اهمیت دمای قالب هنگام فرآیندکاری پلی کربنات

سپار/ ایران پلیمر عاملی که اغلب در بهینه‌سازی ضربه ­پذیری (ductility) پلی­ کربنات (PC) نادیده گرفته می ­شود، آهنگی است که بسپار در قالب سرد می‌شود.

پلی ­کربنات برای بیش از 60 سال، ماده­ای تجاری بوده است. در زمان کشف آن، گسترش قابل‌توجهی در خصوصیاتی نشان داد که در مواد شفاف هم موجود بود. موادی مثل آکریلیک و پلی ­استایرن چندمنظوره که دهه‌هایی قبل از کشف PC نیز موجود بودند، تمایل به شکنندگی داشتند، و باید استحکام ضربه ­ای آنها بهبود می­یافت. مقاومت گرمایی آنها نیز به خوبی پلی­ کربنات نبود. بسپارهای شفاف‌تر با عملکرد عالی مانند خانواده سولفون­ها که پس از معرفی پلی­ کربنات تولید شدند، معمولا به زلالی آب نیستند و حساسیت بیشتری به شکاف دارند، اگرچه ذاتا ضربه ­پذیری خوبی را نشان می­دهند.

از آن­جایی کهPC  این ضعف­ها را جبران کرده است، باعث رشد مصرف آن در سطح جهانی شده است، به ­طوری که نزدیک به 10 میلیارد پوند می­رسد. این مقدار بیش از 1٪ از کل پلاستیکی است که در یک سال در سراسر جهان مصرف می‌شود. از این رو تقریبا 15٪ از قطعات واداده شده که مورد ارزیابی قرار می­گیرند از PC ساخته شده­ اند. و به­رغم شهرت PC به‌عنوان یک ماده ضدگلوله، بسیاری از نشانه ­های شکست آن زیر میکروسکوپ مشاهده می‌شود و شکننده است.

یکی از شناخته‌شده‌ترین ویژگی‌های عملکردی PC، مقاومت ضربه ­ی Izod است که به‌طور معمول ft-lb/in 18-12 (J/m 960-640) گزارش شده است. اکثر بسپارها کمتر از این مقدار دارند. اگر آن‌ها به این مقدار نزدیک شوند، معمولا این کار با اصلاح­ کننده ضربه انجام می‌شود و در نتیجه استحکام و سفتی را قربانی می‌کند.

یکی از شناخته‌شده‌ترین این عوامل، حساسیت به طیف وسیعی از مواد شیمیایی است. این حساسیت، حمله شیمیایی یا ترک‌ خوردگی ناشی از تنش محیطی (ESC) را افزایش می‌دهند. در نمایشگاهNPE  سال 1979 یکی از تولیدکنندگان عمده PC در آن زمان، فضای زیادی از غرفه را برای نشان دادن مقاومت ضربه ­ای سپر جلوی خودرو اختصاص داد. سپر چندین بار در روز چقرمگی نشان می­داد. این کاربرد هرگز در دنیای واقعی اتفاق نیفتاد، عمدتا به دلیل سیالات مختلفی که قطعه خودرو در محیط مصرف نهایی با آن­ها روبه­رو است. مواد نهایی منتخب در آن زمان، آلیاژ PC و پلی‌استر با پلی‌استر نیمه بلوری که مقاومت شیمیایی موردنیاز را فراهم می‌کرد، بود.

افزودن رنگ­بخش (colorant) می‌تواند تاثیر قابل‌توجهی بر چقرمگی بسپار پایه داشته باشد. میزان تغییر در مقاومت ضربه، بستگی به رنگ­بخش، شیمی انتخاب‌شده برای ایجاد آن و مقدار رنگ­بخش اضافه شده دارد. اثرات بر ضربه­ پذیری در نمونه‌هایی که دارای شکاف (notched) هستند نسبت به آن­هایی که محل تمرکز تنش ندارند، قابل‌توجه ­تر است. وزن مولکولی PC رنگ‌آمیزی شده نیز بر چگونگی تاثیر رنگ­بخش بر عملکرد ضربه تاثیر می‌گذارد. گونه ­ها با وزن مولکولی بیشتر، خواص ضربه خود را بهتر از گونه­ های با وزن مولکولی کمتر، به‌ویژه در مورد رنگ­ بخش­های پشت ­پوش (opaque)، حفظ می‌کنند.

بسیاری از صنعت­گران نیز از این واقعیت آگاه هستند که PC به اثرات رطوبت در دماهای زیاد، حساس است. این امر می‌تواند مشکلاتی را برای قطعات قالب­گیری شده که در معرض رطوبت و گرمای زیاد قرار دارند، مانند آزمایش 85/85 که شامل 1000 ساعت قرار گرفتن در دمای 85 درجه سانتی­گراد و رطوبت نسبی 85 درصد است، ایجاد کند. با این­که نه این دما و نه این مقدار رطوبت به‌تنهایی هیچ گونه چالشی برای عملکرد پلی­کربنات ایجاد نمی­کند، ترکیب این دو باعث کاهش قابل‌توجهی در وزن مولکولی بسپار خواهد شد.

یکی از قابل‌توجه‌ترین وادادگی­ های عمده PC در صنعت کوچک لوازم‌خانگی، زمانی است که قطعات قالب­گیری شده به‌طور مرتب آب گرم جابه ­جا می­کنند. اثرات کوتاه‌مدت این محیط کاربردی ناچیز است. اما در طول زمان با قرار گرفتن مکرر، مواد شروع به شکنندگی و ترك می­کنند. اگر بسپار بدون خشک کردن اولیه، فرایند شود، سازوکاری مشابه آب­کافت (هیدرولیز) در آن بسیار سریع اتفاق می­افتد. آن­چه که بیش از صد ساعت طول می­کشد تا در حالت جامد اتفاق بیافتد، زمانی که رطوبت بیش از حد در گرانول برای چند دقیقه در معرض دمای فرایند 280 تا 320 درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرد، بسیار سریع‌تر رخ می­دهد. تخریب بسپار باعث کاهش ضربه­ پذیری بسپار می‌شود.

اما یکی از عواملی که غالبا در بهینه‌سازی ضربه ­پذیری PC نادیده گرفته می­ شود، آهنگی است که بسپار در قالب سرد می‌شود. مثالی را درنظر بگیرید که در آن قطعات در دمای 43 تا 49 درجه سانتی­گراد قالب­گیری می­شوند تا زمان چرخه به حداقل برسد. چندین بار نشان داده شد که وقتی این قطعات در قالب‌هایی با دمای 82 تا 88 درجه سانتی‌گراد تولید می‌شوند، چقرمگی عالی نشان می­دهند. این کار بدون کاهش زمان چرخه قابل انجام است.

دمای کمتر قالب و آهنگ سرمایش سریع‌تر باعث افزایش مقدار تنش­های داخلی در قطعه قالب­گیری شده می‌شود. این به دلیل بزرگ شدن سریع‌تر لایه سرد شده به هنگام جریان ماده به درون قالب در قطعه ایجاد می‌شود و می‌تواند منجر به خطوط جریانی شود که قابل مشاهده­اند و نمایانگر جلوگیری از حرکت جریان هستند. هم­چنین درجه زیادی از جهت‌گیری حفظ‌شده در لایه‌هایی که سریع‌تر سرد شده در سطح بیرونی ایجاد می‌شود. جهت­ گیری برای بهبود روان­شوندگی برشی (shear thinning) و کاهش گرانروی ماده به هنگام جریان یافتن به درون حفره، مفید است. اما اگر جهت‌گیری بیش از حد در قطعه نهایی حفظ شود، خواص، ناهمسان شده و استحکام و سفتی در یک جهت حداکثر و در جهت دیگر حداقل می­شود.

برگردان: دکتر فاطمه خودکار

[email protected]

(ادامه دارد…)

متن کامل این مقاله را در شماره 207 ماهنامه بسپار که در نیمه دی ماه منتشر شده است، بخوانید. 

در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های 02177523553 و 02177533158 داخلی 3 سرکار خانم ارشاد تماس بگیرید. نسخه الکترونیک این شماره از طریق فیدیبو قابل دسترسی است.