توصيفگر ها :
پلي اتيلن سنگين گونه‌ي لوله , ترك خوردگي محيطي , رشد آهستهي ترك , حامل مستربچ كربن سياه
چكيده فارسي :
در اين پژوهش، تركيب‌هاي پلي اتيلن سياه با استفاده از پلي اتيلن سنگين با توزيع وزن مولكولي دوقله‌‌اي به عنوان زمينه و مستربچ كربن سياه تهيه گرديد. براي اين منظور گونه‌هاي مختلف پلي اتيلن به عنوان حامل مستربچ به كمك يك دستگاه اكسترودر آزمايشگاهي آميزه‌سازي شده است. مشاهده شده است كه حضور مستربچ كربن سياه علارغم تأثير مثبت بر مقاومت لوله در برابر اشعه‌ي فرابنفش خورشيد، مي‌تواند بر مقاومت لوله در برابر ترك خوردگي محيطي به خصوص مقاومت در برابر پديدهي رشد آهستهي ترك تأثير منفي بگذارد. در مقابل حامل مستربچ مي‌تواند تأثير منفي بر مقاومت لوله در برابر پديدهي رشد آهستهي ترك را كاهش داده و تا حدودي به حداقل برساند. با درنظرگرفتن اين موضوع، در اين پژوهش از پلياتيلن سنگين، پلياتيلن سبك و پلياتيلن سبك خطي به عنوان حامل مستربچ استفاده شده است. نتايج بدست آمده از آزمون‌هاي مكانيكي نشان داد كه پلياتيلن سبك خطي گزينه‌ي مناسبي براي استفاده به عنوان حامل مستربچ نمي‌باشد. زيرا تركيب سياه حاوي اين رزين در آزمون كشش اصلاً رفتار سخت‌شوندگي كرنش نشان نداد. لازم به ذكر است، كمترين مدول ( 34/7مگاپاسكال) در آزمون سخت‌شوندگي كرنش و كمترين طول عمر ( 3117ساعت) در آزمون بار ثابت نمونه‌ي شكاف دار
مربوط به اين تركيب است. جرم مولكولي پايين زنجيره‌هاي اين رزين و عملكرد آنها به عنوان نوعي روان‌كننده براي زنجيره هاي بلند زمينه‌ي پلياتيلن سنگين موجب افزايش سرعت ليفچه‌اي شدن اين زنجيره‌ها در اطراف نقص، تركچه و مسير رشد ترك شده است. متقابلاً، بيشترين مدول سخت شوندگي كرنش ( 44/7مگاپاسكال) و بيشترين طول عمر ( 3388ساعت) در آزمون بار ثابت نمونه ي شكافدار مربوط به تركيب حاوي حامل پلي اتيلن سبك است. همچنين، نرخ كشش طبيعي كه از آزمون كشش بدست آمد به عنوان معياري جهت تعيين پيوندهاي بين لايه اي باقيمانده در تركيب قبل از شروع رفتار سخت شوندگي كرنش معرفي شده است. اين مقدار ارتباط معكوسي با مقاومت
در برابر رشد آهستهي ترك دارد. بدينصورتكه كمترين مقدار نرخ كشش طبيعي مربوط به تركيب حاوي پلياتيلن سبك به عنوان حامل مستربچ كربن سياه با مقدار 3/41بوده است. در مقايسه با نمونه ي خالص پلي اتيلن دوقله اي، تركيبات سياه به دليل وجود ذرات كربن سياه، مقاومت كمتري در پديده ي رشد آهسته ترك از خود نشان داده اند. دليل اين مقاومت كم 1) ايفاي نقش ذرات كربن سياه به عنوان نقاط تمركز تنش و 2) جلوگيري از ورود زنجيره هاي بلند به درون بلورها و ايجاد مولكول هاي پيوندي است. درنهايت، به عنوان يك نتيجه كلي، مشاهده شد كه استفاده از پلي اتيلن سبك به عنوان حامل مستربچ كربن سياه، باعث افزايش مقاومت پلي اتيلن سنگين گونه ي لوله در برابر
پديده ي رشد آهسته ي ترك خواهد شد. دليل اين مسئله، زنجيره هاي جانبي بلند پلي اتيلن سبك، نفوذ آنها به درون ساختارهاي بلورين رزين اصلي و درنتيجه حركت دشوارتر آنها در حين پديده ي رشد آهسته ي ترك مرتبط دانست كه منجر به مقاومت بيشتر اين تركيب در برابر اين پديدهي شكست رايج شده است.
چكيده انگليسي :
In this research, black polyethylene compounds were prepared using high-density
polyethylene (HDPE) with bimodal molecular weight distribution as the matrix and carbon
black masterbatch using different grades of polyethylene as the masterbatch was
compounded using a laboratory extruder. Despite positive effect of carbon black on the
pipe's resistance against the ultraviolet rays, it can have a negative effect on the
environmental stress crack resistance of the pipes, specifically the resistance against slow
crack growth phenomenon. However, the masterbatch carrier can reduce this negative
impact and minimize it. Considering that, HDPE, low-density polyethylene (LDPE), and
linear low-density polyethylene (LLDPE) were used as the masterbatch carrier. The results
obtained from mechanical tests showed that LLDPE is likely not a suitable option for use as
a masterbatch carrier because the black compound containing this resin did not exhibit any
strain-hardening behavior in the tensile test. Additionally, in the strain-hardening test, this
composite had the lowest modulus with 34.7 MPa, furthermore in the notched constant load
test, the cracked sample of this composite showed the lowest lifetime with 3117 hours. The
low molecular mass of the chains of this resin and their function as a lubricant for the long
chains of the HDPE matrix increased the speed of the fibrillation of these chains in the area
around defects, crazes, and crack growth pathways. On the other hand the composite
containing LDPE carrier exhibited the highest strain-hardening modulus with 44.7 MPa and
the longest lifetime with 3388 hours in the notched constant load test. the natural draw ratio
(NDR) obtained from the tensile test was also introduced as a parameter to determine the
remaining inter-layer links in the composites before starting the strain hardening behavior.
This parameter was inversely related to resistance to slow crack growth. In this way, the
composite containing LDPE carrier had the lowest NDR value with 3.41, compared to the
pure polyethylene sample, the black compounds showed less resistance in the phenomenon
of slow crack growth due to the presence of carbon black particles. The reasons for this issue
were: (1) acting as stress concentration points and (2) preventing long chains from entiring
into the crystals. Finally, it was concluded that the usage of LDPE as a masterbatch carrier
likely increases the resistance of pipe-grade HDPE against the slow crack growth
phenomenon. The reason for this observation is probably the long branches of LDPE and
their entry into the crystal structures, resulting in the more difficult movement of these
chains and subsequently, improved slow crack growth resistance.
