عند مناقشة مواد البوليمر، غالبًا ما نسمع تعليقات مثل "هذه المادة تتمتع بصلابة ممتازة" أو "تلك المادة تتمتع بمتانة استثنائية". عادةً ما تتميز المواد ذات الصلابة العالية بصلابة ومقاومة أكبر للضغط والتشوه. من ناحية أخرى، تُشبه المواد الصلبة الأشرطة المرنة، القادرة على تحمل التمدد والانحناء بمرونة فائقة.

لكن هل تساءلت يومًا: ما هي مؤشرات الأداء التي تُحدد صلابة المادة أو مرونتها؟ وما هي العوامل الأساسية التي تُحدد ما إذا كان البوليمر صلبًا أم لينًا؟ في هذه المقالة، سنستكشف هذه الأسئلة ونكشف عن الجانب العلمي وراء الخصائص الميكانيكية للمواد البوليمرية.

فهم الصلابة والمرونة من خلال مؤشرات الأداء

من بين العديد من الخصائص الميكانيكية للمواد البوليمرية، هناك مؤشرات مختلفة مسؤولة عن عكس الصلابة أو المرونة.

مؤشرات الصلابة:
معامل الانثناء و صلابة غالبًا ما تُعتبر الصلابة مؤشرًا رئيسيًا للصلابة. يقيس معامل الانثناء مقاومة المادة للتشوه الناتج عن الانحناء - فكلما ارتفعت القيمة، زادت صلابة المادة، مما يجعلها أقل عرضة للانحناء. من ناحية أخرى، تعكس الصلابة بشكل مباشر قدرة المادة على مقاومة الضغط السطحي الموضعي. تستطيع المواد ذات الصلابة العالية الحفاظ على شكلها بشكل أفضل ومقاومة التشوه الناتج عن الضغط الناتج عن القوى الخارجية.

قوة الشد و قوة الضغط تُساعد أيضًا في تحديد مدى صلابة المادة. قوة الشد هي أقصى إجهاد يمكن للمادة تحمله قبل أن تنكسر تحت تأثير الشد. تعني قوة الشد العالية أن المادة قادرة على تحمل قوى شد أكبر دون أن تنكسر، مما يُظهر صلابة قوية. وبالمثل، تعكس قوة الضغط قدرة المادة على مقاومة الضغط، حيث تشير القيم الأعلى إلى صلابة أكبر.

مؤشرات المرونة:
الاستطالة عند الانكسار و قوة التأثير هي مؤشرات رئيسية لتقييم مرونة المادة.

الاستطالة عند الكسر هي نسبة طول المادة الممتد إلى طولها الأصلي عند انكسارها تحت تأثير الشد. كلما زادت هذه القيمة، زادت قدرة المادة على التمدد قبل الكسر، مما يدل على ليونة ومرونة أفضل.

تقيس قوة التأثير قدرة المادة على امتصاص الطاقة عند التعرض لصدمة مفاجئة. المواد ذات قوة التأثير العالية أقل عرضة للكسر عند تعرضها لقوى خارجية، مما يُظهر متانة ومرونة ممتازتين.

مثال: PP + 40% ألياف زجاجية طويلة

فهم الصلابة والمرونة من خلال العوامل الجوهرية

2. درجات الحرية المحلية
يؤثر التركيب المحلي والمجموعات الوظيفية على طول سلاسل البوليمر أيضًا على صلابة المادة ومرونتها. ويلعب حجم المجموعات الجانبية وقطبيتها وكميتها دورًا مهمًا. تعمل المجموعات الجانبية الأكبر على إعاقة حركة سلاسل البوليمر، مما يقلل من المرونة ويزيد من الصلابة. على سبيل المثال، تُظهر البوليمرات الحيوية ذات السلاسل الجانبية الألكيلية الطويلة صلابة متزايدة مع ازدياد طول السلسلة الجانبية. تُولّد المجموعات الجانبية القطبية تفاعلات بين جزيئية قوية تُقيّد حركة السلسلة وتُعزز صلابتها. يُمكن ضبط صلابة ومرونة مشتقات السليلوز الحيوية التي تحتوي على مجموعات قطبية مثل الهيدروكسيل والكربوكسيل عن طريق تعديل عدد هذه المجموعات وتوزيعها.

3. القوى بين الجزيئات
إن قوة القوى بين الجزيئات تؤثر بشكل مباشر على صلابة البوليمر. تعمل التفاعلات الأقوى مثل الرابطة الهيدروجينية وقوى فان دير فالس على زيادة الارتباط بين سلاسل البوليمر، مما يجعل من الصعب على السلاسل الانزلاق أو التحرك بالنسبة لبعضها البعض، وبالتالي زيادة صلابة المادة. على سبيل المثال، يُظهر الكيتوزان روابط هيدروجينية وفيرة بين جزيئاته، مما يُنتج عنه صلابة وقوة عاليتين، ولذلك يُستخدم على نطاق واسع في التطبيقات الطبية الحيوية مثل ضمادات الجروح. في المقابل، تُسهّل القوى الجزيئية الأضعف حركة السلاسل، مما يُنتج مواد أكثر مرونة.

4. طول السلسلة الجزيئية
يُعد طول السلسلة الجزيئية سلاحًا ذا حدين فيما يتعلق بالصلابة والمرونة. عمومًا، تؤدي السلاسل الأطول إلى زيادة التشابك بين الجزيئات، مما يحد من حركة السلسلة ويزيد من صلابتها. لكن، كما توفر السلاسل الأطول المزيد من الحرية التكوينية، مما يوفر طرقًا إضافية للحركة يمكن أن تمنح بعض المرونة. بالنسبة للبولي هيدروكسي ألكانوات ذات القاعدة الحيوية (PHA)، فإن زيادة درجة البلمرة (طول السلسلة) يعزز قوة الشد والصلابة مع الحفاظ على درجة من المرونة مناسبة للتطبيقات المتنوعة.

5. الربط المتقاطع
يشير مصطلح "التشابك" إلى روابط كيميائية تربط سلاسل البوليمر في شبكة ثلاثية الأبعاد. في المواد ذات التشابك الخفيف، تحتفظ السلاسل ببعض المرونة بين نقاط التشابك، مما يحافظ على مرونتها ويزيد من صلابتها ومتانتها بفضل بنية الشبكة. على سبيل المثال، تتميز هيدروجيلات ألجينات الصوديوم ذات التشابك الخفيف بمرونة جيدة لتتكيف مع الجلد وقوة كافية للعناية بالجروح. أما المواد ذات التشابك العالي، فتُقيد حركة السلسلة بشدة، مما يجعلها صلبة وهشة وأكثر صلابة بشكل ملحوظ مع انخفاض كبير في مرونتها.

6. العوامل الخارجية
تؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على صلابة البوليمر ومرونته. فمع ارتفاع درجة الحرارة، تُعزز الحركة الحرارية الجزيئية المتزايدة حركة السلسلة، مما يزيد من مرونتها ويُقلل من صلابتها. أما انخفاض درجات الحرارة فيُحدث تأثيرًا معاكسًا. كما تؤثر الرطوبة على بعض البوليمرات الحيوية المُحبة للماء؛ فعلى سبيل المثال، تمتص المواد القائمة على السليلوز الرطوبة في بيئات عالية الرطوبة، مما يُضعف قوى الترابط بين الجزيئات، ويُليّن المادة، ويُقلل من صلابتها.