چگونه میتوانیم ارزیابی کنیم که آیا پلیاتیلن بهطور کافی کراسلینک شده است؟
یکی از روشهای پرکاربرد، تعیین مقدار ژل و در صورت نیاز، نسبت تورم آن است.
ASTM D2765 روشهای آزمون تعیین بخش نامحلول ایجادشده در اثر کراسلینکینگ در پلاستیکهای اتیلنی را تشریح میکند. این روشها برای مواد پلیاتیلن کراسلینکشده با چگالیهای مختلف، از جمله ترکیبات حاوی پرکننده، قابل استفاده هستند.
مقدار ژل چیست؟
در طول فرایند کراسلینکینگ، زنجیرههای پلیاتیلن به یکدیگر متصل شده و یک شبکه پلیمری سهبعدی تشکیل میدهند. هنگامی که یک نمونه پلیاتیلن کراسلینکشده در معرض حلال داغ مناسب قرار میگیرد:
بخش محلول پلیمر → توسط حلال استخراج میشود
شبکه کراسلینکشده → بهصورت ژل نامحلول باقی میماند
استاندارد ASTM D2765، مقدار ژل را بهصورت درصد جرمی پلیمری تعریف میکند که پس از استخراج، تحت شرایط مشخص، در حلال تعیینشده نامحلول باقی میماند.
به همین دلیل، مقدار ژل برای کنترل فرایند و ارزیابی کیفیت محصول نهایی بسیار مفید است؛ زیرا بسیاری از خواص مهم پلاستیکهای اتیلنی کراسلینکشده با مقدار ژل تغییر میکنند.
سه روش آزمون در ASTM D2765
این استاندارد سه رویکرد را تشریح میکند:
روش A — روش آزمون مرجع
روش مرجع، کاملترین استخراج را در کوتاهترین زمان تعیینشده فراهم میکند. پیش از استخراج، پلیمر آسیاب و الک میشود.
روش B — روش آزمون غیرمرجع
این روش عمدتاً برای عایق سیم و کابل در نظر گرفته شده است. فرایند استخراج مشابه روش A است، اما آمادهسازی نمونه تفاوت دارد. از آنجا که ذرات تراشیدهشده بزرگتر هستند، روش B معمولاً مقادیر استخراجی حدود 1–2% کمتر از روش A ایجاد میکند.
روش C — روش آزمون غیرمرجع
یک نمونه آزمون یکتکه در زایلن استخراج میشود. این روش امکان تعیین همزمان درصد استخراج و نسبت تورم را فراهم میکند. مقادیر استخراجی ممکن است به دلیل تفاوت در هندسه نمونه آزمون و شرایط استخراج، حدود 3–9% کمتر از روش مرجع باشند.
روش A — روش مرجع
تجهیزات موردنیاز
تجهیزات اصلی تعیینشده برای روش A عبارتاند از:
• بالن تهگرد — 500 mL برای یک یا دو اندازهگیری، یا 2000 mL برای چندین اندازهگیری، حداکثر تا شش اندازهگیری
• هیتر منتی با ظرفیت کافی برای بهجوشآوردن حلال استخراج
• مبرد رفلاکس
• پایه حلقهای و گیرهها
• تجهیزات آسیاب قادر به تولید کسر 30–60 mesh بدون گرمشدن بیش از حد
• الکهای U.S. No. 30 و No. 60
• توری سیمی فولاد زنگنزن با مش 120
• آون خلأ قادر به ایجاد حداقل 710 mmHg خلأ و اندازهگیری دما تا 150°C
• ترازوی تحلیلی با قابلیت خوانش 0.001 g
دستگاه استخراج نشاندادهشده در شکل 1 از یک بالن تهگرد، هیتر منتی، مبرد رفلاکس، پایه نگهدارنده، حلال استخراج و یک قفس سیمی آویزان با مش 120 تشکیل شده است که نمونه آزمون را در خود نگه میدارد.
معرفها
ASTM D2765 موارد زیر را مشخص میکند:
• دکاهیدرونفتالین (دکالین) — بدون آب، نقطه جوش 189–191°C
• زایلنها — گرید معرف ACS، نقطه جوش 138–141°C
• آنتیاکسیدان/پایدارکننده مناسب برای حلال استخراج
آنتیاکسیدان برای جلوگیری از تخریب اکسیداتیو احتمالی در طول استخراج دما بالا استفاده میشود.
آمادهسازی نمونه آزمون
حداقل دو نمونه آزمون موردنیاز است.
هر نمونه آزمون باید شامل موارد زیر باشد: 0.300 ± 0.015 g پلیمر آسیابشده
و باید با دقت: 0.001 g وزن شود.
نمونه بهاندازهای آسیاب میشود که از الک 30-mesh عبور کند. سپس ماده روی الک 60-mesh تکان داده میشود و کسر عبوری از الک 60-mesh کنار گذاشته میشود.
بنابراین، کسر آزمون اساساً ماده باقیمانده بین 30 و 60 mesh است.
در مواردی که Conditioning لازم باشد، استاندارد Conditioning را در شرایط زیر مشخص میکند: 23 ± 2°C به مدت حداقل 40 ساعت
مطابق با ASTM D618 روش اجرا A.
روش A — روش اجرای آزمون
1. آمادهسازی قفس نمونه آزمون
یک قطعه توری فولاد زنگنزن با مش 120، تقریباً به ابعاد: 80 × 40 mm
تاخورد میشود تا کیسهای تقریباً مربعی با ضلع 40 mm تشکیل دهد. کیسه خالی وزن میشود:
W1 = وزن کیسه
سپس تقریباً 0.3 g از نمونه آمادهشده داخل آن قرار میگیرد:
W2 = وزن کیسه + نمونه آزمون
لبه باز تا شده و با منگنه بسته میشود تا قفس بسته تشکیل شود:
W3 = وزن قفس بسته + نمونه آزمون
2. آمادهسازی حلال استخراج
باید مقدار کافی حلال اضافه شود تا قفس و نمونه آزمون در تمام مدت استخراج کاملاً غوطهور بمانند. استاندارد مقادیر زیر را کافی میداند:
بالن 500-mL → تقریباً 350 g حلال
بالن 2000-mL → تقریباً 1000 g حلال
همچنین، 1% آنتیاکسیدان در دکالین یا زایلن حل میشود.
3. انجام استخراج با حلال
حلال باید بهاندازهای شدید به جوش آورده شود که همزدن مناسب ایجاد شود. هنگام استفاده از 1000 g حلال، نرخ رفلاکس تقریباً برابر با: 20–40 قطره/min از مبرد، رضایتبخش در نظر گرفته میشود.
زمانهای تعیینشده برای استخراج عبارتاند از:
دکالین → 6 ساعت
زایلنها → 12 ساعت
برای آزمون مرجع، باید زمان استخراج تعیینشده رعایت شود.
4. خشککردن در خلأ
بلافاصله پس از استخراج، قفس و نمونه آزمون به آون خلأ ازپیشگرمشده تا: 150°C منتقل میشوند.
نمونه تحت حداقل: 710 mmHg خلأ تا رسیدن به وزن ثابت خشک میشود.
پس از خنکشدن، وزن نهایی بهصورت زیر ثبت میشود:
W4 = وزن قفس + نمونه آزمون پس از استخراج و خشککردن
اگر ترکیب رطوبت جذب کند، نمونه آزمون باید پیش از توزین در دسیکاتور خنک شود.
محاسبه مقدار ژل
درصد استخراج بر اساس جرم ازدسترفته در طول استخراج با حلال محاسبه میشود و در صورت کاربرد، اصلاح مربوط به پرکننده نامحلول نیز اعمال میگردد. رابطه اصلی عبارت است از:
مقدار ژل (%) = 100 − درصد استخراج
که در آن:
W1 = وزن کیسه
W2 = وزن نمونه آزمون + کیسه
W3 = وزن نمونه آزمون + قفس بسته پیش از استخراج
W4 = وزن نمونه آزمون + قفس پس از استخراج و خشککردن
F = کسر پرکننده نامحلول در ترکیب پلیاتیلن
اگر مقدار پرکننده نامشخص باشد، ASTM D2765 برای تعیین آن به ASTM D1603 یا ASTM D297 ارجاع میدهد.
روش C — فراتر از مقدار ژل
مقدار ژل نشان میدهد چه مقدار از پلیمر نامحلول باقی میماند، اما نسبت تورم اطلاعات بیشتری درباره خود شبکه کراسلینکشده فراهم میکند.
در روش C، نمونههای آزمون وزن میشوند، به مدت 24 ساعت در زایلن داغ غوطهور میگردند، در حالت متورم وزن میشوند، سپس در خلأ خشک شده و دوباره وزن میشوند.
سپس میتوان درصد استخراج و نسبت تورم را محاسبه کرد.
تجهیزات موردنیاز برای روش C
• حمام روغن همزده در دمای 110°C
• شیشههای دهانهگشاد 8-oz با درپوش پیچی
• ترازوی تحلیلی با دقت 0.001 g
• پنس 250-mm
• تجهیزات برش نمونه آزمون
• آون خلأ در دمای 100°C، مجهز به پمپ خلأ و تله سرد
• بالنهای 100-mL
• دسیکاتور حاوی ماده خشککننده
• بطریهای توزین 30-mL و 60-mL
• پیپت یا دیسپنسر روی بطری 100-mL
الزامات نمونه آزمون
حداقل دو نمونه آزمون موردنیاز است که هرکدام شامل: 0.500 ± 0.020 g پلیمر باشند.
نمونههای آزمون باید لبههایی صاف و تمیز داشته باشند و نسبت سطح به حجم آنها تا حد امکان پایین باشد.
روش B — روش غیرمرجع برای عایق سیم و کابل
روش B بهویژه برای سیم و کابل با عایق XLPE اهمیت دارد. برخلاف روش A، پلیمر به کسر 30–60 mesh آسیاب نمیشود؛ بلکه نمونه آزمون از محل انتخابشدهای درون عایق، بهصورت فیزیکی جدا میشود.
استاندارد بهطور مشخص اشاره میکند که تفاوت اصلی روش B با روش A در آمادهسازی نمونه آزمون است.
چرا محل نمونهبرداری اهمیت دارد؟
در عایق کابل، کراسلینکینگ ممکن است در سراسر ضخامت عایق یکنواخت نباشد.
بنابراین روش B امکان برداشت نمونه آزمون از ناحیه موردنظر، بهویژه ناحیهای که ممکن است مستعد کراسلینکینگ ناکافی باشد، را فراهم میکند.
مفهوم نمونهبرداری در شکل 2 نشان داده شده است؛ این شکل مقطع یک کابل فشارقوی و محل نمونه آزمون را در نزدیکی هادی یا سپر رشتهای نیمهرسانا نشان میدهد.
تجهیزات اضافی آمادهسازی نمونه
علاوه بر تجهیزات استخراج مورد استفاده در روش A، روش B به وسیله مناسبی برای آمادهسازی نمونههای عایق تراشیدهشده نیاز دارد.
استاندارد بهطور مشخص استفاده از یک: رنده چوب
برای تراشیدن عایق را تشریح میکند. سپس برای آمادهسازی نمونههای نهایی مکعبی به ابزارهای برش نیاز است.
مرحله 1 — تراشیدن عایق
با استفاده از رنده چوب، نواری با ضخامت تقریبی: 0.4 mm
بهصورت موازی با محور هادی عایقشده بتراشید.
در ساختارهای فاقد نوار یا ترکیب پوششدهنده رشتهها، نوار استخراج از مجاورت هادی برداشته میشود. در کابلهای فشارقوی دارای نوار یا ترکیب پوششدهنده رشتهها، نوار باید تا حد امکان نزدیک و در امتداد سطح پوششدار تراشیده شود و دقت گردد هیچ ترکیب نیمهرسانایی وارد نمونه آزمون نشود.
این جزئیات نمونهبرداری بسیار مهم است؛ زیرا آلودگی با ماده پوشش نیمهرسانا، ترکیب نمونه آزمون مورد ارزیابی را تغییر میدهد.
مرحله 2 — آمادهسازی قطعات استخراج
یک بخش طولی با عرض تقریبی: 6 mm
از بخش مرکزی نوار تراشیدهشده بریده میشود. قسمتهای بیرونی دور ریخته شده و ماده نزدیکتر به هادی یا سطح پوششدار باقی میماند.
سپس این ماده به قطعاتی با ابعاد تقریبی: 6 × 6 mm
بریده یا مکعبی میشود. برای کابلهای با اندازه 1/0 AWG و بزرگتر، این ابعاد مستقیماً اعمال میشوند. برای 2 AWG و کوچکتر، ابعاد باید بهصورت متناسب کاهش یابند.
مرحله 3 — قراردادن نمونه آزمون
تقریباً: 0.3 g
از نمونه آزمون مکعبی را داخل کیسهای که از قبل وزن شده است قرار دهید.
ثبت کنید:
W1 = وزن کیسه
پس از افزودن نمونه آزمون:
W2 = وزن کیسه + نمونه آزمون
لبه باز را تا کرده و منگنه بزنید تا قفس تشکیل شود:
W3 = وزن قفس + نمونه آزمون
مرحله 4 — استخراج
استخراج مطابق بخش 12 روش A انجام میشود، اما روش B موارد زیر را مشخص میکند:
دکاهیدرونفتالین (دکالین) بهعنوان ماده استخراجکننده
پس از استخراج، نمونه آزمون با همان روش تشریحشده برای روش A خشک و دوباره وزن میشود.
بنابراین، روند اصلی به شکل زیر است:
تراشیدن → انتخاب محل → مکعبیکردن → توزین → استخراج با دکالین → خشککردن در خلأ → توزین مجدد → محاسبه
محاسبه
درصد استخراج با حلال با استفاده از همان محاسبه تشریحشده برای روش A تعیین میشود:
مقدار ژل (%) = 100 − درصد استخراج
گزارش آزمون باید بهصراحت مشخص کند که از روش B استفاده شده است.
چرا روش B میتواند نتیجه متفاوتی ایجاد کند؟
این نکته از نظر عملی مهم است. ذرات تراشیده و مکعبیشده مورد استفاده در روش B، بزرگتر از ذرات آسیابشده مورد استفاده در روش A هستند.
بنابراین:
ذرات بزرگتر → سطح کل کمتر در معرض حلال → استخراج ناقصتر
در نتیجه، ASTM D2765 بیان میکند که روش B معمولاً مقادیر استخراجی حدوداً:
1–2% کمتر از روش A
ایجاد میکند. به همین دلیل، نتایج روش B نباید بدون مشخصکردن روش آزمون، صرفاً بهصورت عددی با نتایج روش A مقایسه شوند.
روش C — شرایط آزمون
هر نمونه آزمون وزنشده داخل یک شیشه 8-oz قرار داده شده و: 100 ± 0.1 mL زایلن
به آن افزوده میشود. نمونه آزمون باید کاملاً غوطهور بماند. سپس شیشه به مدت: 24 ساعت در حمام روغن همزدهای با دمای: 110 ± 0.5°C قرار داده میشود.
پس از غوطهوری، نمونه آزمون متورمشده با دقت به یک بطری توزین ازپیشوزنشده منتقل و وزن میشود.
سپس در آون خلأ با دمای: 100°C
خشک میشود تا تمام زایلن خارج شده و وزن ثابت حاصل شود.
استاندارد اشاره میکند که فرمولاسیونهای حاوی LDPE معمولاً تحت این شرایط به حدود 24 ساعت، و فرمولاسیونهای حاوی HDPE معمولاً به حدود 16 ساعت زمان نیاز دارند تا به تعادل وزنی برسند.
نسبت تورم چگونه باید تفسیر شود؟
این رابطه بسیار کاربردی است:
نسبت تورم بیشتر → درجه کراسلینکینگ کمتر
نسبت تورم کمتر → شبکه کراسلینکشده متراکمتر
بهطور مشابه:
درصد استخراج کمتر → درجه کراسلینکینگ بیشتر
ASTM D2765 توضیح میدهد که نسبت تورم کمتر با شبکهای پیوستهتر و وزن مولکولی کمتر بین نقاط کراسلینک متناظر است.
⚠️ ملاحظات ایمنی
هم زایلن و هم دکاهیدرونفتالین حلالهایی سمی و قابل اشتعال هستند.
استاندارد ASTM D2765 الزام میکند که این مواد در هود با تهویه مناسب و پس از بررسی عملکرد هود پیش از آزمون، مورد استفاده قرار گیرند. باید از تماس با بخارات حلال اجتناب شود.
مقایسهای سریع
روش A
نمونه آزمون آسیابشده 30–60 mesh → استخراج با دکالین یا زایلن → روش مرجع
روش B
عایق تراشیده و مکعبیشده کابل → استخراج با دکالین → روش غیرمرجع ویژه کابل
روش C
نمونه آزمون یکتکه → زایلن در دمای 110°C به مدت 24 h → درصد استخراج + نسبت تورم
بنابراین، انتخاب روش فقط به ماده بستگی ندارد، بلکه به اطلاعات موردنیاز و محل برداشت نمونه آزمون نیز وابسته است.
ملاحظات ایمنی ⚠️
هم زایلن و هم دکاهیدرونفتالین حلالهایی سمی و قابل اشتعال هستند.
ASTM D2765 الزام میکند که این حلالها در هود با تهویه مناسب استفاده شوند و عملکرد هود پیش از آزمون بررسی شود. از استنشاق بخارات حلال باید جلوگیری شود.
چرا این آزمون اهمیت دارد؟
آزمون مقدار ژل چیزی فراتر از اندازهگیری ساده درصد ماده نامحلول است.
این آزمون روشی عملی برای ارزیابی اثربخشی و یکنواختی فرایند کراسلینکینگ، مقایسه مواد پلیاتیلن کراسلینکشده و پشتیبانی از کنترل کیفیت محصولات XLPE نهایی فراهم میکند.
نکته مهم این است که نتایج روشهای A، B و C نباید مستقیماً قابلجایگزین یکدیگر در نظر گرفته شوند. تفاوت در آمادهسازی نمونه آزمون، هندسه، حلال، دما و شرایط استخراج میتواند بر درصد استخراج اندازهگیریشده اثر سیستماتیک بگذارد.
به زبان ساده:
توزین → استخراج → خشککردن → توزین مجدد → محاسبه
بخش محلول حذف میشود و پلیمر نامحلول باقیمانده، شاخصی کمی از شبکه کراسلینکشده ارائه میکند.