توضیحات
پایان نامه رئولوژی مواد پلیمری
چکیده:
در این پروژه ابتدا رئولوژی مواد پلیمری مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه آمیزههای پلیمری و روشهای تهیه این ترکیبات بیان و همچنین به بحث پیرامون شرایط سازگاری و امتزاج- پذیری و کریستالیزاسیون این نوع مواد پرداخته شده است .
رئولوژی آمیزههای پلیمری و معادلات تجربی و قوانین حاکم بر این ترکیبات از دیدگاه رئولوژیکی از جمله مطالب میباشد.
بحث خاصیت ویسکوالاستیک خطی در آمیزههای پلیمری و نتایج و معادلات دیفرانسیلی حاکم بر آن و بررسی آنها در مدلهای نظری چون ماکسول و کلوین و … و همچنین روشهای اندازه گیری و تعیین عملکرد ویسکوالاستیک خطی از جمله بررسی‌هاست .
در نهایت رفتار ویسکوالاستیک آمیزههای پلیمری با استفاده از مدل امولسیون پالیرین برای تخمین مقاومت کشش سطحی بین اجزاء تشکیل دهنده یک آمیزه از طریق داده‌های تجربی بررسی شده و مدول پیچیده (G*) ترکیبات مذابی از طریق مقدار توزیع اندازه مواد تشکیل دهنده و مقدار نیروی کشش بین سطحی آنها محاسبه گردیده است.
سه آمیزه PS/PMM(80/20) و PS/PEMA – ۱(۸۰/۲۰) و PS/PEMA – ۲(۷۰/۳۰) مورد مقایسه و مدول ذخیره و افت آنها با پیشگویی های مدل امولسیون پالیرین قیاس گردیده است و این نتیجه حاصل می شود که :
حاکمیت مدل برای محدوده وسیع و کاملی از فرکانسها برقرار میباشد و این مدل برای این دسته از آمیزه‌ها در ناحیه ویسکوالاستیک خطی بخوبی و با خطای بسیار کمی پاسخگوست.
۱۱۰ صفحه فونت ۱۴ فایل ورد منابع دارد
پس از پرداخت آنلاین میتوانید فایل کامل این پروژه را دانلود کنید
فهرست مطالب
عنوان
فصل اوّل : رئولوژی مواد پلیمری
۱-۱ تاریخچه پیدایش رئولوژی…………………………………………………………………………………………………
۱-۲ مواد از دیدگاه رئولوژی……………………………………………………………………………………………………..
۱-۲-۱ پدیده‌های رئولوژیکی………………………………………………………………………………………………….
۱-۲-۲ تنش تسلیم در جامدات…………………………………………………………………………………………….
۱-۲-۳ تنش تسلیم در رئولوژی…………………………………………………………………………………………….
۱-۲-۴ تقسیم بندی مواد……………………………………………………………………………………………………….
فصل دوّم : آمیزههای پلیمری
۲-۱-۱ مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………..
۲-۱-۲ تعاریف……………………………………………………………………………………………………………………………….
۲-۱-۳ روشهای تهیه آمیزههای پلیمری………………………………………………………………………………………
۲-۱-۴ رفتار اجزا آمیزههای پلیمری…………………………………………………………………………………………….
۲-۱-۵ امتزاج پذیری آمیزههای پلیمری………………………………………………………………………………………
۲-۱-۶ سازگاری آمیزههای پلیمری………………………………………………………………………………………………
۲-۱-۷ سازگاری بواسطه افزودن کوپلیمر…………………………………………………………………………………….
۲-۱-۸ روشهای تخمین سازگاری و امتزاج پذیری آمیزه‌ها و آلیاژهای پلیمری……………………….
۲-۱-۹ کریستالیزاسیون آمیزههای پلیمری………………………………………………………………………………….
۲-۲-۱ رئولوژی پلیمرها…………………………………………………………………………………………………………………
۲-۲-۲ رئولوژی آمیزههای پلیمری ………………………………………………………………………………………………
۲-۲-۲-۱ مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………………
۲-۲-۲-۲ ویسکوزیته آمیزه‌ها و آلیاژهای پلیمری ……………………………………………………………..
۲-۲-۲-۳ معادلات تجربی ویسکوزیته آمیزه بر حسب غلظت سازنده‌های پلیمری…………..
۲-۲-۲-۴ جریان برشی پایدار آمیزههای پلیمری…………………………………………………………………
۲-۲-۲-۵ الاستیسیته مذاب آمیزههای پلیمری…………………………………………………………………..
فصل سوّم : خاصیت ویسکوالاستیک خطّی
۳-۱ مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………………….
۳-۲ مفهوم و نتایج از خاصیت خطی بودن …………………………………………………………………………………
۳-۳ مدل ماکسول و کلوین ………………………………………………………………………………………………………….
۳-۴ طیف افت یا آسایش………………………………………………………………………………………………………………
۳-۵ برش نوسانی……………………………………………………………………………………………………………………………
۳-۶ روابط میان توابع ویسکوالاستیک خطی……………………………………………………………………………….
۳-۷ روشهای اندازه‌گیری………………………………………………………………………………………………………………
۳-۷-۱ روشهای استاتیک……………………………………………………………………………………………………….
۳-۷-۲ روشهای دینامیک: کشش نوسانی……………………………………………………………………………..
۳-۷-۳ روشهای دینامیک: انتشار موج…………………………………………………………………………………..
۳-۷-۴ روشهای دینامیک: جریان ثابت ………………………………………………………………………………..
فصل چهارم: بررسی رفتار ویسکوالاستیک آمیزه های پلیمری با استفاده از مدل امولسیون پالیریَن
۴-۱ مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………………….
۴-۲ مدل پالیریَن (Palierne model) ……………………………………………………………………………….
۴-۳ نتایج تجربی و بحث ………………………………………………………………………………………………………………
منابع و مراجع
فصل اوّل: رئولوژی (Rheology)
۱-۱ تاریخچه پیدایش رئولوژی[۱]
نیوتن[۲] (۱۷۲۷-۱۶۴۲) اولین فردی بود که برای مدل کردن سیالات با آنها برخوردی کاملاً علمی نمود. وی در قانون دوم مقاومت خود، کل مقاومت یک سیال را در برابر تغییر شکل (حرکت) نتیجه دو عامل زیر دانست:
الف) مقاومت مربوط به اینرسی (ماند) سیال
ب) مقاومت مربوط به اصطکاک (لغزش ملکولها یا لایه‌های سیال بر هم‌دیگر)
و در نهایت قانون مقاومت خود را چنین بیان نمود: «در یک سیال گرانرو[۳]، تنش مماسی (برشی) متناسب با مشتق سرعت در جهت عمود بر جهت جریان است.»
در اواخر قرن نوزدهم علم مکانیک سیالات شروع به توسعه در دو جهت کاملاً مجزا نمود.
از یک طرف علم تئوری هیدرودینامیک که با معادلات حرکت اولر[۴] در مورد سیال ایده‌آل فرضی شروع می شد، تا حد قابل توجهی جلو رفت. این سیال ایده‌آل، غیر قابل تراکم و فاقد گرانروی و کشسانی (الاستیسیته) در نظر گرفته شد. هنگام حرکت این سیال تنشهای برشی وجود نداشته و حرکت کاملاً بدون اصطکاک است. روابط ریاضی بسیار دقیقی برای این نوع سیال ایده‌آل در حالتهای فیزیکی مختلف بدست آمده است. باید خاطر نشان نمود که، نتایج حاصل از علم کلاسیک هیدرودینامیک در تعارض آشکار با نتایج تجربی است (بخصوص در زمینه‌های مهمی چون افت فشار در لوله‌ها و کانالها و یا مقاومت سیال در برابر جسمی که در آن حرکت می‌نماید). لذا این علم از اهمیت عملی زیادی برخوردار نگشت. به دلیل فوق مهندسین که به علت رشد سریع تکنولوژی نیازمند حل مسائل مهمی بودند، تشویق به توسعه علمی بسیار تجربی، بنام هیدرولیک شدند. علم هیدرولیک بر حجم انبوهی از اطلاعات تجربی متکی بود و از حیث روشها و هدفهایش، با علم هیدرودینامیک اختلاف قابل ملاحظه‌ای داشت.
در شروع قرن بیستم دانشمندی بنام پرانتل[۵] نشان داد که چگونه میتوان این دو شاخه دینامیک سیالات را به یکدیگر مرتبط نمود و با این کار به شهرت رسید. پرانتل به روابط زیادی بین تجربه و تئوری دست یافت و با این کار توسعه بسیار موفقیت‌آمیز مکانیک سیالات را امکان‌پذیر نمود. البته قبل از پرانتل نیز بعضی از محققین بر این نکته اشاره کرده بودند که اختلاف بین نتایج
هیدرو دینامیک کلاسیک و تجربه در بسیاری از موارد به دلیل صرف نظر کردن از اصطکاک سیال است.
علاوه بر این، از شناخت معادلات حرکت سیالات با در نظر گرفتن اصطکاک )معادلات ناویر- استوکس[۶]( مدت زمانی سپری می‌‌شد. اما به دلیل مشکلات حل ریاضی این معادلات در آن زمان (باستثنای موارد خاص)،در برخورد تئوریک با حرکت سیالات گرانرو عقیم مانده بود. در مورد دو سیال بسیار مهم یعنی آب و هوا، نیروی ناشی از لغزش لایه‌های سیال بر یکدیگر (گرانروی آب
N.S/m2 3-10×۱ و گرانروی هوا N.S/m2 3-10×۵/۲) در مقایسه با سایر نیروها (نیروی ثقل و فشار، N/m2 105) قابل اغماض میباشد. بنابراین میتوان پی برد که چرا درک تأثیر عامل مهمی همچون نیروی اصطکاک بر حرکت سیال در تئوری کلاسیک تا این حد مشکل بوده است. در مقاله‌ای تحت عنوان سیالات با اصطکاک بسیار کم که قبل از کنگره ریاضیات در هیدلبرگ[۷] در ۱۹۰۴ قرائت گردید، پرانتل نشان داد که میتوان جریانات گرانرو را با شیوه‌ای که دارای اهمیت عملی زیادی است به دقت تجزیه و تحلیل نمود. با استفاده از اصول تئوریک و برخی آزمایشهای ساده پرانتل اثبات نمود که جریان سیال اطراف یک جسم جامد را میتوان به دو ناحیه تفکیک نمود:
۱- لایه بسیار نازک در مجاورت جسم (لایه مرزی) که در آن اصطکاک نقش مهمی را بازی می‌کند.
۲- ناحیه دورتر از سطح جسم که در آن اصطکاک قابل اغماض است.
بر مبنای این فرضیه (Prandtl) موفق به ارائه برداشت فیزیکی قابل قبول از اهمیت جریانات گرانرو گردید، که در زمان خود موجب ساده شدن قابل توجه حل ریاضی معادلات گردید. آزمایشهای ساده‌ای که توسط پرانتل در یک تونل آب کوچک انجام شد بر تئوریهای موجود صحه گذاشت. بدین ترتیب او اولین قدم را جهت ارتباط تئوری و نتایج تجربی برداشت. در این رابطه تئوری لایه مرزی بسیار مفید واقع شد، زیرا عامل مؤثری در توسعه دینامیک سیالات بود و بدین ترتیب در مدت زمان کوتاهی به یکی از پایه‌های اساسی این علم مدرن تبدیل شد. پس از شروع مطالعات در زمینه سیالات دارای اصطکاک یک تئوری دینامیکی برای ساده‌ترین گروه سیالات واقعی (سیالات نیوتنی)[۸] توسعه یافت. البته این تئوری در مقایسه با تئوری سیالات ایده‌آل از دقت کمتری برخوردار بود.
با رشد صنعت تعداد سیالاتی که رفتار برشی آنها با استفاده از روابط سیالات نیوتنی قابل توجیه نبود، رو به افزایش گذاشت. از جمله این سیالات میتوان محلولها و مذابهای پلیمری، جامدات معلق در مایعات، امولسیونها و موادی که دو خاصیت گرانروی و کشسانی را تواماً دارا می‌باشند (ویسکوالاستیکها) اشاره نمود. بررسی رفتار این سیالات مهم موجب پیدایش علم جدیدی بنام «رئولوژی[۹] » شد.
در مورد کلمه رئولوژی و پیدایش آن بد نیست به صحبتهای تروسدل[۱۰] استاد دانشگاه
جان هاپکینز[۱۱] در هشتمین کنگره بین‌الملی رئولوژی گوش فرا داد:”از من خواسته شد که درباره رئولوژی سخن بگویم، برای فرار از ادای این وظیفه مشکل فکر می‌کنم هیچ چیز بهتر از نقل قول گفتگوی دلنشینی که با دوست عزیز و قدیمی‌ام مارکوس رینر[۱۲] پس از صرف شام در چهارمین کنگره بین‌المللی رئولوژی داشتم، نیست”. او برای شروع نقل قول داستان چگونگی ساخته شدن نام رئولوژی چنین گفت: “هنگامی که من وارد شدم (سال ۱۹۲۸ به شهر ایستون در ایالت پنسیلوایای امریکا، محل تولد رئولوژی) بینگهام[۱۳] به من گفت: «در اینجا شما مهندسین ساختمان و بنده شیمیدان نشسته‌ایم و با یکدیگر روی مسئله مشترکی کار می‌کنیم، با توسعه شیمی کلوئیدها میتوان به این همکاری وسعت بخشید. بنابراین توسعه شاخه جدیدی از فیزیک که این قبیل مسائل را در بر گیرد، مفید خواهد بود.» من گفتم چنین شاخه‌ای از فیزیک قبلاً وجود داشته است (مکانیک محیط‌های پیوسته). بینگهام افزود: «نه چنین عنوانی شیمیدانها را جلب نخواهد نمود زیرا برای آنها بیگانه است.» پس از این گفتگوها بینگهام با مشورت یک استاد زبان کلاسیک عنوان رئولوژی را برای این شاخه از علم انتخاب نمود که از سخن معروف هراکلیتوس[۱۴] اقتباس شده است. هراکلیتوس می‌گفت همه چیز در جریان است. “
[۱]-Rheology
[۲]-Newton
[۳]-Viscose
[۴]-Euler
[۵]-Prandtl
[۶]-Navier – Stokes equation
[۷]-Heidelberg
۱- سیالاتی که از قانون دوم مقاومت نیوتن پیروی می‌کنند به سیالات نیوتنی معروف شده‌اند.
[۹]-Rheology
[۱۰]-Truesdell
[۱۱]-Johns Hopkins
[۱۲]-Markus Reiner
[۱۳]-Bingham
فصل چهارم: بررسی رفتار ویسکوالاستیک آمیزه های پلیمری با استفاده از مدل امولسیون پالیریَن
۴-۱ مقدمه
برای بدست آوردن رابطه بین جریان و ساختار، چندین مدل برای ناحیه خطی و غیر خطی پیشنهاد شده است. به منظور تعیین خواص رئولوژی و مرفولوژی، در ناحیه ویسکوالاستیک غیر خطی، تئوری دوی اُهتا[۱] را برای مخلوط ۵۰-۵۰ از یک سیال نیوتونی امتزاج ناپذیر[۲] با دانسیته و گرانروی یکسان، تعریف می کنیم. امّا مشاهدات تجربی نشان می دهد که این مدل خیلی ساده است. به عنوان مثال ایزا[۳] و همکارانش آزمایشات حالت دینامیک، حالت برش پایدار و حالت گذرا را برای مطالعه تأثیر اصلاح کننده های سطحی برای رفتار رئولوژیکی آمیزه های[۴] غیر قابل امتزاج پلی استایرن-پلی اتیلن انجام دادند.
مقایسه بین داده های تجربی با تئوری دوی اُهتا از آن است که به منظور پیش بینی رفتار مخلوط پلی استایرن-پلی اتیلن، تئوری دوی اُهتا جواب گو نمی باشد. گروه های مختلفی سعی کردند مدل را برای توصیف خواص رئولوژیکی، تحت شرایط جریان اصلاح کنند. به عنوان مثال لاگروکس[۵] و همکارانش از یک نسخه اصلاح شده از مدل برای پیش بینی رفتار رئولوژیکی آمیزه های غیر قابل امتزاج کوپلیمر پلی پروپیلن- اتیلن تحت شرایط جریان پایدار، استفاده کردند. با وجود اینکه اصلاحات بسیاری بر روی معادله قانونمند دوی اُهتا صورت گرفته است، امّا هیچ یک از آنها قادر به توصیف کمّی رفتار رئولوژیکی آمیزه های غیر قابل امتزاج نمی باشد. در این راه ما مدل امولسیون را، برای سه نوع آمیزه پلی استایرن امتحان و بررسی می کنیم.
۴-۲ مدل پالیریَن
در این بخش، ما از مدل امولسیون پیشنهاد شده توسط پالیریَن[۶] برای تعیین مقاوت کشش سطحی بین اجزاء تشکیل دهنده یک آمیزه از طریق داده های ویسکوالاستیک خطی، استفاده
می کنیم. این مدل، ضریب یا مدول پیچیده () ترکیبات مذابی را تشریح می کند و از این طریق مقدار توزیع اندازه مواد تشکیل دهنده و مقدار نیروی کشش بین سطحی آنها را محاسبه می کنیم. مدل پیچیده مخلوط در واقع تابع مدولی پیچیده هر دو فاز ترکیبی و نسبت مقدار کشش بین سطحی اجزاء و همچنین اندازه ذرات و میزان توزیع اندازه آنها می باشد.
معادله مدل پالیریَن بدین صورت است:
(۴-۱)
که ازمعادله:
(۴-۲)
بدست می آید. به طوری که، مدول کمپلکس فاز پیوسته یا زمینه (ماتریکس) و مدول کمپلکس فاز اجزاء تشکیل دهنده یا میانبارها میباشد و به عنوان کشش بین سطحی و کسر حجمی ذرات با شعاع Ri، در نظر گرفته شده است. فرمول‌بندی مدل پالیریَن شامل پارامترهایی مرتبط با این سطح مشترک می باشد: به تغییر ناحیه فصل مشترک و با برش موضعی، کاملاً مرتبط است. در شرایطی که این پرامترها را نتوانیم از نقطه نظر تجربی مشخص و تعیین کنیم، برای آنها معمولاً مقدار صفر، در نظر گرفته می شود. جالب توّجه است که مدل ارائه شده شامل هیچ پارامتر تجربی برای مخلوط نیست و هرکس می تواند ویژگی های ویسکوالاستیک خطی مخلوطها را با استفاده از اطّلاعات مدول پیچیده هر دو فاز تشکیل دهنده، اندازه ماده، نحوه توزیع اندازه، کسر حجمی محتویات و مقدار کشش بین سطحی، پیش بینی کند. کلیه داده های مورد نیاز برای استفاده از مدل، بصورت تجربی در دسترس هستند. در شرایطی که مقدار نیروی کشش فصل مشترک نامعلوم باشد، مدل می تواند برای تعیین مقدار آن از طریق هم پوشانی پیش بینی های مدل یا داده های تجربی استفاده کند. خطای موجود برروی مقدار تعیین شده، مستقیماً باخطای به وقوع پیوسته در تخمین اندازه ماده، مرتبط است (عبارت در معادله(۴-۲)). برای بکارگیری از مدل پالیرین لازم نیست داده های رئولوژیکی در محدوده ویسکوالاستیک خطی بدست آیند که در این ناحیه تغییر شکل ذرّه کوچک است. هم چنین در ریخت شناسی باید تثبیت کرد که در طول اندازه گیری ها، ذرّات بایستی بشکل کروی در حال تعادل باشند.
بنابراین بطور خلاصه میتوان گفت:
تئوری اخیر براساس این فرضیات عنوان شده است که:
(۱) سیستم شامل دو مایع ویسکوالاستیکی است. (۲) مقدار غلظت و میزان تمرکز فاز زمینه، متوسط است. (۳) قطرات به شکل کروی، چند پاشیده[۷] و تغییر شکل پذیر هستند. (۴) تغییر شکل قطرات ناچیز و هم چنین مخلوط رفتار ویسکوالاستیک خطی دارد. (۵) ضریب مقدار کشش بین سطح ، ثابت است و ارتباطی به مقدار فشار وارده و سطوح میانی ندارد.
به این مطلب بایستی توجه کرد که تئوری ارائه شده تنها در مقادیر پایین کشش و در مقادیری از غلظت قابل اجرا و عملی است که در آن مقدار تنش تسلیم وجود نداشته باشد.
۴-۳ نتایج تجربی و بحث
مواد مورد استفاده در این بررسی شامل سه آمیزه پلیمری PS/PMM(80/20) و PS/PEMA-1(80/20) و PS/PEMA-2(70/30) با درصد ترکیبی که در جدول ۴-۱ نشان داده شده، می باشد.
جدول ۴-۱ مقایسه آمیزههای EA و EB و MC
۰٫۲ | PEMA 25 | ۰٫۸ | PS 60 | EA |
۰٫۲ | PEMA 35 | ۰٫۸ | PS 60 | EB |
۰٫۱ | PMMA 22 | ۰٫۹ | PS 180 | MS |
درشکل ۴-۱ منحنی ما در مدول ذخیره و افت برای آمیزه PS/PMM(80/20)همراه با منحنی بدست آمده از پیشگویی های مدل امولسیون (پالیرین) ترسیم شده.
می توان مشاهده نمود در ناحیه فرکانس کم، مدول افت متناسب با فرکانس است، در حالی که مدول ذخیره متناسب با می باشد. این موضوع پیش بینی ها یا فرضیات تئوری را مورد مقایسه قرار می دهد. این منحنی ها نشان می دهد که مکانیزم آسایش در فرکانس کم مربوط به تغییر شکل قطرات منجر به یک ناحیه مسطح بر حسب (مدول ذخیره) نمی گردد امّا تأیید می کند مدل امولسیون دقیقاً رفتار ویسکوالاستیک آمیزه را روی محدوده کامل فرکانس تعریف می کند.
نقد وبررسی
نقد بررسی یافت نشد...