ومن العوامل الهائلة التي تكتنف الجسور المعلّقة، والمواقف الزجاجية التي لا تُحدَّد في الهيكل الحديث إلى مركبات الوزن الخفيف للطائرات الجيل القادم، وأجهزة الكشف المرنة للأجهزة الطبية، فإن البوليمرات تُحوّل أساساً إلى الهندسة الهيكلية، ويكمن مفتاح أدائها في وجود مجموعة من الممتلكات التي تُعَدَّد فيها كثافة كبيرة: الكثافة المتعددة.

فهم الكثافة المتعددة

وتعتمد الكثافة المتعددة، التي عادة ما يُبلغ عنها بالغرامات لكل سنتيمتر مكعب (g/cm3)، على الكتلة من السلاسل المتعددة المورّدات المغلفة في حجم معين، وتمتد القيم إلى نطاق واسع: من حوالي 0.85 غ/cm3 بالنسبة لبعض الرغاوي ذات البوليفينات إلى ما يزيد على 2.0 غ/سم3

التعريف والتقدير

Formally, density is the mass of a material divided by its volume. For polymers, the most common test methods are ASTM D792 (water displacement) and ISO 1183 (gradient column technique). These protocols ensure accuracy within 0.001 g/cm3 - a precision that matters because a shift of just 2% in density can alter tensile modulus by more than 20%

العوامل المؤثرة في الكثافة

وتنظم الكثافة المتأصلة لبوليمر نايت هيكله الكيميائي وكفاءته التي تجمع بها السلاسل معاً، وتساهم عدة خصائص من حيث مستوى الجزيئات في ما يلي:

مراحل الكريستال والآمورفية

ومعظم البوليمرات التجارية هي شبه خطية: فهي تحتوي على مواد مبتذلة ذات طابع بلوري موزعة داخل المناطق المكتظة، لأن مرحلة البلورة لها ترتيب أكثر سلاسل مدمجة، فإن حجمها المحدد أقل، وبالتالي فإن كثافة البلورة تزيد بصورة مباشرة من كثافة السد، وعلى سبيل المثال، فإن تعددية البوليثيل عالية الكثافة، التي تبلغ مساحتها 70-80 في المائة.

مجموعة الهيكلة والجزء الجانبي

(أ) السلاسل البوليمرية غير المجهزة بشكل أكثر كفاءة من السلاسل الفرعية؛ وثنائي البوليثيلين هو المثال الكلاسيكي: تُرتّب سلاسل التكرار ذات النطاقات التراكمية الكثيفة في البوليميرات، وتعددية الدهون، ومجموعات البوليمرات ذات الكثافة العالية، مثل حلقة الفينيل في البوليستيرين، وتجمعات كبيرة دون زيادة نسبية

التأثيرات على درجة الحرارة والمعالجة

فالكثافة لا تُغلق في الصيغة الكيميائية وحدها؛ فالتاريخ الحراري والمعالجة يمكن أن يُحوّلها إلى حد كبير.() ويُحدث التبريد السريع من الشراك الأكثر رهبة وحجم حر، ويقلل الكثافة، ويعزز الاختلالات البطيئة التي تُعدها وحدات الرشاقة، ويزيد من كثافة الكثافة، ويزيد من كثافة الاختراق.()

كيف أن الكثافة تُحب القدرة على الارتقاء

وفي التصميم الهيكلي، لا تكون الكثافة مجرد ازدراء للوزن؛ فهي ترتبط ارتباطا وثيقا بالآليات التي تحمل بها المواد الحمولة، وتتجلى الكثافة العالية عموما في التعبئة الجزيئية الأشد صرامة التي تقيد التنقل في السلسلة، وترفع مباشرة القوة والثبات، غير أن العلاقة ليست متتالية تماما، ويمكن للتضحية ببعض الكثافة أن تسفر عن مكاسب حاسمة في الصرامة أو التأثير على المقاومة.

Tensile Strength and Modulus

(أ) القدرة على مقاومة التمدد هي في كثير من الأحيان أول ملكية ترتبط بكثافة، وعندما تكون السلاسل قريبة من بعضها البعض، فإن القوى الثانوية مثل تفاعلات فان دير والسوائل، وسندات الديبول، وتعدد الكثافة الهيدروجينية على مسافات أقصر، وتحتاج إلى مزيد من التذكير بسلاسل منفصلة.

القوة والصعوبة المضغوطة

١-٥ وفي ظل الضغط، فإن مقاومة المادة للارتطام بالكثافة الدائمة تصطدم بقوة أولية، إذ يمكن للبوليمرات البلورية العالية أن تدعم تحميلات ضغطية أعلى دون أن تُغل أو تُنتج، كما أن البوليميد ٦٦ )الكثافة ١-١٤ غ/سم٣( يوفر قوة ضغطية على الزجاج تقارب ٩٠ ميغابايا، مما يجعلها مناسبة للطرق المضغية والوصلات الهيكلية.

كريمة ومقاومة فاتاغ

ويمكن أن تحقق التطبيقات الطويلة الأجل للتعبئة في الهياكل الأساسية أو الأجهزة الطبية الأحيائية مواد مقاومة للزراعة (الارتفاع التدريجي تحت الضغط المستمر) والضغط الدهني (العجز تحت الحمل الزارق) وتظهر البوليمرات المكثفة انخفاضاً في الامتثال لأن القيود المفروضة على حركة التكتل أمام البوليفوري، وتظهر معدلات مقاومة شديدة للزراعة، وهي نسبة حرجة بالنسبة لضغوط شبكات توزيع الغازات.

مقاومة الأثر واستيعاب الطاقة

وفي حين أن الكثافة العالية ترتفع عموماً القوة والثبات، فإنها كثيراً ما تقلل من قدرة الموصلات ومقاومة التأثير، فالمناطق الكريستالية تقاوم التشوهات البلاستيكية، التي يمكن أن تؤدي إلى كسر في الرطوبة المفاجئة، حيث أن البوليمرات المنخفضة الكثافة، مثل التصاميم المتدني الكثافة، أو البوليثيلينات المتعددة البوليثيرات، تستهلك بصورة تدريجية.

صنفات بوليمر ودينتي - دريفن

وتوضح مختلف الأسر المتعددة الزمرات الآثار العملية للعلاقة بين الكثافة والحمولة.

عالية-الدينامية ضد بوليثيلين منخفضي الدِنْس

ولا توجد مقارنة بين هذه الفئة وبينها، حيث تُعبأ سلاسل خطية من طراز HDPE إلى مناطق بلورة تشغل أكثر من 60 في المائة من الحجم، مما يعطيها نمطاً متيناً من البوليفوفلور و1000 كيلوفولط، ونموذجاً متعدد الأطراف يزيد على 900 كيلوفولط، وهذا يسمح باستخدامها في تركيب الأنابيب، والحاويات الصناعية، والزميل الأقل.

Polypropylene and Polycarbonate: A density-Strength Trade-Off

١ - يمكن أن تجمع المواد التراكمية )الكمية - ١,٢٠ غ/سم٣( كثافة عالية نسبيا مع مقاومة للأثر الاستثنائي بسبب هيكلها الأموري القابل للاختطاف وقدرتها على الخضوع لضغوط الأشعة تحت البوليفاتية، والدروع الشغبية، والمركبات ذات القدرة المنخفضة على التخصيب)١(.

الهندسة المزروعة والمركبة

ويستخدم النيلون 66 (كثافة 1.14 غ/كغ3) والخليط (الكثافة 1-42 غ/سم3) في أجزاء آلية دقيقة مثل المعدات والأشحة لأن توازن كثافة الحركة يوفر قدراً منخفضاً من الاحتكاك والاستقرار في الفضاء، ويحافظ على كثافة الألياف الميكانيكية، والكثافة المصفوفة المقترنة بنوع القوة والتوجه(و)

التطبيقات العملية في مجال الصناعات عبر

وتسترشد المبادئ التي تربط الكثافة بالقدرات التي تحمل عبء العمل باختيار المواد في البيئات التي تتطلب الطلب.

التشييد والهياكل الأساسية

ويتزايد استخدام الغازات المتعددة الفلزات في عناصر الحمل مثل ربطات الجسور، والهيدروليكات السيزمية، وتقوية الألياف.

الوزن الخفيف

ويحسن كل جرام من عوامل خفض الوزن اقتصاد الوقود أو يمتد نطاق الكهرباء.

المكونات الهيكلية للفضاء الجوي

(أ) أن تُحدِّد [التصميمات الفضائية الجوية] الكثافة والثديية إلى أقصى درجة، وتُحدِّد سمات التحلل الحراري وأجهزة الترميز ذات الازدواجية العالية، وتُحدِّد الكثافة القصوى للثديين والثديينات المركَّبة [الثانية].

النمطيات الطبية الحيوية

:: أجهزة طبية محملة بالثقوب مثل جذوع الورك والقفص الشوكي وجسور الأسنان، يجب إدارة الكثافة المتعددة للارتفاع في العظام المحيطة وتجنب الإجهاد، حيث يُعدّل تركيب الصبغة الإلكترونية للثديين التراكمية (الثديين) حيث يُحدّد تركيزها من الكثافة العالية نسبياً بينما يقاوم تأثيرها القوي في الأضلاع الشوكية(20).

السلع الرياضية والمعدات الوقائية

ومن بين أطر الدراجات الخفيفة إلى الخوذات التي تصيب الارتطام، فإن الكثافة القصوى للوزنات ذات التأثيرات العالية التي لا تُستخدم في كل من طبقات البولي بروبيلين، والتي لا بد أن تكون ذات تأثيرات كبيرة على الطاقة، وأن تكون أكثر كثافة في الطاقة، وأن تكون أكثر كثافة في مستويات الخوذ، بينما تكون هذه الأشعة أكثر كثافة في التكاثر.

تحقيق الحد الأمثل من كثافة الطلب على الهياكل الأساسية

ونظرا للتفاعل بين الكثافة والقدرة على الحمل، فإن اختيار المواد وتجهيزها بصورة منهجية يمكن أن يكشفا عن حلول هيكلية مصممة خصيصا.

استراتيجيات اختيار المواد

(أ) يمكن أن يُحدث هذا النوع من المواد ذات التأثيرات العالية، أو أن يكون هناك الكثير من المواد التي تُستخدم في إنتاجها.

مراقبة الكثافة المُنتجة

فبعد الاختيار المادي، توفر معايير المعالجة مراقبة ثانوية للكثافة، وفي التغليف بالطن، يمتد ارتفاع درجة الحرارة الباردة إلى درجة التبريد ويزيد من البلورة، وينتج أجزاء من الكثافة ذات درجة أعلى من الوزن الرطب، ويمكن أن يتجمد التحلل السريع في شكل أكثر كثافة من ذلك، ويخفض الكثافة، ولكن يحسن من التكهن.

التوقعات والابتكارات في المستقبل

(أ) إن السعي إلى إيجاد هياكل أكثر قوة وأكثر إلحاحاً هو إجراء بحوث في المواد المتعددة الزمرات حيث يتم تصميم الكثافة والقدرة على الحمل على المستوى الجزيئي.

خاتمة

إن تأثير الكثافة المتعددة على القدرات الهيكلية لحمل الدم يتجاوز كثيراً عدداً واحداً في صحيفة بيانات، ويعكس الكثافة عدم وجود علاقة بين التعبئة الجزيئية، وانتشار نظام البلورة، وتاريخ المعالجة، الذي يُمليه بشكل مشترك مدى اتساع نطاق المتغيرات في صناعة الخماسي، أو الضغط، أو التسلل، أو التأثير، وفي التطبيقات التي تُعدل في جميع قطاعات البناء والاختيار الآلي والفضاء الجوي،