חֲדָשׁוֹת

01 מהות ביצועי ההשפעה

אנשים רבים, כשהם שומעים "עמידות בפני פגיעות", מיד חושבים על "קשיחות". אבל מהי בדיוק קשיחות? במילים פשוטות, מדובר בשאלה האם חומר יכול לפזר אנרגיה ביעילות כאשר הוא נפגע.

אם האנרגיה ניתנת לפיזור בצורה חלקה, החומר הוא "קשוח"; אם האנרגיה מרוכזת בנקודה אחת, הוא "שביר".

אז איך פולימרים מפזרים אנרגיה? בעיקר באמצעות שלושה מסלולים:

• תנועת מקטע שרשרת: כאשר כוח חיצוני פועל, שרשראות המולקולריות מפזרות אנרגיה באמצעות סיבוב פנימי, כיפוף והחלקה. שרשראות המולקולריות יכולות "להתחמק", להתכופף ולהחליק;

• עיוות מיקרו-שטח: בדומה לגומי, חלקיקי גומי גורמים לסדקים במטריצה, וסופגים את אנרגיית הפגיעה. מבנה הפאזה הפנימי יכול להתעוות ולאחר מכן להתאושש; 

• מנגנוני סטיית סדקים וספיגת אנרגיה: המבנה הפנימי של החומר (כגון ממשקי פאזה וחומרי מילוי) הופך את נתיב התפשטות הסדק למפותל, מה שמעכב את השבר. במילים פשוטות יותר, הסדק אינו עובר בקו ישר אלא מופרע, מוסט ומנוטרל באופן פסיבי על ידי המבנה הפנימי.

אתה מבין, חוזק פגיעה אינו למעשה "חוזק לעמוד בפני שבירה", אלא "היכולת לפזר אנרגיה על ידי ניתובה מחדש".

זה גם מסביר תופעה נפוצה: חומרים מסוימים בעלי חוזק מתיחה גבוה במיוחד והם מתנפצים בקלות בעת פגיעה; לדוגמה, פלסטיקה הנדסית כמו PS, PMMA ו-PLA.

חומרים אחרים, למרות חוזק בינוני, יכולים לעמוד בפני פגיעות. הסיבה לכך היא שלראשונים אין מקום "לפזר אנרגיה", בעוד שלאחרונים "לפזר אנרגיה". דוגמאות לכך כוללות יריעות ומוטות של PA,PP, וחומרי ABS.

מנקודת מבט מיקרוסקופית, כאשר כוח חיצוני פוגע באופן מיידי, המערכת חווה קצב מאמץ גבוה במיוחד, כה קצר שאפילו המולקולות אינן יכולות "להגיב" בזמן.

בנקודה זו, מתכות מפזרות אנרגיה באמצעות החלקה, קרמיקה משחררת אנרגיה באמצעות סדקים, בעוד פולימרים סופגים את הפגיעה באמצעות תנועת מקטעי שרשרת, שבירת קשרי מימן דינמית ועיוות מתואם של אזורים גבישיים ואמורפיים.

אם לשרשראות המולקולריות יש ניידות מספקת כדי להתאים את תנוחתן ולסדר את עצמן מחדש בזמן, תוך פיזור אנרגיה ביעילות, אזי ביצועי הפגיעה טובים. לעומת זאת, אם המערכת נוקשה מדי - תנועת מקטעי השרשרת מוגבלת, הגבישיות גבוהה מדי וטמפרטורת המעבר לזכוכית גבוהה מדי - כאשר מגיע כוח חיצוני, כל האנרגיה מרוכזת בנקודה אחת, והסדק מתפשט ישירות.

לכן, מהות ביצועי הפגיעה אינה "קשיות" או "חוזק", אלא יכולתו של החומר לפזר מחדש ולפצות אנרגיה בזמן קצר מאוד.

 

02 חריצים לעומת לא חריצים: לא בדיקה אחת, אלא שני מנגנוני כשל

ל"עוצמת הפגיעה" שאנחנו מדברים עליה בדרך כלל יש למעשה שני סוגים: 

• פגיעה ללא חריצים: בוחנת את "יכולת פיזור האנרגיה הכוללת" של החומר; 

• פגיעה חריצת: בוחנת את "ההתנגדות של קצה הסדק".

פגיעה ללא חריצים מודדת את היכולת הכוללת של החומר לספוג ולפצוע אנרגיית פגיעה. היא מודדת האם החומר יכול לספוג אנרגיה באמצעות החלקה של שרשרת המולקולות, כניעה גבישית ועיוות פאזה גומי מרגע שהוא מופעל על ידי כוח ועד לשבר. לכן, ציון פגיעה ללא חריצים גבוה מצביע לעתים קרובות על מערכת גמישה ותואמת עם פיזור אנרגיה טוב.

בדיקת פגיעות חריצים מודדת את עמידותו של חומר להתפשטות סדקים בתנאי ריכוז מאמץ. ניתן לחשוב על כך כ"סבילות המערכת להתפשטות סדקים". אם האינטראקציות הבין-מולקולריות חזקות ומקטעי שרשרת יכולים להסתדר מחדש במהירות, התפשטות הסדקים "תואט" או "תעבור פסיביציה".

לכן, חומרים בעלי עמידות גבוהה בפני פגיעות מחורצות לעיתים קרובות מקיימים אינטראקציות בין-פנימיות חזקות או מנגנוני פיזור אנרגיה, כגון קשרי מימן בין קשרי אסטר בפוליקרבונט, או התפרקות וקימוט בין-פנימיות במערכות הקשחת גומי. 

זו גם הסיבה מדוע חומרים מסוימים (כגון PP, PA, ABS ו-PC) מציגים ביצועים טובים בבדיקות פגיעה ללא חריצים אך מראים ירידה משמעותית בעמידות בפני פגיעה מחורצת, דבר המצביע על כך שמנגנוני פיזור האנרגיה המיקרוסקופיים שלהם אינם מתפקדים ביעילות בתנאי ריכוז מאמץ.

 

03 מדוע חומרים מסוימים עמידים בפני פגיעות?

כדי להבין זאת, עלינו לבחון את הרמה המולקולרית. עמידות חומר פולימרי בפני פגיעות נתמכת על ידי שלושה גורמים בסיסיים:

1. לקטעי שרשרת יש דרגות חופש:

לדוגמה, ב-PE (UHMWPE, HDPE), TPU, וחלקים גמישים של PC, מקטעי שרשרת יכולים לפזר אנרגיה באמצעות שינויים קונפורמציוניים תחת פגיעה. זה נובע בעיקרו מספיגת אנרגיה על ידי תנועות תוך-מולקולריות כגון מתיחה, כיפוף ופיתול של קשרים כימיים.

2. למבנה פאזה יש מנגנון חציצה: מערכות כמו HIPS, ABS ו-PA/EPDM מכילות פאזות רכות או ממשקים. בעת הפגיעה, הממשקים סופגים תחילה אנרגיה, מתפרקים ולאחר מכן מתאחדים מחדש.כמו כפפות אגרוף - הכפפות לא מגבירות את הכוח, אבל הן מאריכות את זמן הלחץ ומפחיתות את שיא הלחץ. 

3. "דביקות" בין-מולקולרית: מערכות מסוימות מכילות קשרי מימן, אינטראקציות π-π, ואפילו אינטראקציות דיפול. אינטראקציות חלשות אלו "מקריבות" את עצמן כדי לספוג אנרגיה בעת הפגיעה, ולאחר מכן מתאוששות באיטיות.

לכן, תגלו שחלק מהפולימרים עם קבוצות פולריות (כגון PA ו-PC) מייצרים חום משמעותי לאחר הפגיעה - זה נובע מ"חום החיכוך" שנוצר על ידי אלקטרונים ומולקולות. 

במילים פשוטות, המאפיין המשותף של חומרים עמידים בפני פגיעות הוא שהם מפזרים מחדש אנרגיה במהירות מספקת ואינם קורסים בבת אחת.

 

מעברUHMWPE ו-יריעת HDPEהם מוצרי פלסטיק הנדסי בעלי עמידות מצוינת בפני פגיעות. כחומר עיקרי בתעשיות מכונות הכרייה והתחבורה ההנדסית, הם החליפו את פלדת הפחמן והפכו לבחירה המועדפת עבור ציפויי משאיות וציפויי בונקרים של פחם. 

עמידותם החזקה במיוחד בפני פגיעות מגינה עליהם מפני פגיעות מחומרים קשים כמו פחם, ובכך מגינה על ציוד תחבורה. זה מקטין את מחזורי החלפת הציוד, ובכך משפר את יעילות הייצור ומבטיח את בטיחות העובדים.