌های مصنوعی دارند، با سرعت زیادی در صنعت پلاستیک رشد کرده-اند. این ماده که اسفنج پلی‌یورتان پرخانک (سلولی) مصنوعی است شامل رزین‌های اسفنج پلی‌یورتانی و تعداد زیادی خانک ریز است که در زبان انگلیسی به اختصار PUF نام گرفته است. طبق تعریف مشخص است که ویژگی اصلی، خانک‌دار بودن است که در کنار خواص مکانیکی فوق العاده باعث شده اسفنج‌های پلی‌یورتانی کم چگالی، استحکام ویژه بالا و مجموعه‌ی وسیعی از خواص قابل تنظیم را دارا باشند. مطابق با میزان خمش‌پذیری اسفنج پلی‌یورتانی می‌توان آن را در سه گروه اسفنج منعطف، به نسبت صلب و صلب جای داد. در میان آن‌ها، اسفنج پلی‌یورتان صلب (RPUF) نوعی از اسفنج پلی‌یورتانی است که وقتی تحت بار معینی قرار می‌گیرد تغییر شکل قابل توجهی تجربه نمی‌کند اما وقتی تحت باری بیش از حد قرار می‌گیرد دیگر به حالت اولیه‌اش باز نمی‌گردد. در سال‌های اخیر، RPUF به طور گسترده در حفاظت از آب، مهندسی عمران، ترابری و معدن به دلیل مزایای بدون نیاز به تعمیر و نگهداری‌اش، واکنش‌پذیری سریع قالب‌بندی، سبک وزن بودن و خواص مکانیکی خوبی که دارد مورد استفاده قرار گرفته است. نقش اصلی آن در پروژه‌ی حفاظت از آب، جایگزینی مواد پایه سیمانی با اسفنج‌های پلی‌یورتانی به عنوان مواد تزریقی برای عملیات پی‌ریزی، کنترل نشتی و تعمیر است. شاخص‌های اصلی‌ای که می‌توانند روی خواص مکانیکی اسفنج‌های پلی‌یورتانی تاثیرگذار باشند چگالی، دما، رطوبت و میزان تغییر شکل است، همان‌گونه که زمینه‌ی کاربردی اسفنج‌های پلی‌یورتانی بیشتر و بیشتر می‌شود هزینه خدمات آن-ها هم بیشتر و پیچیده‌تر می‌شود چه برخی موارد از کاربرد اسفنج‌های پلی‌یورتان، قرار گرفتن تحت سرما و گرما است. بنابراین، به منظور پاسخگویی به نیازهای دما در اسفنج‌های پلی‌یورتان در مهندسی واقعی، پژوهش‌ها درباره خواص مکانیکی تحت تاثیر دمای اسفنج‌های پلی‌یورتان در سال‌های اخیر توجه بیشتری از سوی پژوهشگران داخلی و خارجی جلب کرده است. در این مقاله، به بررسی پژوهش‌های انجام شده درباره تاثیر دما بر خواص مکانیکی اسفنج‌های پلی‌یورتان توسط پژوهشگران پرداخته می‌شود و همچنین تاثیر دما بر خواص اسفنج‌های پلی‌یورتان در مرحله شکلگیری و مرحله عملیاتی مورد بررسی قرار می‌گیرد که این امر پایه‌گذار نظری برای استفاده از مواد بسپاری در محیط‌های دشوار در آینده خواهد بود.
2- تاثیر دما بر خواص اسفنج‌های پلی‌یورتانی در طول مرحله‌ی شکلگیری
خواص مکانیکی اسفنج‌های پلی‌یورتان عمدتا به ساختار خانکی (سلولی) آن‌ها بستگی دارد، از جمله اندازه سلول، محتوای سلول، ناهمسان‌گردی (anisotropy) ساختار سلولی و ضخامت دیواره سلول. مراحل تشکیل اسفنج‌های پلی‌یورتان شامل چهار مرحله هسته‌زایی سلول، رشد سلول، جدایش ریزفازی (microphase separation) و بسپارش است. در فرایند اسفنجش تا قالب‌گیری، دمای محیط، نسبت مواد اولیه، دمای قالب، دمای مواد و زمان سخت شدن بر آهنگ اسفنجش و
ریخت‌شناسی (morphology) نهایی ساختار سلولی اسفنج‌های پلی‌یورتان تاثیر می‌گذارد. سطح دماهای مواد و محیط در طول فرایند اسفنجش تا قالب‌گیری به طور مستقیم بر کیفیت محصولات اسفنجی تاثیر می‌گذارد و بنابراین عملکرد اسفنج‌های پلی‌یورتان را در درجات مختلف تحت تاثیر قرار می‌دهد.
- تاثیر دمای قالب بر اسفنج‌های پلی‌یورتانی
دماي قالب عامل کلیدی در فرایند اسفنجش است، همان‌گونه که از نام آن مشخص است؛ قالب مواد اسفنج پلی‌یورتان در دماهای مختلف تنظیم می‌شود و سپس مواد اسفنجی درون قالب قرار می‌گیرد تا اسفنجش انجام شود. دمای قالب نه تنها بر سرعت کاهش گرمای واکنش تاثیر می‌گذارد، بلکه زمان قالب‌گیری را نیز تحت تاثیر قرار می‌دهد و بر چگالی، ساختار سلولی و پایداری ابعادی نیز تاثیر می‌گذارد. - تاثیر بر ساختار سلولی
دمای قالب بر ساختار سلولی اسفنج‌های پلی‌یورتان تاثیر می‌گذارد و برای ریزساختار اسفنج‌های پلی‌یورتان که در دماهای مختلف قالب‌گیری شده‌اند، یک آزمایش ریزبینی (microscopic) انجام دادند که نتایج نشان داد اسفنج‌های پلی‌یورتان که در دماهای پایین اصلاح شده‌اند، محتوای سلولی ناهمسان‌گرد با اندازه‌های یکنواخت تولید کردند. عبور محدود بین سلول‌ها از طریق دیواره‌های سلولی منجر به سفتی شد. با این حال، در دماهای بالا، اسفنج‌های پلی‌یورتان سلول‌های کروی همسان‌گرد (isotropic) بیشتری با تغییر اندازه بزرگ‌تر و بدون جهت‌گیری خاص تولید کردند و دیواره‌های سلولی به طور قابل توجهی ضخیم‌تر بودند. از سوی دیگر، تاثیر اسفنج‌های پلی‌یورتان در دماهای مختلف قالب‌گیری بر بافت سطحی اسفنج‌های پلی‌یورتان بررسی شد که در زبری سطح در دماهای مختلف قالب‌گیری متفاوت بود و مشاهده شد که دماهای قالب‌گیری 40 درجه سلسیوس و 60 درجه سلسیوس نرم‌ترین سطح را داشتند. علاوه بر این، دمای قالب می‌تواند بر چگالی و همچنین شیو چگالی (density gradient) مواد اسفنج پلی‌یورتان تاثیر بگذارد. مواد اسفنج پلی‌یورتان در دماهای مختلف قالب‌گیری شده و چگالی آن‌ها پس از اسفنجش مشاهده شده و دریافته‌اند که با افزایش دما، افزودنی‌های پف‌زا به دلیل افزایش گرانروی در حین اسفنجش قادر به پر کردن قالب نیستند. در این حالت در بخش‌هایی که اسفنج پر نشده، فضاهایی خالی ایجاد می‌شود و چگالی اسفنج‌های پلی‌یورتان در درجات مختلف کاهش می‌یابد. علاوه بر این، پژوهش‌هایی نشان داد که افزایش دمای قالب می‌تواند به طور موثری شیو چگالی متوسط، چگالی در جهت رشد و یکنواختی سلول (سلول‌های) اسفنج را کاهش دهد. با افزایش دمای قالب، اندازه متوسط سلول‌های اسفنج پلی‌یورتان بزرگ‌تر شد و ثبات ابعادی به طور قابل توجهی بهبود یافت. متاسفانه، تنها تحلیل‌های کیفی در مورد تاثیر دمای قالب بر ساختار سلولی ریزبینی مواد اسفنج پلی‌یورتان موجود است و آمار مربوط به تغییرات اندازه سلول یا تخلخل آن در حال حاضر در دسترس نیست. - تاثیر بر استحکام مکانیکی
تغییر دمای قالب باعث تغییر در ساختار سلولی و در نهایت تغییر در خواص مکانیکی اسفنج‌های پلی‌یورتان می‌شود. پژوهشگرانی خواص مکانیکی اسفنج‌های پلی‌یورتان را در دماهای مختلف قالب‌گیری به طور موثری اندازه‌گیری کردند. نتایج کلی نشان می‌دهد که با افزایش دمای قالب، خواص مکانیکی مواد اسفنج پلی‌یورتان مانند مقاومت فشاری، کششی، برشی و مدول کشسان روند کاهشی قابل توجهی را نشان می‌دهد. علاوه بر این، تاثیر دمای قالب (40، 60، 80 ، 100 درجه سلسیوس) بر پاسخ مکانیکی مواد اسفنج پلی‌یورتان قالب‌گیری شده تزریقی را در دماهای مختلف محیطی و ساختارهای مولکولی بررسی کرد و منحنی‌های تنش-کرنش به دست آمده نشان داد که افزایش دمای قالب منجر به کاهش مقاومت کششی، همچنین مدول کششی و افزایش کرنش تسلیم کششی شد. برخی پژوهشگران به نتایج متفاوتی رسیده‌اند، در پژوهشی چهار عامل فرایندی شامل: میزان پرشدگی جرمی، دمای قالب، دمای ماده و سرعت هم‌زدن انتخاب شد تا یک آزمایش متعامد (orthogonal) 4 عاملی و 3 سطحی بر روی فرایند اسفنجش RPUFs انجام شود و تاثیر شرایط فرایند بر ساختار و خواص سلول‌های RPUF با تحلیل داده‌های تجربی مورد بحث قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد که افزایش دمای قالب می‌تواند به طور موثری چگالی کلی در جهت رشد و یکنواختی سلول اسفنج را بهبود بخشد.
شکل 1 چگالی و استحکام فشاری مواد اسفنج پلی‌یورتان در دماهای مختلف قالب را نشان می‌دهد. به دلیل دامنه گسترده چگالی موجود در داده‌ها و برای نمایش مصورتر روند کلی تغییرات داده‌ها، این مقاله از روش متداول برای پردازش داده‌های چگالی بسپار تحت تاثیر دما استفاده می‌کند. از شکل مشخص است که با افزایش دمای قالب، چگالی و مقاومت فشاری اسفنج‌های پلی‌یورتان هر دو روند نزولی را نشان می‌دهند و دامنه‌ی تغییرات دمای بالای 65 درجه سلسیوس کاهش می‌یابد.
تتاثیر دمای محیط بر اسفنج‌های پلی‌یورتان
تشکیل اسفنج از مواد بسپاری همچنین به دمای محیطی که در آن قرار دارد مرتبط است. در پژوهشی تاثیر دمای محیط بر تشکیل سلول‌های همگن اسفنج‌ها بررسی شده و تاثیر دمای محیط بر یکنواختی اندازه سلول‌ها با همان فرمول‌بندی با توجه به تغییرات جو (دمای مواد اولیه با دمای محیط اسفنجش مطابقت دارد) مطالعه شده است. نتایج تجربی نشان می‌دهد که زمان اسفنجش به طور چشم‌گیری با افزایش دما کاهش می‌یابد. تاثیر دمای محیط و محتوای عامل پف‌زا بر خواص اسفنج‌های پلی‌یورتان نیز بررسی شده است. در این مطالعه، رفتار اسفنجش اسفنج‌های نیمه‌صلب پلی‌یورتان با استفاده از دو متغیر اصلی فراورش، یعنی دمای محیط و محتوای عامل پف‌زا برای آزمایش اسفنج لیوانی شکل (cup-shaped foam test) مشاهده شد. هرچه دمای محیط کمتر باشد، اسفنج متراکم‌تر و ارتفاع اسفنج کمتر است و هرچه دما بیشتر باشد، اسفنج کامل‌تر و اندازه سلول بزرگ‌تر می‌شود. تمام این مطالعات نشان می‌دهند که وقتی دمای محیط افزایش می‌یابد، دمای ماده و دمای قالب نیز به تبع آن افزایش می‌یابد که این امر واکنش‌پذیری مولکول‌های بسپاری را افزایش داده و برخوردهای مولکولی بسپار (polymer molecule collisions) را تشدید می‌کند. در حالی که دما افزایش می‌یابد، هدررفت گرما در طول واکنش مخلوط کم است و دما در طول واکنش به نسبت افزایش می‌یابد که این امر آهنگ واکنش بسپارش و آهنگ اسفنجش را افزایش داده و باعث تولید ساختارهای ریزمتخلخل بیشتری توسط بسپار یا بزرگ‌تر شدن حجم ساختارهای ریزمتخلخل می‌شود.
اثیر دمای اولیه‌ی مخلوط بر اسفنج‌های پلی‌یورتانی
شرایط اولیه واکنش‌دهنده‌ها نه تنها ساختار سلولی ماده اسفنج را مشخص می‌کند، بلکه بر زمان اسفنجش اسفنج‌های پلی‌یورتان نیز تاثیر می‌گذارد. پژوهشگرانی فراسنج‌های فرایند اسفنجش دو فرمول‌بندی مختلف اسفنج صلب پلی‌یورتان را با برازش خطی زمان‌های واکنش اندازه‌گیری شده به دماهای ورودی مربوطه مطالعه کردند. شکل 2 نشان می‌دهد که رابطه‌ای خطی بین دمای اولیه مخلوط و چندین فراسنج زمان اسفنجش وجود دارد، به طوری که افزایش دمای ماده زمان اسفنجش را کاهش می‌دهد. در پژوهش دیگری مخلوط اولیه اسفنج‌های پلی‌یورتان در چند دمای پیش‌گرم از 20 درجه سلسیوس تا 100 درجه سلسیوس با افزایش 10 درجه سلسیوس در هر مرحله پیش‌گرم شد و مشاهدات تجربی ریزبینی SEM و همچنین آزمایش‌های خواص مکانیکی پس از پایان فرایند اسفنجش انجام گردید. همان‌گونه که در شکل 3 نشان داده شده است، تخلخل از 3/33 درصد در 20 درجه سلسیوس به 2/45 درصد در 60 درجه سلسیوس افزایش یافته و سپس به 3/37 درصد در دمای مشخص 100 درجه سلسیوس کاهش یافت.
تخلخل اسفنج‌های پلی‌یورتان به تدریج با افزایش دمای پیش‌گرم افزایش یافت و چگالی مربوطه کاهش یافت. نتایج آزمون‌های خواص مکانیکی نشان داد که هر دو فراسنج استحکام کششی و مدول اسفنج‌های پلی‌یورتانی به طور تدریجی با افزایش دمای پیش گرم شدن، کاهش می‌یابد. در یک پژوهش از نسبت‌های مختلف مخلوط اولیه و دمای مخلوط اولیه (45–20 درجه سلسیوس) برای اسفنج‌های پلی‌یورتان استفاده شد و نتایج نشان داد که دمای بالاتر مخلوط اولیه می‌تواند به طور قابل توجهی زمان پر شدن اسفنج‌های پلی‌یورتان را کاهش داده و یکنواختی اسفنجش را بهبود بخشد.
به طور خلاصه، دمای قالب، دمای محیط و دمای مواد اولیه بر واکنش شیمیایی فرایند شکلگیری اسفنج‌های پلی‌یورتانی تاثیر می‌گذارد. در مرحله‌ی تشکیل، اسفنج‌های پلی‌یورتانی به طور کلی تحت تاثیر دو فرایند قرار می‌گیرند: واکنش ژل شدن، شکلگیری و پخت. فرایند واکنش شیمیایی در معادلات زیر نشان داده شده است.
3- تاثیر دما روی خواص اسفنج‌های پلی‌یورتانی در مرحله‌ی عملیاتی
از آن جایی که مواد پلی‌یورتانی به طور گسترده در ترابری و ساخت‌وساز استفاده می‌شوند تحت گستره‌ای از دماهای محیط قرار می‌گیرند و دما یکی از مهم‌ترین عوامل تاثیرگذار بر عملکرد اسفنج‌های پلی‌یورتانی است. تغییر دمای محیط منجر به تغییر در خواص سامانه می‌شود، بنابراین پژوهشگران مطالعاتی بر خواص مختلف منتج از عملکرد اسفنج‌های پلی‌یورتانی در دماهای مختلف انجام داده‌اند.
- تاثیر دمای محیط بر خواص کششی و فشاری
در مرحله عملیاتی مواد اسفنج پلی‌یورتان، پژوهشگران مطالعات تجربی زیادی در مورد تاثیر دمای محیط بر مقاومت کششی و فشاری اسفنج‌های پلی‌یورتان انجام داده‌اند. پژوهشگرانی الگوی تغییرات مقاومت فشاری و کششی مواد RPUF با چگالی‌های مختلف را در دماهای مختلف از طریق آزمایش‌هایی مورد بررسی قرار دادند و نتایج نشان داد که افزایش دما منجر به کاهش مقاومت و مدول می‌شود. با کاهش دما، مدول و مقاومت تسلیم تمایل به افزایش داشتند، کرنش کشسان اسفنج افزایش یافت، اما مرحله تسلیم کوتاه‌تر شد و تغییر شکل مومسان کاهش یافت. در پژوهش دیگری به شکل دیگری، نمونه‌های پلی‌یورتانی با چگالی‌های مختلف در شرایط دماهای مختلف آزمایش شده و معادله‌ای برای تغییر استحکام فشاری اسفنج‌های پلی‌یورتان با چگالی‌های مختلف با تغییر دما به دست آمد. در آن پژوهش همچنین پژوهشگران به قانون تغییر حجم نمونه‌های اسفنج پلی‌یورتان با تغییر دما دست یافتند. در پژوهشی آزمایش‌های فشاری محوری روی نمونه‌های استوانه‌ای GFRP (پلی‌یورتان تقویت‌شده با الیاف شیشه) پر شده با اسفنج در دماهای 20 تا 110 درجه سلسیوس انجام شد. تاثیرات دما، ضخامت دیواره خارجی و تقویت یا عدم تقویت اسفنج بر خواص مکانیکی و ویژگی‌های جذب انرژی نمونه‌های استوانه‌ای GFRP پر شده با اسفنج مورد بررسی قرار گرفت. نتایج آزمایش نشان داد که خواص فشاری محوری و ویژگی‌های جذب انرژی تحت تاثیر ضخامت لایه سطحی GFRP قرار دارد، اما دما نقش تعیین‌کننده‌ای ایفا می‌کند. مقاومت فشاری نهایی نمونه‌های استوانه‌ای GFRP پر شده با اسفنج به طور قابل توجهی با افزایش دما کاهش یافت. در یک پژوهش به طور تجربی تاثیر دما بر خواص مکانیکی چندسازه‌های CFRP (چندسازه‌های پلی‌یورتان تقویت‌شده با الیاف کربن) تحت آزمایش‌های خمشی سه‌نقطه‌ای ایستا و پویا بررسی شد. نتایج نشان داد که چندسازه‌های CFRP در دماهای کمتر، مقاومت خمشی قوی‌تر، حداکثر انحراف و جذب انرژی بیشتری ارائه می‌دهند، در حالی که عملکرد آن‌ها در دماهای بالاتر به نسبت ضعیف بود. شکل 5 روندهای فشرده‌سازی و مقاومت مواد اسفنج پلی‌یورتان با چگالی‌های مختلف را که در دماهای محیطی مختلف توسط پژوهشگران مورد بررسی قرار گرفته‌اند، جمع‌آوری کرده است. از شکل دریافت می‌شود که مقاومت فشاری اسفنج‌های پلی‌یورتانی با افزایش دمای محیط کاهش می‌یابد. به طور دقیق و شهودی، پژوهشگران برای نشان دادن الگوی تسلیم استحکام اسفنج‌های پلی‌یورتانی در دمای بالا الگوهای پیش‌بینی را برای اسفنج‌های مختلف توسعه داده‌اند.
در پژوهشی مدول ذخیره انرژی و عامل اتلاف مواد بسپاری در دماها، بسامدها و چگالی‌های مختلف برای خواص گران‌رو کشسان پویای مواد جدید بسپاری به دست آمد. عوامل موثر بر گران‌رو کشسانی مواد بسپاری مورد تحلیل قرار گرفت و یک الگوی ذاتی گران‌رو کشسان برای مواد بسپاری توسعه یافت. در پژوهش دیگری از روش خمشی سه‌نقطه‌ای استفاده شد. فراسنج‌های پویای گران‌رو کشسان مواد اسفنج پلی‌یورتان با چگالی‌های مختلف در بسامدهای مختلف در دماهای 50- ، 25- ، 0، 25 و 50 درجه سلسیوس اندازه‌گیری شد.
یک الگوی عمومی ذاتی پویای گران‌رو کشسان بر پایه قانون Maxwell برای مواد پایه اسفنج پلی‌یورتان پیشنهاد شد و صحت و منطقی بودن این الگوی ذاتی تایید گردید. همچنین از فن شبکه‌های عصبی مصنوعی برای شبیه‌سازی وابستگی دما به خواص مکانیکی پویا و رفتار گران‌رو کشسان اسفنج‌های پلی‌یورتان گرمانرم که به طور گسترده‌ای توسعه یافته‌اند، در یک دامنه دمایی گسترده استفاده شد. از سوی دیگر، پژوهشگران یک الگوی SE را توسعه دادند که با موفقیت برای شبیه‌سازی رفتار واهلش تنش اسفنج‌های پلی‌یورتان در دماها و چگالی‌های مختلف استفاده شد. داده‌های تجربی در یک دوره کوتاه برای پیش‌بینی رفتار واهلش تنش مواد پلی‌یورتان در یک دوره طولانی مورد استفاده قرار گرفت. اصطلاحات چگالی اسفنج و دما با روابط بهبود یافته
Gibson-Ashby و معادله Arrhenius ترکیب شدند تا اصطلاحات واهلش تنش برای اسفنج‌های بسپاری توسعه یابند. در پژوهشی تاثیر چگالی اسفنج، سرعت آزمایش و دما بر چگالش و کارایی اسفنج‌های پلی‌یورتان با چگالی پایین و بالا بررسی شد.
منحنی‌های تنش-کرنش مهندسی بازسازی شده با استفاده از الگو تولید شدند. تاثیرات دما و سرعت آزمایش بر شروع چگالش و جذب انرژی کرنش خاص در اسفنج‌های پلی‌یورتان تحلیل شد. همچنین یک تبدیل الگو به یک الگوی قوی مبتنی بر فیزیک برای پیش‌بینی مدول سختی در دماها و آهنگ‌های بسامد/کرنش مختلف پیشنهاد گردید و به طور تجربی تاثیرات مسیر بارگذاری، آهنگ بارگذاری و دما بر تغییر شکل اسفنج پلی‌یورتان بررسی شد و مشخص شد که RPUF وابستگی زیادی به آهنگ کرنش و دما دارد. تمامی مطالعات فوق وابستگی به دما را برای اسفنج‌های پلی‌یورتان با استفاده از الگوهای مختلف تایید کردند.
- تاثیر دمای محیط بر استحکام ضربه
افزایش انرژی جذب‌شده توسط اسفنج‌های پلی‌یورتان هنگام بارگذاری فشاری پویا به دلیل افزایش مقاومت در برابر ضربه و سختی با کاهش دما و افزایش چگالی است. در این راستا، بسیاری از پژوهشگران مطالعاتی با استفاده از روش‌های مختلف انجام داده‌اند. در پژوهشی تاثیرات چگالی، آهنگ بارگذاری، جهت‌گیری مواد و دما بر خواص فشرده‌سازی پویای مواد RPUF بررسی شدند. نتایج نشان داد که همانند بارگذاری نیمه ایستا، خواص مکانیکی ماده با افزایش دما در آهنگ‌های کرنش بالا به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. در پژوهش دیگری از مکانیک پویا برای تحلیل رفتار مکانیکی مواد اسفنج پلی‌یورتان در آهنگ‌های کرنش مختلف (001/0 بر ثانیه تا 7000 بر ثانیه) و دماهای مختلف (40- تا 25 درجه سلسیوس) استفاده شد. نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که رفتار مکانیکی اسفنج‌های پلی‌یورتان به دما و آهنگ کرنش حساس است. تحت شرایط بارگذاری پویا، منحنی تنش-کرنش در منفی 40 درجه سلسیوس از حالت “کشسان” به حالت “شیشه‌ای” تغییر می‌کند. منحنی‌های تنش-کرنش در آهنگ کرنش پایین و دمای پایین می‌توانند با منحنی‌های مربوط به آهنگ کرنش بالا و دمای بالا هم‌پوشانی داشته باشند؛ ممکن است یک رابطه معادل بین دما و آهنگ کرنش وجود داشته باشد. پژوهشگرانی رفتار گران‌رو مومسان کشسان اسفنج پلی‌یورتان را تحت فشار ایستا/ پویا و وابسته به آهنگ کرنش و دما بررسی کردند. در دماهای پایین/ بالا، تنش تسلیم، ارتفاع ترازه (plateau) و ارتفاع متراکم شدن کاهش یافت. به‌ویژه، شیب و متراکم شدن ترازه با افزایش دما کاهش یافت. همچنین رفتار وابسته به آهنگ کرنش و دما از طریق آزمایش‌ها مطالعه شد. آزمایش‌های فشاری بر روی نمونه‌هایی با چگالی 200 کیلوگرم بر متر مکعب در آهنگ‌های کرنش 2 تا 360,000 میلی‌متر در دقیقه و دماهای منفی 60 درجه سلسیوس، 23 درجه سلسیوس و 80 درجه سلسیوس انجام شد. نتایج تجربی نشان می‌دهد که مدول کشسان، مقاومت تسلیم و سطح افت تنش ماده با افزایش آهنگ کرنش و کاهش دما افزایش می‌یابد. علاوه بر این، ناحیه افت تنش با تغییر آهنگ کرنش و دما گسترش می‌یابد. همچنین، به دلیل تاثیر دما بر شکنندگی اسفنج پلی‌یورتان، نسبت مقاومت در آهنگ‌های کرنش مختلف نیز تغییر کرد. - تاثیر دمای محیط بر خواص شکست
برای درک بهتر خواص مکانیکی اسفنج‌های پلی‌یورتان، مطالعه سازوکار آسیب شکست (fracture damage mechanism) نیز اهمیت دارد. چقرمگی شکست (fracture toughness در علم مواد، چقرمگی شکست، ضریب شدت تنش بحرانی یک ترک تیز است که در آن، انتشار ترک به طور ناگهانی سریع و نامحدود می‌شود، مترجم) اسفنج‌های پلی‌یورتان بسته RPUF تحت شرایط بارگذاری و دماهای مختلف مورد بررسی قرار گرفت. تاثیر چگالی و ناهمسان‌گردی بر رفتار شکست نیمه ایستا و پویا نیز به‌طور تجربی بررسی شد و نتایج نشان داد که تمام نمونه‌های اسفنج پلی‌یورتان در دماهای پایین افزایش قابل توجهی درKIC (چقرمگی شکست) نشان دادند، بدون توجه به چگالی اسفنج و جهت بارگذاری. در پژوهش دیگری خواص آسیب و آهنگ‌های بازیابی تغییر شکل (deformation recovery) اسفنج‌ها در دماها و سطوح مختلف آهنگ کرنش مورد بررسی قرار گرفت. نشان داده شد که کاهش دما تاثیر قابل توجهی بر رفتار شکست و میزان بازیابی دارد. همچنین پژوهشگرانی به‌طور تجربی چقرمگی شکست نوع 1 (type I) چسب را در دماهای پایین و آهنگ بارگذاری بالا مورد مطالعه قرار دادند. منحنی‌های بار-کرنش چسب اسفنج پلی‌یورتان در آهنگ‌های بارگذاری مختلف (5/0 mm/min، 50 mm/min، 500 mm/min ) و دماهای مختلف (دمای اتاق، منفی 20 درجه سلسیوس، منفی 40 درجه سلسیوس) به‌دست آمد. از نتایج تجربی، چقرمگی شکست نوع اسفنج‌های پلی‌یورتان به شدت به آهنگ‌های بارگذاری بالا و دماهای پایین حساس است. با افزایش آهنگ بارگذاری و کاهش دما، سختی شکست نوع 1 این اسفنج‌های پلی‌یورتان به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. - تاثیر آمایش گرمایی (heat treatment) در دماهای بالا بر خواص اسفنج پلی‌یورتان
در طول عمر مفید اسفنج‌های پلی‌یورتان که به عوامل پیرش خارجی (external aging factors) حساس هستند،
درشت‌مولکول‌های RPUF در دماهای بالا تا حدی تخریب می‌شوند. درجات مختلف تخریب در نهایت عملکرد RPUF را تا زمان شکست کاهش می‌دهند. پژوهشگرانی سازوکار تخریب گرمایی RPUF را بررسی کردند. آن‌ها پیشنهاد کردند که واکنش تخریب RPUF می‌تواند به دو مرحله تقسیم شود. ابتدا، پیوند کربامات شکسته شده و ایزوسیانات آزاد می‌شود، سپس تخریب عمده مازه بسپار (macromolecular backbone) اتفاق می‌افتد که محصولات کوچک‌مولکول مانند CO2 را آزاد می‌کند. آن‌ها مواد RPUF را تحت آمایش گرمایی در دماهای مختلف قرار دادند. پس از آمایش گرمایی در دماهای بالا، بسامدهای ارتعاشی گروه‌های ایزوسیانات و استرهای آمینو اسید در مولکول‌های RPUF افزایش یافت، در حالی که شکاف انرژی مداری (orbital energy gap، فاصله‌ای که در آن الکترون‌ها نمی‌توانند فضایی را بین این سطوح انرژی اشغال نمایند، مترجم) مولکول‌های RPUF کاهش یافت و خواص کششی RPUF با افزایش دمای آمایش گرمایی کاهش یافت. نتایج شبیه‌سازی‌های چند مقیاسی از خواص مکانیکی نشان داد که نقص‌ها و حفره‌هایی که در RPUF در دماهای بالا ایجاد می‌شوند با افزایش دمای آمایش گرمایی افزایش می‌یابند، که تمرکز تنش در RPUF را تشدید کرده و خواص کششی RPUF را کاهش می‌دهد. در پژوهش دیگری خواص گران‌رو کشسان پویای مواد اسفنج‌های پلی‌یورتان واکنشی غیرآبی با استفاده از تحلیل گرما مکانیکی پویا (DMA، Dynamic Thermo-Mechanical Analysis) مطالعه و گستره بسامدی مواد اسفنج‌های پلی‌یورتان واکنشی غیرآبی تحلیل شدند و نتایج نشان داد که این مواد دارای مقاومت خوبی در برابر سرما و گرما هستند که به تلفات مکانیکی واحدهای کوچک متحرک مواد اسفنج پلی‌یورتان مربوط می‌شود. آزمایش‌ها نشان داد که این ماده هنوز دارای مقاومت خوبی در برابر ضربه دمای پایین و تغییر شکل در دمای بالا در محدوده 60- تا 140 درجه سلسیوس است. در یک پژوهش ساختار ریزبینی اسفنج‌های پلی‌یورتان که تحت رطوبت نسبی 11درصد، 45 درصد و 80 درصد و دمای 70 درجه سلسیوس به مدت 1 و 2 ماه قرار داشتند، مطالعه شد و زنجیره‌های اسفنج پلی‌یورتان به تدریج با افزایش رطوبت و زمان پیرش کوتاه‌تر شدند. کوتاه شدن زنجیره‌های اسفنج پلی‌یورتان منجر به کاهش دمای انتقال شیشه‌ای بخش‌های زنجیره نرم و تسریع بلورینگی بخش‌های زنجیره نرم در طول نگهداری طولانی مدت نمونه‌های پیر شده در دمای اتاق شد.
در پژوهشی سازوکار شکست RPUF در دمای اتاق (RT) و شرایط لرزش در دمای بالا از طریق آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌های المان محدود بررسی شد. نتایج نشان داد که استحکام کششی اسفنج‌های پلی‌یورتان به تدریج با افزایش لرزش در دمای بالا و زمان کاهش می‌یابد و آسیب لرزشی اسفنج‌های پلی‌یورتان عمدتا به دلیل وجود ریزترک‌ها در ساختار سلولی از طریق آزمایش‌های ریزبینی مشاهده شد. سایر پژوهشگران پیشنهاد کرده‌اند که تجزیه گرمایی پلی‌یورتان از دمای 170 تا 200 درجه سلسیوس آغاز می‌شود و گروه کربامات در زنجیره اصلی بسپار در پیوند C–O شکسته شده، تجزیه می‌شود تا ایزوسیانات و پلی‌ال تشکیل شود و سپس بیشتر به آمین‌ها، الفین‌ها و CO2 تجزیه گردد. در طول فرایند تجزیه گرمایی، بخشی از محصولات دی‌ایزوسیانات واکنش داده و دی‌ایمید تشکیل می‌دهند. زمانی که دما به حدود 300 درجه سلسیوس رسید، پلی‌یورتان کاملا تجزیه شد. از دمای 320 درجه سلسیوس به بعد، دی‌ایمید از ایزوسیانات تجزیه می‌شود. واکنش تجزیه در فرمول 5 نشان داده شده است.
تجزیه اسفنج پلی‌یورتان به سه مرحله تقسیم می‌شود: از دست دادن ترکیبات آلی با پایداری پایین (شکست پیوند در ضعیف‌ترین پیوند زنجیره)، تخریب اکسایشی اجزای آلی و تخریب اکسایشی مواد باقی‌مانده. دی‌اوره و فرمات اوره به عنوان ضعیف‌ترین پیوندها در ماتریس اسفنج پلی‌یورتان انعطاف‌پذیر از نظر خواص گرمایی شناخته می‌شوند و در دماهای 100 تا 200 درجه سلسیوس، ایزوسیانات، پیوندهای متقاطع دی‌اوره و پیوندهای اصلی پلی‌یورتان یکی پس از دیگری تجزیه می‌شوند که با تبخیر آب همراه است. خواص مکانیکی اسفنج پلی‌یورتان در دمای 150 درجه سلسیوس به شدت کاهش می‌یابد. وقتی که دما بالاتر از 200 درجه سلسیوس می‌رود، کاربامات و همچنین گروه‌های اوره شروع به تجزیه می‌کنند. شدت نوار جذب (absorption band) مربوط به بخش پلی¬ال کاهش می‌یابد که نشان‌دهنده تخریب پلی¬ال است. هنگامی که دما به حدود 300 درجه سلسیوس ادامه می‌یابد، بخش سخت به طور کامل تجزیه شده است. پس از 340 درجه سلسیوس، پیوندهای کربونیل و اتر و سایر گروه‌های عملکردی مشخص تجزیه می‌شوند و هر قله در طیف کم می‌شود که نشان‌دهنده اتمام تخریب است.
واکنش‌پذیری شیمیایی گروه‌های واکنشی (ایزوسیانات و کربونیل) در مولکول‌های زیرلایه RPUF با افزایش دمای آمایش گرمایی اسفنج پلی‌یورتان بیشتر تحریک می‌شود. این منجر به تجزیه درشت¬مولکولی می‌شود که مناطق ضعیف در ساختار اسفنج را در برابر نیروهای خارجی آسیب‌پذیرتر می‌کند و باعث تمرکز بیشتر تنش‌ها و در نهایت منجر به شکست مکانیکی RPUF می‌شود. این فرایند در شکل 6 نشان داده شده است.
خواص پلی‌یورتان در دمای پایین
اسفنج پلی‌یورتان صلب به‌طور گسترده‌ای به‌عنوان ماده عایق گرمایی به دلیل هدایت حرارتی کم و نسبت چگالی استحکام بالا در دماهای کم، مانند لایه‌های عایق یخچال، خطوط لوله گاز طبیعی و کاربردهای هوافضا استفاده می‌شود. به‌عنوان یک ماده افشانه، اسفنج پلی‌یورتان همه مزایای فرآوری ساده‌تر و هزینه کمتر را دارد. همچنین در دماهای پایین خواص مکانیکی بهتری نسبت به دمای اتاق نشان می‌دهد و می‌تواند با ضربه در دماهای پایین سازگار شود. بنابراین، عملکرد اسفنج پلی‌یورتان در دماهای پایین نیز ارزش بررسی دارد. برخی از پژوهشگران خواص مکانیکی اسفنج پلی‌یورتان صلب (RPUF) را در دماهای پایین با آزمایش‌های خودکار شناسایی کرده‌اند. نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهد که RPUF در دماهای پایین دارای عملکرد فشاری و مدول یانگ بهتری با کاهش دما است. مقاومت کششی و مدول کششی نیز با کاهش دما افزایش می‌یابد و کشامد در نقطه شکست کاهش می‌یابد. به صورت هم‌زمان، با مشاهده ریخت‌شناسی اسفنج پلی‌یورتان هنگام شکست و ریزساختار آن در دماهای مختلف، مشخص شده است که این ماده در دماهای پایین ویژگی‌های شکننده قوی‌تری را نشان می‌دهد. پژوهشگران دیگری به مطالعه تهیه اسفنج پلی‌یورتان با مواد طبیعی به‌عنوان مواد اولیه پرداخته‌اند و تغییرات عملکرد پس از ضربه در دماهای پایین را بررسی کرده‌اند، نتایج نشان می‌دهد که در دماهای پایین، استحکام مکانیکی بالاتری به‌دست می‌آید. اسفنج پلی‌یورتان به‌طور اجتناب‌ناپذیری تحت تاثیر بار ضربه‌ای زمانی که در دماهای پایین در حال کار است، قرار می‌گیرد. پژوهشگران به بررسی واکنش مکانیکی اسفنج پلی‌یورتان تحت تاثیر آهنگ کرنش مختلف در دماهای پایین پرداخته‌اند. با کاهش دما، به دلیل افزایش مقاومت به ضربه، توزیع بار اسفنج پلی‌یورتان یکنواخت می‌شود که منجر به افزایش کشسانی، کشسانی ویژه ، انرژی جذب و انرژی جذب ویژه می‌شود. محققان پژوهشگران همچنین خواص پویای مکانیکی اسفنج پلی‌یورتان تقویت‌شده با الیاف شیشه را در دماهای پایین شناسایی کرده‌اند. خواص اسفنج پلی‌یورتان تقویت‌شده با الیاف شیشه با چگالی‌ها و جهت‌گیری‌های مختلف با استفاده از تحلیل مکانیکی دینامیکی (DMA) و آزمایش‌های ضربه با سرعت پایین مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که استحکام تسلیم اسفنج پلی‌یورتان با افزایش سرعت بارگذاری در هر دو دمای اتاق و دمای پایین افزایش می‌یابد. حالت شکست ماده مستقل از آهنگ کرنش است، اما به دما وابسته است و در دماهای پایین ویژگی‌های شکننده واضح‌تری را نشان می‌دهد. اسفنج پلی‌یورتان مورد استفاده برای عایق گرمایی در سقف یا انتقال خطوط لوله برای مدت طولانی در میدان تنش ناشی از ترکیب دما و رطوبت قرار دارد. تغییرات دما و رطوبت باعث آب‌کافت گروه اوره در ماده عایق RPUF می‌شود که منجر به پیرش ماده و تخریب ساختار سلولی و کاهش عملکرد عایق گرمایی RPUF می‌شود.
جمع‌بندی
مواد اسفنج پلی‌یورتان به دلیل خواص عالی خود در بسیاری از زمینه‌ها به‌طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفته‌اند. به‌دلیل ویژگی‌های خوب انبساط و خودسازگاری و همچنین مقاومت فشاری و کششی مناسب، این مواد نقش مهمی در زمینه‌های مهندسی مانند تعمیر نشتی، بالا بردن زمین، نگهداری جاده و تقویت پی ایفا می‌کنند. مواد اسفنج پلی‌یورتان موادی حساس به دما هستند و این مقاله به بررسی پژوهش‌های موجود در داخل و خارج از کشور از منظر تاثیر دما بر خواص اسفنج‌های پلی‌یورتان در مراحل ریختن و قالب‌گیری و همچنین در حین کار می‌پردازد. نتایج به شرح زیر است:
(1) دما بر استحکام اسفنج‌های پلی‌یورتان هم در مراحل ریخته‌گری و قالب‌گیری و هم در مرحله عملیاتی تاثیر می‌گذارد، و معمولا با افزایش دما، استحکام مواد اسفنج پلی‌یورتان به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. با این حال، تفاوت بین دو مرحله این است که تغییر دمای قالب، دمای ماده اولیه یا دمای محیط در زمان ریخته‌گری بر ساختار سلولی اسفنج‌های پلی‌یورتان در مرحله ریخته‌گری و قالب‌گیری تاثیر دارد. در حالی که تغییر دما در مرحله عملیاتی تنها استحکام ماده را تغییر می‌دهد و تغییر قابل توجهی در ساختار سلولی آن ایجاد نمی‌کند.
(2) از آنجا که فرایند اسفنجش بسپاری عمدتا یک واکنش شیمیایی گرمازا است، پیوند –NCO پلی‌ایزوسیانات و
پیوند –OH پلی‌ال اتر می‌توانند در دمای بالاتر به طور کامل واکنش دهند، مقدار زیادی گرما آزاد کرده و سلول‌های بیشتری تشکیل دهند که منجر به افزایش تخلخل و کاهش چگالی پس از قالب‌گیری اسفنج‌های پلی‌یورتان می‌شود. علاوه بر این، چون دمای پایین می‌تواند گرمای واکنش را سریع‌تر حذف کند، منجر به اندازه سلول کوچک‌تر و چگالی بالای محصولات نهایی نیز می‌شود. با این حال، مطالعه نظام‌مند درباره سازوکار عمل مولکولی اسفنج‌های پلی‌یورتان تحت تاثیر دما در مرحله عملیاتی وجود ندارد و اینکه آیا تغییر خواص مکانیکی آن وابسته به تغییر ریزساختار است هنوز موضوعی قابل بررسی و بحث است.
(3) طی سال‌های اخیر کاربرد چندسازه‌های اصلاح‌شده با پلی‌یورتان در مهندسی روزبه‌روز گسترش یافته است و تاثیر دما بر چندسازه‌ها نسبت به مواد خالص اسفنج پلی‌یورتان پیچیده‌تر است. علاوه بر این، مطالعه عملکرد کامپوزیت‌ها چندسازه‌ها تحت تاثیر دما و سازوکار عمل آن‌ها برای ساخت سازه‌های مهندسی اهمیت خاصی دارد.
منبع
Juan Wang, Chenxiao Zhang, Yu Deng, Peng Zhang, “A Review of Research on the Effect of Temperature on the Properties of Polyurethane Foams”, Polymers, 14,4586, 2022, 1-17.