فرایندکاری مهم ترین شغل است (بخش پنجم)

بسپار/ ایران پلیمر با استفاده از دمای قالب بیش ازT_g  بسپار درجه بلورینگی کافی برای داشتن پایداری ابعادی تضمین می­شود، حتی اگر قطعه در دماهای بیشتر استفاده شود. اما POM یک استثنا است. چرا؟

سه بسپار نیمه بلوری که معمولا استفاده می­شوند، پلی ­اتیلن، پلی ­پروپیلن و استال (که امروزه عموما به عنوان پلی­ اکسی­متیلن (POM) اشاره می­شود) دارای دمای گذار شیشه­ای کمتر از دمای اتاق هستند. این بدان معنی است که آن­ها حتی هنگامی­که تا دمای اتاق سرد می­شوند، هم­چنان به تبلور ادامه می­دهند. فرایندکارانی که مجبورند قطعاتی از این مواد قالب­گیری کنند این ادامه بلورینگی برای مدت طولانی را تجربه کرده­اند، زیرا قطعه قالب­گیری شده هم­چنان به جمع­شدگی (shrink) ادامه می­دهد.

اغلب قطعات قالب­گیری شده تا دمای اتاق سرد می­شوند و در مدت 30 الی 90 دقیقه، بسته به نوع بسپار، ضخامت دیواره قطعه و ابعاد اندازه­گیری شده، از نظر ابعادی پایدار می­شوند. اما این سه ماده می­توانند تغییرات ابعادی را تا 24 الی 48 ساعت ادامه دهند. ادامه جمع­شدگی نشانه­ای فیزیکی از ادامه بلورینگی است.

خوش­بختانه اکثر قطعات در این زمان طولانی به ابعاد پایدار می­رسند. با این حال، اگر خواص مکانیکی بسپار اندازه ­گیری شود، تغییر مداوم در استحکام، مدول و مقاومت ضربه مشاهده می­شود که می­تواند هفته­ها ادامه یابد.

این مسئله به­ ویژه برای زمانی­که به ابعاد دقیق و خواص پایدار در قطعات کاربردی مانند چرخ­دنده­ها نیاز است، اهمیت پیدا می­کند. چنان­چه قطعه در دمای زیاد کار کند، مشکل بزرگ­تر می­شود، زیرا این امر باعث جمع­شدگی بیشتر پس از قالب­گیری خواهد شد.

در شماره قبلی در مورد این اصل صحبت شد که استفاده از دمای قالب بیش از دمای گذار شیشه ­ای (T_g) بسپار، درجه بلورینگی کافی برای داشتن پایداری ابعادی را تضمین می­کند، حتی اگر قطعه در دماهای زیاد استفاده شود. اما به نظر می­رسد که این قانون در مورد POM درست نباشد. دمای T_g بسپار POM نزدیک به 80- درجه سانتی­گراد است. بنابراین، جریان آب سرد در قالب باید برای تضمین بلورینگی کافی مناسب باشد. اما تامین­کنندگان این مواد توصیه می­کنند که از دماهای قالب به نسبت زیاد برای هم­بسپارها (85-80 درجه سانتی­گراد) و همگن ­بسپارها (homopolymers) (95-90 درجه سانتی­گراد) استفاده شود. در دستورالعمل طراحی و فراورش ارایه شده توسط تامین­کنندگان بسپار این موضوع برای تعیین رابطه پیچیده بین دمای قالب، ضخامت دیواره قطعه و تغییرات ابعادی پس از قالب­گیری در دماهای کاربردی مختلف همراه با جزئیات بررسی شده است.

شکل 1 چنین بررسی را برای همگن­بسپار POM شرکت DuPont که در سال 1960 اختراع شد، نشان می­دهد. این سه نمودار، نسبت بین دمای کاربرد و جمع­شدگی پس از قالب­گیری را نشان می­دهند که ممکن است به­صورت تابعی از دمای قالب مورد استفاده هنگام تولید قطعات باشد. این نسبت برای سه ضخامت دیواره مختلف، 0/8، 1/6و 3/2 میلی­متر، نشان داده شده است.

ضخیم­ترین دیواره، بیش­ترین میزان پایداری ابعادی را ایجاد می­کند. در این ضخامت، اگر قطعه در دمای 38 درجه سانتی­گراد قالب­گیری شود و قطعات هرگز در معرض دمای بیش از دمای اتاق قرار نگیرند، تغییر ابعادی 0/001 اینچ خواهد بود. با افزایش دمای قالب، تغییرات پس از قالب­گیری کاهش می­یابد و زمانی­که دمای قالب به 121 درجه سانتی­گراد می­رسد، تغییرات نیز به صفر می­رسد. با این حال، اگر قطعه در معرض دماهای بیشتر باشد، تغییر ابعاد به دلیل جمع­شدگی پس از قالب­گیری به طور قابل توجهی افزایش می­یابد. برای قطعه­ای که در دمای 38 درجه سانتی­گراد قالب­گیری شده است، قرار گرفتن تحت محیط کاربردی 100 درجه سانتی­گراد منجر به تغییر ابعادی 0/007 اینچ می­شود. حتی در دمای قالب 121 درجه سانتی­گراد تغییر 0/002 اینچ خواهد شد. اما بدیهی است که دمای قالب بیشتر، تغییرات ابعادی را که ممکن است به دلیل بلورینگی حالت جامد رخ دهد، به حداقل می­رساند.

چنان­چه ضخامت دیواره کمتر شود، این اثرات بیشتر می­شوند. زمانی­که ضخامت دیواره به کمترین مقدار یعنی 0/8 میلی­متر برسد، تغییر ابعادی برای قطعه­ی قالب­گیری شده در دمای 38 درجه سانتی­گراد که بعدا در معرض 100 درجه سانتی­گراد قرار می­گیرد، دو برابر یعنی 0/014 اینچ می­شود، در حالی­که قطعه با ضخامت 3/2 میلی­متر با استفاده از دمای قالب 121 درجه سانتی­گراد این تغییر را تا 0/004 اینچ کاهش می­دهد. این به دلیل آهنگ سرمایش سریع دیواره نازک است. پلاستیک ­ها، رسانای گرمای ضعیفی هستند. در دیواره ضخیم­تر، بخش­های مغزی از سطح قالب­گیری دورتر هستند و به دلیل لایه سرد شکل گرفته عایق­بندی شده­اند. در نتیجه آهنگ سرمایش کاهش می­یابد و درجه بلورینگی که می­تواند رخ دهد افزایش می­یابد.

[EasyDNNGallery|11090|Width|500|Height|500|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 1: پایداری ابعادی طولانی مدت همگن­بسپار POM (1000 ساعت در دمای اتاق)

از این اطلاعات کاملا واضح است که برای ایجاد ساختار بلوری پایدار در این ماده، دمای قالب بیش از دمای گذار شیشه­ای موردنیاز است. اما بسیار کم در مورد این واقعیت بیان شده است که رفتار POM از این قاعده پیروی نمی­کند و هیچ بحثی در مورد علت این رفتار آورده نشده است، این­که راهنمای قابل اعتماد برای دستیابی به درجه بلورینگی بهینه در بسپارهای نیمه ­بلوری چیست. با این حال، اگر رفتار وابستگی دما برای POM دقیقا بررسی شود، ممکن است دلیلی برای این رفتار غیرعادی پیدا شود.

شکل 2 نمودارهای مدول کشسان برحسب دما را برای سه نمونه­ی مختلف POM نشان می­دهد. روبش از 125- درجه سانتی­گراد شروع می­شوند تا این­که گذار شیشه­ای مشاهده شود. کاهش شدید مدول که در حدود 70- درجه سانتی­گراد اتفاق می­افتد، به علت گذار شیشه­ای بسپار است. هم­چنین بررسی دقیق این منحنی­ها نشان می­دهد که یک گذار بسیار کوچک­تر در حدود 80 درجه سانتی­گراد در این نمونه­ها رخ می­دهد.

[EasyDNNGallery|11091|Width|500|Height|500|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 2: مدول کشسان هم­بسپار POM

شکل 3 تصویر گسترده­ای از این گذار را نشان می­دهد. خواص شناخته شده­ای مانند مدول اتلاف، که اوج (peak) مربوط به گذارهای مهم را نشان می­دهد، مقدار حداکثری در کمتر از دمای 95 درجه سانتی­گراد را نشان می­دهد. اوج tanδ در دمای 123 درجه سانتی­گراد رخ می­دهد. این محدوده توصیه شده، دمای قالب برای تولید قطعات POM با ابعاد پایدار را بیان می­کند.

[EasyDNNGallery|11092|Width|500|Height|500|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

اهمیت توجه به توصیه­های تامین­کنندگان مواد در مورد این موضوع به آسانی قابل درک نیست، اما می­توان به راحتی با اندازه­گیری ابعاد یک قطعه قالب­گیری شده و قرار دادن قطعات در دمای زیاد که ممکن است مربوط به محیط کاربرد باشد و سپس اندازه­گیری مجدد ابعاد بعد از این­که قطعات از گرم­خانه خارج شدند و تا دمای اتاق سرد شدند، نشان داده شود. انتظار می­رود ساختار پایدارتر بسپار، تغییرات ابعادی کوچک­تری در قطعه قالب­گیری شده ایجاد کند. تغییرات ابعادی بزرگ نشان می­دهد که فرایند قالب­گیری در رسیدن به ساختار مطلوب موفق نبوده است.

[EasyDNNnewsLink|0]

[EasyDNNnewsLink|0]

[EasyDNNnewsLink|0]

[EasyDNNnewsLink|0]

(ادامه دارد …)

متن کامل این مقاله را در شماره 191ام ماهنامه بسپار که در نیمه تیرماه منتشر شده است بخوانید. 

در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های 02177523553 و 02177533158 داخلی 3 سرکارخانم ارشاد .تماس بگیرید. امکان اشتراک آنلاین بر روی صفحه اصلی همین سایت وجود دارد