ข่าว

01 แก่นแท้ของการแสดงที่ทรงพลัง

หลายคนเมื่อได้ยินคำว่า "ความต้านทานแรงกระแทก" ก็จะนึกถึง "ความเหนียว" ทันที แต่ความเหนียวคืออะไรกันแน่? พูดให้ง่ายก็คือ วัสดุนั้นสามารถกระจายพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพเมื่อถูกกระแทกหรือไม่

หากพลังงานสามารถกระจายตัวได้อย่างราบรื่น วัสดุนั้นจะ "ทนทาน" แต่หากพลังงานกระจุกตัวอยู่ที่จุดเดียว วัสดุนั้นจะ "เปราะ"

แล้วโพลิเมอร์กระจายพลังงานได้อย่างไร? โดยหลักแล้วผ่านสามช่องทาง:

• การเคลื่อนที่ของส่วนโซ่โมเลกุล: เมื่อมีแรงภายนอกมากระทำ โซ่โมเลกุลจะกระจายพลังงานผ่านการหมุนภายใน การโค้งงอ และการเลื่อน โซ่โมเลกุลสามารถ "หลบหลีก" โค้งงอ และเลื่อนได้

• การเสียรูปในระดับจุลภาค: เช่นเดียวกับยาง อนุภาคยางจะทำให้เกิดรอยแตกในเนื้อวัสดุหลัก ดูดซับพลังงานจากการกระแทก โครงสร้างเฟสภายในสามารถเสียรูปแล้วกลับคืนสู่สภาพเดิมได้ 

• กลไกการเบี่ยงเบนรอยแตกและการดูดซับพลังงาน: โครงสร้างภายในของวัสดุ (เช่น ส่วนต่อประสานระหว่างเฟสและสารเติมแต่ง) ทำให้เส้นทางการแพร่กระจายของรอยแตกคดเคี้ยว ส่งผลให้การแตกหักล่าช้า กล่าวอย่างง่ายๆ คือ รอยแตกไม่ได้วิ่งเป็นเส้นตรง แต่ถูกขัดขวาง เบี่ยงเบน และถูกทำให้เป็นกลางโดยโครงสร้างภายใน

ที่จริงแล้ว ความแข็งแรงต่อแรงกระแทกไม่ได้หมายถึง "ความแข็งแรงที่จะทนต่อการแตกหัก" แต่หมายถึง "ความสามารถในการกระจายพลังงานโดยการเปลี่ยนทิศทาง"

นี่เป็นคำอธิบายสำหรับปรากฏการณ์ทั่วไปอย่างหนึ่ง คือ วัสดุบางชนิดมีความแข็งแรงต่อแรงดึงสูงมากและแตกหักง่ายเมื่อถูกกระแทก ตัวอย่างเช่น พลาสติกวิศวกรรม เช่น PS, PMMA และ PLA

วัสดุอื่นๆ แม้จะมีกำลังรับแรงปานกลาง แต่ก็สามารถทนต่อแรงกระแทกได้ เหตุผลก็คือ วัสดุกลุ่มแรกไม่มีที่ "กระจายพลังงาน" ในขณะที่วัสดุกลุ่มหลัง "กระจายพลังงาน" ได้ ตัวอย่างเช่น แผ่นและแท่งของ PAPPและวัสดุ ABS

จากมุมมองระดับจุลภาค เมื่อแรงภายนอกกระทำอย่างฉับพลัน ระบบจะประสบกับอัตราความเครียดที่สูงมาก ในช่วงเวลาสั้น ๆ นั้น แม้แต่โมเลกุลก็ไม่สามารถ "ตอบสนอง" ได้ทันท่วงที

ณ จุดนี้ โลหะจะกระจายพลังงานผ่านการลื่นไถล เซรามิกจะปลดปล่อยพลังงานผ่านการแตกร้าว ในขณะที่พอลิเมอร์จะดูดซับแรงกระแทกผ่านการเคลื่อนที่ของส่วนโซ่ การแตกของพันธะไฮโดรเจนแบบไดนามิก และการเสียรูปที่ประสานกันของบริเวณผลึกและบริเวณอสัณฐาน

หากสายโซ่โมเลกุลมีความคล่องตัวเพียงพอที่จะปรับท่าทางและจัดเรียงตัวเองใหม่ได้ทันเวลา พร้อมทั้งกระจายพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ประสิทธิภาพในการรับแรงกระแทกก็จะดี ในทางกลับกัน หากระบบมีความแข็งมากเกินไป เช่น การเคลื่อนที่ของส่วนสายโซ่ถูกจำกัด ความเป็นผลึกสูงเกินไป และอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะเป็นแก้วสูงเกินไป เมื่อมีแรงภายนอกมากระทำ พลังงานทั้งหมดจะกระจุกตัวอยู่ที่จุดเดียว และรอยแตกก็จะขยายตัวออกไปโดยตรง

ดังนั้น สาระสำคัญของประสิทธิภาพการทนแรงกระแทกจึงไม่ใช่ "ความแข็ง" หรือ "ความแข็งแรง" แต่เป็นความสามารถของวัสดุในการกระจายและสลายพลังงานในเวลาอันสั้นมาก

 

02 แบบมีรอยบากและแบบไม่มีรอยบาก: ไม่ใช่การทดสอบเดียว แต่เป็นกลไกการล้มเหลวสองแบบ

"ความแข็งแรงต่อแรงกระแทก" ที่เรามักพูดถึงนั้น จริงๆ แล้วมีอยู่สองประเภท: 

• การทดสอบแรงกระแทกแบบไม่เจาะร่อง: ตรวจสอบ "ความสามารถในการกระจายพลังงานโดยรวม" ของวัสดุ 

• การทดสอบแรงกระแทกแบบมีรอยบาก: ตรวจสอบ "ความต้านทานของปลายรอยแตก"

การทดสอบแรงกระแทกแบบไม่มีรอยบากเป็นการวัดความสามารถโดยรวมของวัสดุในการดูดซับและกระจายพลังงานจากแรงกระแทก เป็นการวัดว่าวัสดุสามารถดูดซับพลังงานผ่านการเลื่อนตัวของสายโซ่โมเลกุล การเสียรูปของผลึก และการเสียรูปของเฟสยางได้หรือไม่ ตั้งแต่ช่วงเวลาที่วัสดุได้รับแรงกระทำจนกระทั่งแตกหัก ดังนั้น คะแนนการทดสอบแรงกระแทกแบบไม่มีรอยบากที่สูง มักบ่งชี้ถึงระบบที่มีความยืดหยุ่น เข้ากันได้ดี และมีการกระจายพลังงานที่ดี

การทดสอบแรงกระแทกแบบมีรอยบากเป็นการวัดความต้านทานของวัสดุต่อการแพร่กระจายของรอยแตกภายใต้สภาวะที่มีความเข้มข้นของความเค้น คุณอาจคิดว่ามันคือ "ความทนทานของระบบต่อการแพร่กระจายของรอยแตก" หากปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลแข็งแรงและส่วนของสายโซ่สามารถจัดเรียงใหม่ได้อย่างรวดเร็ว การแพร่กระจายของรอยแตกจะ "ช้าลง" หรือ "ถูกทำให้เฉื่อย"

ดังนั้น วัสดุที่มีความต้านทานต่อแรงกระแทกแบบรอยบากสูง มักจะมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้นผิวที่แข็งแรง หรือกลไกการกระจายพลังงาน เช่น พันธะไฮโดรเจนระหว่างพันธะเอสเทอร์ในโพลีคาร์บอเนต หรือการหลุดลอกและการเกิดรอยย่นที่พื้นผิวในระบบเสริมความแข็งแรงของยาง 

นี่คือเหตุผลว่าทำไมวัสดุบางชนิด (เช่น PP, PA, ABS และ PC) จึงมีประสิทธิภาพดีในการทดสอบแรงกระแทกแบบไม่มีรอยบาก แต่กลับแสดงให้เห็นถึงการลดลงอย่างมากของความต้านทานต่อแรงกระแทกแบบมีรอยบาก ซึ่งบ่งชี้ว่ากลไกการกระจายพลังงานระดับจุลภาคของวัสดุเหล่านั้นไม่สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพภายใต้สภาวะที่มีความเข้มข้นของความเค้น

 

03. เหตุใดวัสดุบางชนิดจึงทนต่อแรงกระแทก?

เพื่อให้เข้าใจเรื่องนี้ เราต้องพิจารณาในระดับโมเลกุล ความต้านทานต่อแรงกระแทกของวัสดุพอลิเมอร์นั้นได้รับการสนับสนุนจากปัจจัยพื้นฐานสามประการ:

1. ส่วนประกอบของโซ่มีระดับความเป็นอิสระ:

ตัวอย่างเช่น ในวิชาพลศึกษา (ยูเอชเอ็มดับเบิลยูพีอีในวัสดุโพลียูรีเทนแบบยืดหยุ่น เช่น HDPE, TPU และ PC บางชนิด ส่วนของสายโซ่สามารถกระจายพลังงานผ่านการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างภายใต้แรงกระแทก ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเกิดจากการดูดซับพลังงานโดยการเคลื่อนไหวภายในโมเลกุล เช่น การยืด การโค้งงอ และการบิดของพันธะเคมี

2. โครงสร้างเฟสมีกลไกการลดแรงกระแทก: ระบบต่างๆ เช่น HIPS, ABS และ PA/EPDM ประกอบด้วยเฟสอ่อนหรือส่วนเชื่อมต่อ เมื่อเกิดการกระแทก ส่วนเชื่อมต่อเหล่านี้จะดูดซับพลังงานก่อน จากนั้นจึงแยกตัวออกจากกันและรวมตัวกันใหม่เหมือนกับนวมชกมวย นวมไม่ได้เพิ่มความแข็งแรง แต่ช่วยยืดระยะเวลาการรับแรงและลดแรงกดสูงสุด 

3. ความ "เหนียวแน่น" ระหว่างโมเลกุล: บางระบบมีพันธะไฮโดรเจน ปฏิกิริยา π–π และแม้แต่ปฏิกิริยาไดโพล ปฏิกิริยาที่อ่อนแอเหล่านี้จะ "เสียสละ" ตัวเองเพื่อดูดซับพลังงานเมื่อเกิดการชน แล้วค่อยๆ ฟื้นตัว

ดังนั้น คุณจะพบว่าโพลิเมอร์บางชนิดที่มีหมู่ขั้ว (เช่น PA และ PC) จะสร้างความร้อนจำนวนมากหลังจากการกระแทก ซึ่งเป็นผลมาจาก "ความร้อนเสียดทาน" ที่เกิดจากอิเล็กตรอนและโมเลกุล 

กล่าวโดยสรุป คุณสมบัติทั่วไปของวัสดุที่ทนต่อแรงกระแทกคือ ​​สามารถกระจายพลังงานได้อย่างรวดเร็วเพียงพอ และไม่พังทลายลงในทันที

 

เกินของ UHMWPE และแผ่น HDPEพลาสติกชนิดนี้เป็นผลิตภัณฑ์พลาสติกวิศวกรรมที่มีความทนทานต่อแรงกระแทกได้ดีเยี่ยม โดยเป็นวัสดุหลักในอุตสาหกรรมเครื่องจักรเหมืองแร่และการขนส่งทางวิศวกรรม และได้เข้ามาแทนที่เหล็กกล้าคาร์บอน และกลายเป็นตัวเลือกที่ได้รับความนิยมสำหรับวัสดุบุภายในรถบรรทุกและวัสดุบุภายในถังเก็บถ่านหิน 

วัสดุที่มีความทนทานต่อแรงกระแทกสูงมาก ช่วยปกป้องอุปกรณ์ขนส่งจากการกระแทกกับวัสดุแข็ง เช่น ถ่านหิน ลดระยะเวลาการเปลี่ยนอุปกรณ์ ส่งผลให้ประสิทธิภาพการผลิตดีขึ้น และรับประกันความปลอดภัยของคนงาน