أخبار

1 جوهر الأداء المؤثر

عند سماع مصطلح "مقاومة الصدمات"، يتبادر إلى ذهن الكثيرين مصطلح "المتانة". ولكن ما هي المتانة تحديداً؟ ببساطة، هي قدرة المادة على تبديد الطاقة بفعالية عند تعرضها للصدمات.

إذا أمكن تشتيت الطاقة بسلاسة، فإن المادة تكون "صلبة"؛ أما إذا تركزت الطاقة في نقطة واحدة، فإنها تكون "هشة".

فكيف تُبدد البوليمرات الطاقة؟ بشكل رئيسي من خلال ثلاثة مسارات:

• حركة أجزاء السلسلة: عندما تؤثر قوة خارجية، فإن السلاسل الجزيئية تبدد الطاقة من خلال الدوران الداخلي والانحناء والانزلاق. يمكن للسلاسل الجزيئية أن "تتجنب" وتنحني وتنزلق؛

• تشوه المناطق الدقيقة: مثل المطاط، تتسبب جزيئات المطاط في حدوث تشققات في المادة الأساسية، مما يؤدي إلى امتصاص طاقة الصدمات. يمكن أن يتشوه التركيب الطوري الداخلي ثم يستعيد شكله؛ 

• آليات انحراف الشقوق وامتصاص الطاقة: يؤدي التركيب الداخلي للمادة (مثل فواصل الأطوار والحشوات) إلى جعل مسار انتشار الشقوق متعرجًا، مما يؤخر حدوث الكسر. بعبارة أبسط، لا يسير الشق في خط مستقيم، بل يتم تعطيله وانحرافه وتحييده بشكل سلبي بواسطة التركيب الداخلي.

كما ترى، فإن قوة الصدمة ليست في الواقع "قوة تحمل الكسر"، بل هي "القدرة على تبديد الطاقة عن طريق إعادة توجيهها".

وهذا يفسر أيضاً ظاهرة شائعة: بعض المواد تتمتع بقوة شد عالية بشكل لا يصدق وتتحطم بسهولة عند الاصطدام؛ على سبيل المثال، المواد البلاستيكية الهندسية مثل PS و PMMA و PLA.

بينما تتمتع مواد أخرى بقوة متوسطة، إلا أنها قادرة على تحمل الصدمات. والسبب هو أن الأولى لا تملك منفذاً لتبديد الطاقة، بينما الثانية تملك منفذاً لتبديد الطاقة. ومن الأمثلة على ذلك ألواح وقضبان البولي أميد (PA).PPومواد ABS.

من منظور مجهري، عندما تضرب قوة خارجية على الفور، فإن النظام يتعرض لمعدل إجهاد مرتفع للغاية، قصير جدًا لدرجة أن الجزيئات نفسها لا تستطيع "التفاعل" في الوقت المناسب.

في هذه المرحلة، تقوم المعادن بتشتيت الطاقة من خلال الانزلاق، وتطلق السيراميك الطاقة من خلال التصدع، بينما تمتص البوليمرات الصدمة من خلال حركة أجزاء السلسلة، وكسر الروابط الهيدروجينية الديناميكية، والتشوه المنسق للمناطق البلورية وغير البلورية.

إذا كانت السلاسل الجزيئية تتمتع بمرونة كافية لتعديل وضعها وإعادة ترتيب نفسها في الوقت المناسب، وتوزيع الطاقة بكفاءة، فإن أداء مقاومة الصدمات يكون جيدًا. في المقابل، إذا كان النظام شديد الصلابة - أي أن حركة أجزاء السلسلة مقيدة، ودرجة التبلور عالية جدًا، ودرجة حرارة التحول الزجاجي مرتفعة جدًا - فعند وصول القوة الخارجية، تتركز كل الطاقة في نقطة واحدة، وينتشر الشق مباشرة.

لذلك، فإن جوهر أداء الصدمة ليس "الصلابة" أو "القوة"، بل قدرة المادة على إعادة توزيع الطاقة وتبديدها في وقت قصير جدًا.

 

02. ذو الشقوق مقابل بدون شقوق: ليس اختبارًا واحدًا، بل آليتان للفشل

إن "قوة الصدم" التي نتحدث عنها عادةً لها نوعان في الواقع: 

• تأثير بدون شق: يفحص "القدرة الكلية على تبديد الطاقة" للمادة؛ 

• تأثير الشق: يفحص "مقاومة طرف الشق".

يقيس اختبار مقاومة الصدمات غير المشقوقة قدرة المادة الإجمالية على امتصاص وتبديد طاقة الصدمات. ويقيس هذا الاختبار ما إذا كانت المادة قادرة على امتصاص الطاقة من خلال انزلاق السلاسل الجزيئية، والتشوه البلوري، وتشوه الطور المطاطي، وذلك منذ لحظة تعرضها للقوة وحتى لحظة الكسر. ولذلك، تشير درجة اختبار مقاومة الصدمات غير المشقوقة العالية غالبًا إلى نظام مرن ومتوافق يتمتع بتشتيت جيد للطاقة.

يقيس اختبار الصدمة المشقوقة مقاومة المادة لانتشار الشقوق في ظل ظروف تركيز الإجهاد. ويمكن اعتباره بمثابة "تحمل النظام لانتشار الشقوق". فإذا كانت التفاعلات بين الجزيئات قوية، وكان بإمكان أجزاء السلسلة إعادة ترتيب نفسها بسرعة، فإن انتشار الشقوق سيتباطأ أو يُخمد.

لذلك، فإن المواد ذات المقاومة العالية للصدمات المشقوقة غالباً ما يكون لها تفاعلات بينية قوية أو آليات تبديد الطاقة، مثل الروابط الهيدروجينية بين روابط الإستر في البولي كربونات، أو الانفصال البيني والتجعد في أنظمة تقوية المطاط. 

وهذا هو السبب أيضًا في أن بعض المواد (مثل PP و PA و ABS و PC) تعمل بشكل جيد في اختبار الصدمات غير المشقوقة ولكنها تظهر انخفاضًا كبيرًا في مقاومة الصدمات المشقوقة، مما يشير إلى أن آليات تبديد الطاقة المجهرية الخاصة بها تفشل في العمل بفعالية في ظل ظروف تركيز الإجهاد.

 

03 لماذا تتميز بعض المواد بمقاومتها للصدمات؟

لفهم ذلك، نحتاج إلى النظر إلى المستوى الجزيئي. تعتمد مقاومة المواد البوليمرية للصدمات على ثلاثة عوامل أساسية:

1. أجزاء السلسلة لها درجات من الحرية:

على سبيل المثال، في التربية البدنية (البولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئيفي البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) والبولي يوريثين الحراري (TPU) وبعض أنواع البولي كربونات المرنة، يمكن لأجزاء السلسلة تبديد الطاقة من خلال تغييرات في بنيتها عند الاصطدام. وينبع هذا أساسًا من امتصاص الطاقة بواسطة الحركات داخل الجزيء، مثل تمدد الروابط الكيميائية وانحنائها والتواءها.

2. يتميز التركيب الطوري بآلية تخفيف: تحتوي أنظمة مثل HIPS وABS وPA/EPDM على أطوار أو أسطح بينية لينة. عند الاصطدام، تمتص هذه الأسطح البينية الطاقة أولاً، ثم تنفصل، ثم تتحد مرة أخرى.مثل قفازات الملاكمة - القفازات لا تزيد القوة، لكنها تطيل وقت الإجهاد وتقلل من ذروة الإجهاد. 

3. "الالتصاق" بين الجزيئات: تحتوي بعض الأنظمة على روابط هيدروجينية، وتفاعلات π–π، وحتى تفاعلات ثنائية القطب. هذه التفاعلات الضعيفة "تضحي" بنفسها لامتصاص الطاقة عند الاصطدام، ثم تستعيد قوتها ببطء.

لذلك، ستجد أن بعض البوليمرات ذات المجموعات القطبية (مثل PA و PC) تولد حرارة كبيرة بعد الاصطدام - وهذا يرجع إلى "الحرارة الاحتكاكية" الناتجة عن الإلكترونات والجزيئات. 

ببساطة، السمة المشتركة للمواد المقاومة للصدمات هي أنها تعيد توزيع الطاقة بسرعة كافية ولا تنهار دفعة واحدة.

 

وَرَاءَالبولي إيثيلين عالي الوزن الجزيئي (UHMWPE) وألواح البولي إيثيلين عالي الكثافةتُعدّ هذه المنتجات البلاستيكية الهندسية ذات مقاومة ممتازة للصدمات. وباعتبارها مادة أساسية في صناعات آلات التعدين والنقل الهندسي، فقد حلت محل الفولاذ الكربوني وأصبحت الخيار المفضل لتبطين الشاحنات وتبطين مخازن الفحم. 

تتميز هذه المواد بمقاومتها العالية للصدمات، مما يحميها من تأثيرات المواد الصلبة كالفحم، وبالتالي يحافظ على سلامة معدات النقل. وهذا يقلل من دورات استبدال المعدات، مما يحسن كفاءة الإنتاج ويضمن سلامة العمال.