سرویس ترجمه انجمن لوله و اتصالات پی وی سی، دو بخش نخست این مقاله در روزهای گذشته منتشر شد، اکنون بخش سوم و پایانی این مقاله را پیش روی دارید. برای دسترسی به دو قسمت اول می توانید اینجا و اینجا را کلیک کنید.

 

5-آنالیز حرارتی

 

1-5TGA/DTA  

نتایج آزمون حرارتی(TGA/DTA )برای کامپوزیت موزی در شکل 4 نشان داده شده است. منحنی آبی DTA را نشان می دهد در حالی که منحنی تیره تر نشاندهنده TGA کامپوزیت است . TGA تغییرات وزن نمونه ها را نسبت به دمای کنترل شده متغیر اندازه گیری می کند. نمودارها اسکن حرارتی را بین 29 و 83 درجه سانتی گراد نشان می دهد . شروع دمای تجزیه کامپوزیت((TGA تقریبا c°370 است و به طور مداوم تا c°530  با کاهش جرم تا 47% ادامه دارد. مرحله دوم تجزیه از c°530  -670 با کاهش جرم 23% است.کاهش جرم کلی از تجزیه حرارتی تقریبا 70% است.کاهش جرم نتیجه ی تجزیه کامل پی وی سی و تبخیر برخی از اکسیدهای خاک رس کائولن و ماده معدنی طبیعی است. تجزیه PVC یک فرآیند دو مرحله ای است که شامل دی هیدروکلراسیون با آزاد سازی HCL  و تشکیل  توالی پلی ان های مزدوج می باشد .

 

 

شکل 4- منحنی TGA/DTA کامپوزیت ذرات موز

 

دومین مرحله ، تجزیه ی زنجیره ی پلی ان و تشکیل خاکستر باقی مانده می باشد . نمودار DTA درصد تجزیه ی جرمی را برای دو مرحله مربوطه در 55-370 درجه سانتی گراد و 670-550 درجه سانتی گراد نشان می دهد .

 

 این نمودار به مرحله اول و دوم تجزیه PVC و اکسیداسیون ناخالصی های موز وخاک کائولن نسبت داده شد. در شکل 5 منحنیTGA/DTA از pvc خالص و تجزیه جرمی آن در مرحله 267-390c و 390-510c را به ترتیب نشان می دهد. این منحنی کاهش جرم کلی 95% را نشان می دهد و خاکستر باقی مانده 5%  بر جای می ماند. مقایسه شکل ها نشان می دهد که این کامپوزیت دارای پایداری حرارتی افزایش یافته بیش از c°103  برای pvc است. منحنی  TGA/DTA به طور همزمان نشان داد که این کامپوزیت از لحاظ حرارتی تا دمای بالای c°370  پایدار است.

 

 

شکل 5- منحنی  TGA/DTA برای pvc خالص

 

2-5 DMA

 

تحلیل های  دینامیکی مکانیکی(DMA)پایداری سفتی کامپوزیت را با افزایش دما نشان می دهد ،دمای انتقال شیشه ای و ماهیت ویسکو الاستیک با بار دینامیکی برانگیخته می شود. منحنی DMA کامپوزیت در شکل 6 نشان داده می شود . آزمونی که تحت بار اعمال شده 150KN/m² انجام شد کمی بالاتر از فشار جو قرارداشت .

 

منحنی نشان می دهد که کامپوزیت تحت بارهای دینامیکی ( فشار صفر) با افزایش دما در فرکانس های 1 و 5 و 10 HZ و بالاتر از 70 درجه سانتی گراد قبل از شروع دمای انتقال شیشه ای74.4c  پایدار است. شروع دمای انتقال شیشه ای PVC c°80    می باشد و نقطه ی  عطف آن ( نقطه حد وسط) معمولاً به عنوان دمای انتقالی شیشه ای c°85  می باشد . منحنی همچنین حدود 22%کاهش سفتی از GPa 1.2 تا 0.9 GPa  در دمای 70c را نشان می دهد. این نشان دهنده مناسب بودن استفاده از این مواد در دمای بالاتر از 70c است. مقدار  tan d(تانژانت دلتا) نسبت مدول ویسکوز به الاستیک است و بنابراین یک مقدار برای ویسکو- الاستیکی ماده را می دهد. ویسکو الاستیسیته کامپوزیت ذرات موزدر تانژانت دلتا  با مقدار 0.1 از c°70 تا حداکثر 1 در دمای c°97  مشهود است.

 

شکل 7 منحنی لوله های PVC  یک اینچی را نشان می دهد که زیر بار دینامیکی( بدون فشار) با افزایش دما در فرکانس های 1 و 5 و 10 Hz و بالاتر از c°60  قبل از شروع دمای انتقالی c°65.8  پایدار است . این منحنی همچنین  مناسب بودن این ماده را برای دمای بالاتر از c°60  نشان می دهد.ماهیت ویسکو الاستیک کامپوزیت  pvcدر تانژانت دلتا مقدار 0.1 از c°60  تا حداکثر 1 در c°75 مشهود است.

 

 

شکل 6- منحنی تست DMA برای کامپوزیت ذرات موز

 

شکل 7- منحنی تست DMA  برای لوله های pvc  یک اینچی

 

3-5 انطباق زمان دما(TTS)

 

اصل انطباق زمان- دما(TTS ) برای پیش بینی رفتار عملکرد طولانی مدت کامپوزیت ها با استفاده ازدستگاه DMA به کار گرفته می شود. مدل ویلیام لندن فری((WLF به عنوان معادله TTS مورد استفاده قرار گرفت( در فرکانس های1،5،10HZ ). جایی که منحنی اصلی ایجاد می شود، عملکرد در فرکانس های استخراج شده را نشان می دهد. شکل 8 منحنی اصلی برای کامپوزیت موز را در 50c  نشان می دهد.

 

شکل 8 منحنی اصلی کامپوزیت ذرات موز در50c

 

آزمون  تحت بار و فشار خارجی    انجام شد .  این منحنی نشان می دهد که سفتی کامپوزیت بعد از حدود 32 سال به 0.72Gpa (40% کاهش در سفتی حلقه ای)کاهش یافته است . این سفتی  بعد از 126 سال به 0.65Gpa (45% کاهش در سفتی)کاهش یافت. اگرچه به نظر می رسد که زمانی سفتی پایین تر از دمای c°50  به کار گرفته شود بالاتر است. به طور مشابه شکل 9 منحنی اصلی برای لوله pvc یک اینچی در c°50  با سفتی کاهش یافته به 0.44GPa(80% کاهش در سفتی) بعد از 32 سال استفاده را نشان می دهد.این سفتی تا Gpa 0.3(87%کاهش سفتی)بعد از 126 سال کاهش می یابد.

 

شکل 9 منحنی اصلی لوله یک اینچی pvc در 50c

 

مقایسه ی نتایج آزمون نشان می دهد که کامپوزیت عملکرد دوره های طولانی مدت بهتری نسبت به لوله های PVC یک اینچی دارد . کامپوزیت از لحاظ رئولوژیکی ساده است. نقاط تجربی باید به منحنی پیوسته نزدیک باشد ( منحنی بدون خط چین) همان طور که در شکل 10 نشان داده شده است.

 

شکل 10- کول- کول کامپوزیت ذرات موز در دمای انتقال شیشه ای

 

4-5 خزش

 

به علت ماهیت ویسکو الاستیک مواد کامپوزیت، تحلیل رفتار خزشی ، در درک تعادل میزان کرنش امری حیاتی است. نتیجه ی آزمون خزش کامپوزیت در 70 درجه سانتیگراد در شکل 11 نشان داده شده است. آزمون خزش برای 90 دقیقه در بار تنشی    انجام گرفت .

کرنش بزرگ عمودی اولیه به دلیل بار ثابت اعمال شده است که بعد از گذشت 50 دقیقه کاهش می یابد جایی که میزان کرنش بسیار کم می شود به عنوان تعادل میزان کرنش شناخته می شود .  این مرحله ناحیه خزش ثانویه است و باید به عنوان قابلیت تحمل مواد ویسکو الاستیک در نظر گرفته شود. در صد کرنش در طول این دوره و این دما، 1% است.به طور مشابه شکل12منحنی خزش برای لوله پی وی سی یک اینچی در 70c  به مدت 90 دقیقه را نشان می دهد. میزان کرنش در طول دوره نسبتا ثابت است(به طور پیوسته کاهش نمی یابد) و  به تعادل نمی رسد . این نشان می دهد که مواد لوله PVC یک اینچی در مقایسه با کامپوزیت نمی تواند به عنوان موادی با تحمل بار بالا به خوبی عمل کند ( در استفاده طولانی مدت از بین می رود) و در همان زمان و همان دما به تعادل نمی رسد. درصد کرنش  متناظر مواد لوله PVC در طول این دوره 3.38% است .

 

شکل 11-منحنی خزش کامپوزیت ذرات موز

 

شکل 12-منحنی خزش لوله pvc  یک اینچی

 

5-5 مقایسه قیمت و تحلیل وزنی با مواد لوله

 

هزینه و وزن در هر مترطول از کامپوزیت توسعه یافته با مواد لوله ای مرسوم PVC و فولاد کربنی مقایسه می شود که در شکل 12 نمایش داده شده است . چگالی فولاد کربن و PVC به ترتیب 7.8 و 1.5 g/cm³

 است.قیمت فیبرهای کنفی و کتانی در هر کیلوگرم (0.37 – 0.31 $) معامله می شود. با استفاده از  برآورد هزینه های قیاسی به طور مشابه برای الیاف ساقه موز ، قیمت اولیه نسبت به این محدوده قیمت در هر کیلوگرم تخمین زده شده است. بنابراین میزان هزینه ی کمتری تعیین شد و  با اضافه کردن هزینه های ناشی از آماده سازی فیبرها ، هزینه کلی 0.8$ در هر کیلوگرم تعیین شد  که در جدول 2 نشان داده شده است. هزینه های تولیددر هر کیلوگرم 0.5$ در نظر گرفته شد که شامل سود و مخارج دیگری مانند کارگر ، برق و غیره می شود . هزینه ی لوله های PVC در هر متر m / 0.84$ برای mm2.5  لوله یک اینچی در نظر گرفته شد بنابراین به kg/ 2.6 $ در هر کیلوگرم تبدیل شد .

 

 

هزینه فولاد کربنی در هر کیلوگرم وزن در بازارهای جهانی kg/1.7 $ برآورد شده است. فولاد کربنی گرید A (ASTM A53) به طور گسترده ای در صنعت نفت برای انتقال گاز ، آب و نفت خام استفاده می شود که استحکام کششی آن Mpa331 را دارد.

 

شکل 13-قیمت، وزن در هر متر طول و دانسیته مواد لوله

 

وزن در هر متر به عنوان جرم مواد لوله ای در هر واحد طول لوله محاسبه می شود .

 

که R ، شعاع بیرونی ، r = شعاع های درونی ، t = ضخامت لوله و v = حجم مواد لوله و l = طول لوله ، مقایسه وزن در هر مترطول در ضخامت لوله ی mm3.5 برای سه ماده ی لوله ای ساخته شده است که در شکل 13 نشان داده می شود .

 

فولاد کربنی بالاترین هزینه و بیشترین وزن در هر طول متر را ایجاد می کند بنابراین  هزینه های حمل و نصب بالایی دارد. مواد کامپوزیتی ذرات ریز موزی شکل کمترین وزن در هر متر و ارزان ترین قیمت را نسبت به مواد PVC ارائه می کند . وزن مواد در مقایسه با مواد pvc و لوله های فولاد کربنی در هر متر 84% و 17% زمانی که به شکل کامپوزیت است، صرفه جویی می شود. قیمت مواد در هر متر طول 83% و زمانی که به شکل کامپوزیت است، 42% در مقایسه با مواد  pvcو فولاد کرنی صرفه جویی می شود. نمونه لوله کامپوزیتی با ابعاد 25 میلیمتر قطر،4 میلیمتر ضخامت و 25 میلیمتر طول و وزن 15 گرم  تولید شد.

 

لوله کامپوزیتی pvc  تقویت شده با ذرات ساقه موز

 

نتیجه :

 

کامپوزیت با مواد کم هزینه که در کل دارای وزن سبک و خواص مکانیکی خوبی هستند، توسعه پیدا کرده است . خواص مکانیکی بهینه 8% و 72% و 20%  در فرمولاسیون به ترتیب برای ذرات ساقه موز( تقویت کننده) ، ماترسpvc  و خاک کانکارا( فیلر)مشخص شد و  دانسیته g/cm3 1.24 ، مدول یانگ Gpa1.3 ، جذب جزئی آب 0.79 % و  استحکام کششی Mpa 42 را ارائه می دهد .

 

آنالیز حرارتی( نمودارهای TGA – DTA) به صورت همزمان نشان می دهد که کامپوزیت تا دمای 370 درجه سانتیگراد از لحاظ حرارتی ثابت است.

 

منحنی DMA نشان می دهد که کامپوزیت نسبت به لوله های PVC دمای انتقال شیشه ای بالاتر وپایداری مکانیکی بهتری در دمای بالا تحت بارهای مکانیکی را نشان می دهد .  کامپوزیت دمای انتقال شیشه ای PVC را تا c°12  تغییر می دهد. منحنی خزش نشان می دهد که کامپوزیت دارای پایداری خزشی بهتری در دماهای بالاتر نسبت به مواد مرسوم لوله ی PVC که تحت بار پایدار قراردارند بنابراین قابلیت تحمل بار مناسب تری برای کاربردهای لوله دارد.

 

پیش بینی استفاده از عملکرد TTS  طولانی مدت در دمای 50 درجه سانتیگراد نشان می دهد که کامپوزیت نسبت به لوله ی PVC در طول کارکرد 126 ساله عملکرد طولانی مدت بهتری دارند .  به علاوه کامپوزیت نسبت به PVC در همان دوره بهتر عمل می کنند . کامپوزیت با فولاد کربن و مواد PVC مقایسه شد .صرفه جویی در وزن مواد در هر متر طول84% و 17%زمانی که کامپوزیت است  وقتی که با مواد فولاد کربنی و پی وی سی مقایسه می شود. بنابراین کامپوزیت می تواند موادی جایگزین برای  استفاده در کاربرد لوله کشی باشد.