فرایندکاری مهم ترین شغل است (بخش چهارم)

بسپار/ ایران پلیمر بسپارهای مهندسی برای رسیدن به ساختار ایده ­آل خود به دمای قالب بیشتری نیاز دارند. کاهش دمای قالب می­تواند به عملکرد قطعه آسیب برساند. در این مقاله، اثر تغییر دمای قالب بر عملکرد این نوع بسپار بررسی شده است.

به طور کلی، عملکرد بیشتر به توانایی بسپارها برای مقاومت در برابر دماهای زیاد بستگی دارد. در بسپارهای نیمه بلوری، دو گذار مهم این توانایی را مشخص می­کند: دمای گذار شیشه ­ای (T_g) و نقطه ذوب (T_m). پلی ­پروپیلن که در پایان مقاله بخش سوم بحث شد، معمولا به عنوان ماده اولیه­ای با T_g کمتر از دمای محیط و در حدود 0 درجه سانتی­گراد درنظر گرفته می­شود و T_m آن برای انواع مختلف در محدوده 165-160 درجه سانتی­گراد می­باشد.

اختلاف دمایی بین دو این گذار برای اکثر مواد نیمه­بلوری وجود دارد. نایلون­های آلیفاتیک نظیر نایلون 6 و نایلون 66 و پلی­استرهای نیمه­بلوری مانند PBT و PET، با T_g 90-55 درجه سانتی­گراد و دمای ذوب 260-225 سانتی­گراد، پله­ی بعدی در نردبان عملکرد را تشکیل می­دهند. برخلاف پلی­پروپیلن و پلی­اتیلن که می­توانند در دماهای نسبتا کم قالب، قالب­گیری شوند؛ این بسپارهای مهندسی برای رسیدن به ساختار ایده­آل خود به دماهای قالب بیشتری نیاز دارند. تلاش برای کاهش دمای قالب­گیری این مواد می­تواند برای عملکرد قطعه مشکل­ساز باشد.

از نظر مقیاس عملکردی، پلی­استایرن هم­آرایش (Syndiotactic Polystyrene، SPS)، پلی­فنیلن سولفید (PPS)، نایلون­های نیمه ­آروماتیک (که اغلب به عنوان PPA نام­برده می­شوند) و مواد با کارایی بسیار زیاد از قبیل پلی­اتراترکتون (PEEK)، در میان این مواد، سهم بیشتری دارند. T_g این مواد بیش از نقطه جوش آب است. بنابراین، تامین دمای قالب در حدی که به این مواد اجازه بلورش بدهد نیاز به استفاده از آب پرفشار، روغن و یا فشنگ­های برقی (electric cartridges) دارد. تمام فرایندکاران تمایلی به استفاده از این فناوری­ها ندارند. اما برای داشتن این سطح با کارایی زیاد، عدم موفقیت در رسیدن به دمای قالب مورد نیاز برای رسیدن به بلورینگی کافی، عواقب بسیار شدیدی دارد.

شکل 1 رفتار نمونه­های مورد آزمایش را با استفاده از چهار دمای مختلف قالب (57، 90، 125، و 159 درجه سانتی­گراد) نشان می­دهد. ماده مورد آزمایش، نایلون نیمه آروماتیک (PPA) تقویت شده با 35 درصد الیاف شیشه است. برای بررسی رفتار وابسته به دما، نمونه­ها با استفاده از آزمون تجزیه و تحلیل مکانیکی پویا (DMA) مورد آزمایش قرار گرفتند. این آزمون، نمودار مدول کشسان ماده را به صورت تابعی از دما ارایه می­دهد. سطوح مختلف بلورینگی که بسپار می­تواند در این دماهای قالب به آن برسد، پاسخ هر نمونه را آشکار می­سازد.

[EasyDNNGallery|10463|Width|800|Height|800|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 1: تغییرات مدول کشسان با دما در دماهای مختلف قالب

توجه داشته باشید که مدول اولیه ماده با افزایش دمای قالب به سمت بالا حرکت می­کند. مدول نمونه قالب­گیری شده در دمای 57 درجه سانتی­گراد در دمای اتاق حدود 9000 مگاپاسکال (psi1300) است، در حالی­که مدول نمونه قالب­گیری شده در دمای 159 درجه سانتی­گراد در دمای اتاق 10،350 مگاپاسکال (psi1500) است. در این دمای قالب، مدول 15 درصد بهبود یافته است. بیشترین افزایش مدول بین نمونه­های قالب­گیری شده در دمای 125 و 159 درجه سانتی­گراد رخ می­دهد. اما اختلاف بسیار بیشتری در عملکرد مشاهده می­شود هنگامی­که دمای آزمایش افزایش ­می­یابد. زمانی­که دمای آزمون به 130 درجه سانتی­گراد برسد، مدول تمام چهار نمونه به سرعت شروع به کاهش می­کند. این شروع گذار شیشه­ای است. اندازه­گیری دقیق T_g برای این ماده مقدار 145 درجه سانتی­گراد را نشان می­دهد.

بسپارهای نیمه بلوری، هنگامی ­که از گذار شیشه­ای عبور می­کنند، کاهش قابل توجهی در مدول نشان می­دهند. هنگامی­که پلی­آمیدها (نایلون­ها) با این درصد از الیاف شیشه پر می­شوند، انتظار می­رود که این ماده حدود 50 درصد از مدول در دمای اتاق خود را، در دماهای بیش از T_g، حفظ کند. این دقیقا همان چیزی است که برای نمونه­ای که در بیشترین دمای قالب قالب­گیری شده است مشاهده می­شود. نمونه­های قالب­گیری شده در دماهای کمتر قالب، کاهش مدول بسیار بیشتری نشان می­دهند، چنان­چه دمای قالب به­کار رفته برای تولید نمونه­ها کاهش یابد. در کمترین دمای قالب، کاهش مدول تقریبا 75 درصد است. این روند برای ویژگی­های عملکردی طولانی­مدت مانند مقاومت در برابر خزش و خستگی (fatigue)، حتی در دماهای کمتر از دمای گذار شیشه­ای، وجود دارد.

متاسفانه برخی از تامین­کنندگان مواد نیمه­بلوری با کارایی زیاد به قالب­سازان می­گویند که بلورینگی کامل تنها زمانی مهم است که قطعه برای کاربرد در دمای بیش از گذار شیشه­ای درخواست شود. این جمله اصلا درست نیست، این مسئله در مقاله بعدی بحث خواهد شد.

دیگر اختلاف قابل توجه بین نمونه قالب­گیری شده در بیشترین دمای قالب و سه نمونه دیگر می­تواند در نتیجه­ ی گذار شیشه­ای، مشاهده شود. قطعه قالب­گیری شده در بیشترین دمای قالب به آهستگی وارد منطقه ترازه (plateau) در حال کاهش، بین انتهای گذار شیشه­ای و شروع نقطه ذوب در حدود دمای 300 درجه سانتی­گراد، می­شود. این رفتار برای بسپاری که به درستی بلورینه شده رایج است. سه نمونه دیگر، نشانه دیگری از بلورینگی ناقص نشان می­دهند. به محض این­که گذار شیشه­ای کامل شود، مدول شروع به افزایش می­کند، اگرچه دما در حال افزایش است. این به دلیل تشکیل بلورهایی است که در طی فرایند قالب­گیری شکل می­گیرند. اما از آن­جایی­که دمای قالب برای رسیدن به بلورینگی کامل بسیار کم است، کسری آن باید در حالت جامد ساخته شود، هنگامی­که تحرک مورد نیاز برای تشکیل بلورها دوباره ایجاد می­شود. هم­چنین این افزایش (upturn) مدول با تغییرات ابعادی که قبلا بحث شده مربوط است که همیشه با بلورینگی همراه می­باشد.

تصادفی نیست که خط تقسیم بین نمونه­ای که به درستی بلورینه شده و آن­هایی که کم بلورینه شدند، دمای گذار شیشه­ای بسپار قالب­گیری شده است. در دمای بیش از T_g، تحرک مولکولی مورد نیاز برای تشکیل بلورها فراهم می­شود. شکل 2 نسبت بین دمای قالب و آهنگ بلورینگی را برای مواد مختلف نشان می­دهد.

[EasyDNNnewsLink|434]

[EasyDNNnewsLink|435]

[EasyDNNnewsLink|436]

(ادامه دارد …)

متن کامل این مقاله را در شماره 190ام 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.