ذوب پلاستیک های آمورف در مقابل نیمه بلوری

بسپار/ ایران پلیمر درک اختلاف در نحوه ذوب شدن هر بسپار، برای دستیابی به یکنواختی ذوب بسیار مهم است. تمرکز این مقاله، دستیابی به مذاب یکنواخت در بسپارهای اَریخت و نیمه بلوری است.

 

صدها متغیر وجود دارد که در داشتن فرایند قالب­گیری تزریقی 24/7 (هفت روز هفته، روزی 24 ساعت) دخیل است و تصمیم­گیری برای تمرکز بر هر کدام دشوار است. بعضی از آن­ها مهم­تر از بقیه هستند، اما مهم نیست که کدام متغیر را در اولویت بگذارید. واقعیت این است که فرایند اجرا نخواهد شد، مگر این­که تمام متغیرهای بسپار و قطعه را کنترل کنید.

یکی از 10 متغیر برتر، یکنواختی مذاب است. منظور از یکنواختی، تنها دمای ذوب نیست، بلکه یکنواختی ذوب است. به این معنی که هیچ رد مذابی (swirl)، رگه­ای (streak) و یا دانه­ی ذوب نشده­ای وجود نداشته باشد. اگر شما نیاز به ابعاد ثابت و عملکرد 7/24 دارید، مذاب یکنواختی باید داشته باشید.

بسپارهای اَریخت و نیمه بلوری به­طور متفاوتی ذوب می­شوند و یک فرایندکار نیاز به درک چگونگی ذوب هر یک از این بسپارها دارد تا بتواند به مذاب یکنواختی دست یابد.

معمولا، تفاوت­ها مربوط به آرایش مختلف زنجیره ای بسپار در قطعه می­شود. در بسپارهای اَریخت، زنجیرها به صورت تصادفی هستند، یعنی هیچ نظم یا آرایش خاصی ندارند، درست شبیه رشته­ های درهم. بسپارهای نیمه بلوری دارای ساختار یا الگوی منظمی از آرایش زنجیرها هستند. پیشوند “نیمه” اشاره دارد که تمام زنجیرهای بسپار بلورینه نمی­شوند. نواحی بلوری و نواحی از زنجیرها با جهت­ گیری تصادفی (اَریخت) وجود دارد. رنگ­دانه­ها، افزودنی­ها و آهنگ سرمایش بر درجه بلورینگی تاثیر می­گذارند که اندازه قطعه و خواص آن را تغییر می­دهد.

صرف­نظر از این­که چه بسپاری در حال فراورش است، نیمه بلوری یا اَریخت، برای دستیابی به ابعاد و عملکرد ثابت، یکنواختی ذوب لازم است. درک چگونگی ذوب هر بسپار، کنترل بهتر فراورش را به فرایندکار اجازه می­دهد.

بسپار چه نیمه بلوری، چه اَریخت باشد، هر یک به منبع انرژی مشابهی برای ذوب شدن دسترسی دارند: سیلندر، ماردان و نوارهای گرمکن. اکثر انرژی (حدود 80 درصد) از اصطکاک دانه­ها در برابر دیواره سیلندر و فشرده­ سازی در ناحیه گذار ماردان ایجاد می­شود. مابقی از نوارهای گرمکن در اطراف سیلندر گرفته می­شود. سازوکار انتقال انرژی برای بسپارهای اَریخت و نیمه بلوری یکسان است. با این حال، این شباهت در جایی از ذوب این پلاستیک­ها به پایان می­رسد.

عامل مهمي كه آن­ها را متمایز می­کند، مقدار انرژي مورد نياز براي ذوب هر یک است. یک کیلوگرم بسپار نیمه بلوری، مانند نایلون 6، نیاز به انرژی بسیار بیشتر از یک کیلوگرم بسپار اَریخت، مانند ABS، دارد. در حقیقت، نایلون تقریبا دو برابر انرژی موردنیاز برای ذوب ABS نیاز دارد (حدود BTU/kg 716 در برابر 342)، اما دمای فراورش آن­ها مشابه است.

بنابراین اکنون می­دانیم برای ذوب نایلون در برابر ABS از لحاظ انرژی چه باید انجام دهیم. اما مسئله دیگری وجود دارد که شرایط فراورش را سخت­تر می­کند. بسپارهای نیمه بلوری تا زمانی­که به دمای ذوب خود نرسیده­اند، سخت باقی می­مانند. درست مثل ذوب شدن یخ است. سختی یخ، هنگامی­که از 10- درجه سانتی­گراد تا 0/5- درجه سانتی­گراد گرم می­شود، تغییر قابل ملاحظه­ ای نمی­کند. بسپارهای نیمه بلوری نیز تا زمانی­که به دمای ذوب خود نرسیده­اند، نرم نمی­شوند. آن­ها، سخت باقی می­مانند تا دو شرط برآورده شود: اول، انرژی کافی برای رسیدن به نقطه ذوب آن­ها حاصل شود. دوم، باید مقدار انرژی اضافی داشته باشند تا بتوانند بر گرمای ذوب غلبه کنند.

ماردان و سیلندر چگونه این وضعیت دشوار را کنترل می­کند؟ دانه­­های نیمه بلوری از قیف به درون گلویی خوراک جریان می­یابند و بین پره­های عمیق بخش خوراک ماردان قرار می­گیرند. بخش خوراک، دانه­ ها را به جلو هدایت می­کند، آن­ها را فشرده می­کند و هوا و بعضی از ترکیبات فرار را از قیف خارج می­کند. هم­چنین بخش خوراک می­تواند دانه­ ها را گرم کند، اما هیچ ذوبی نباید انجام دهد.

سپس مواد به ناحیه گذار یا ذوب می­رسند، جایی که قطر بدنه ماردان بیشتر می­شود تا فشرده ­سازی دانه ­ها در برابر دیواره سیلندر فراهم شود. این فشرده­سازی، همراه با اصطکاک دانه ­ها در برابر دیواره سیلندر، انرژی لازم را به دانه­ ها منتقل می­کند تا دمای آن­ها افزایش یابد. مشکل این است که تمام دانه­ ها به سطح مشترک دیواره سیلندر/ پره نمی­رسند، برخی از آن­ها انرژی لازم برای ذوب را دریافت می­کنند و برخی دیگر دریافت نمی­کنند. شکست بستر جامد رخ می­دهد که منجر به رسیدن برخی از دانه­های ذوب نشده به نواحی گذار و پیمایش می­شود. این دانه­ های ذوب نشده می­توانند وارد قطعه نهایی شوند و موجب رفتگی ماردان شوند.

برای درک موضوع، رنگ مایع در ماردان همه منظور مورد استفاده قرار گرفت. رنگ مایع اغلب از یک حامل روغنی استفاده می­کند که اصطکاک دانه در برابر سیلندر را کاهش می­دهد و در نتیجه انرژی منتقل شده برای ذوب کاهش می­یابد. آیا این واقعا چیزی است که می­خواهید رخ دهد؟ آیا با رنگ مایع، زمان چرخش ماردان تغییر می­کند؟ ماردان چندمنظوره با نسبت L/D 20:1 تنها 5 پره در ناحیه گذار دارد. این، مسئله مهمی است که اندازه­های تزریق (shot) بیش از 40 درصد ظرفیت تزریق است. اغلب توصیه می­شود که به جای آن از ماردان­های سدگر استفاده شود، اما آن­ها اغلب باعث تخریب و ایجاد لکه­ های سیاه می­شوند. شما بهتر است از ماردان طراحی شده برای ایجاد ذوب یکنواخت استفاده کنید.

بسپارهای اَریخت به­طور متفاوتی ذوب می­شوند. آن­ها به انرژی کمتری نیاز دارند و آسان­تر ذوب می­شوند. درست مانند کره یخ­زده ذوب می­شوند.

دانه اَریخت در دمای اتاق سخت است، اما همین که گرم شود، شروع به نرم شدن می­کند. با انرژی بیشتر، مواد اَریخت هم­چنان نرم می­شوند تا زمانی­که برای قالب­گیری مناسب باشند. آن­ها تا زمانی­که به نقطه ذوب خود برسند، سخت نخواهند ماند و نیازی به غلبه بر گرمای ذوب نیست. دانه ذوب نشده ممکن است مانند تافی (taffy) یا خمیر (marshmallow) باشد. اگر بین پره ماردان و دیواره سیلندر قرار گیرند، بدون آسیب شدید یا رفتگی ماردان یا سیلندر نرم می­شوند. ماردان چندمنظوره ممکن است فراورش قابل قبولی ارایه دهد، اما مجددا پیشنهاد نمی­شود.

برگردان: دکتر فاطمه خودکار

(ادامه دارد …)