فرایندکاری مهم ترین شغل است (بخش دوم)

گرمانرم ­ها به دو طبقه کلی تقسیم می­شوند: اَریخت (اریخت یعنی ریخت مشخصی ندارد معادل مفهومی آن بی ریخت است که زیبا نیست، بی شکل نیز که بعضا به کار می برند برای این مفهوم درست نیست، چون شکل قطعه متفاوت از ریخت­شناسی آن است، ا یک پیشوند منفی ساز قدیمی فارسی است) و نیمه­ بلوری. اصطلاح نیمه ­بلوری استفاده می­شود، زیرا هیچ بسپاری 100 درصد بلورینه نمی­شود. این ممکن است در مواد با جرم مولکولی کم رخ دهد، اما در بسپارها، طول بلند زنجیرها و راه ­های بی­شمار

ی که آن­ها می­توانند آرایش یابند، مانع از رسیدن به درجه بلورینگی کامل می­شود. از میان بسپارهای تجاری رایج، پلی ­اتیلن پرچگالی (HDPE) بیشترین درجه بلورینگی را به­ دست می­ آورد که برای نوع با بیشترین چگالی، تقریبا بیش از 85 درصد است. برای بسیاری از بسپارهای نیمه­ بلوری، درجه بلورینگی کمتر از 50 درصد است.

در تمام انواع مواد قابل بلورینه شدن، حداکثر درجه بلورینگی وجود دارد که می­تواند به ­دست آید. شکل و اندازه بلورها به عوامل متعددی بستگی دارد که فراتر از محدوده این مقالات است و بررسی علمی در مورد فرایند بلورینگی بسیار جالب اما بسیار پیچیده است. تمرکز این گزارش، بررسی نقش شرایط فرایندی بر اختلاف بین حداکثر درجه بلورینگی که می­تواند در یک بسپار ایجاد شود و درجه ­ای که در یک قطعه قالب­گیری شده وجود دارد، است. این اختلاف، نقش بسیار مهمی در تعیین مشخصات عملکردی دارد.

بلورینگی، فرایندی است که به زمان و دما بستگی دارد. با این حال، عوامل دیگری نیز نقش دارند که در مقایسه با اثرات زمان و دما، تاثیر آن­ها بر ساختار نهایی قطعه نسبتا کم است. این عوامل بعدا بحث می­شوند. برای تشکیل بلورها، دمای بسپار باید کمتر از دمای ذوب آن باشد. دمای کمتر، تحرک هر زنجیر را کاهش می­دهد و اجازه می­دهد تا فرایند بلورینگی آغاز شود. این فرایند تا زمانی ادامه می­یابد که دمای مواد کمتر از دمای گذار شیشه­ای (T_g) باشد. T_g دمایی است که در آن مواد بلورینه نشده و به نام شیشه­ای اَریخت (amorphous glass) شناخته شده و زنجیرها به سطح تحرک بسیار کمی رسیده­ اند. هنگامی­که بسپار در دمای بیش از T_g خود است، تحرک در نواحی اَریخت اجازه می­دهد زنجیرهای بسپار به بلورهای در حال رشد اضافه شوند. بنابراین محدوده فرصت برای تشکیل بلورها کمتر از دمای ذوب و بیشتر از دمای T_g بسپار است.

در این محدوده دمایی، آهنگ تشکیل و رشد بلور تغییر خواهد کرد. اغلب مردم قاعده کلی سرانگشتی را می­گویند که بلورها بین دمای ذوب و دمای گذار شیشه­ای با بیشترین آهنگ رشد می­کنند. اما برای هر بسپاری، رابطه تعریف­شده­ای بین دمای بسپار و آهنگ تشکیل بلور­ها وجود دارد.

به طور کلی، بلورینگی در آهنگ به نسبت کم در دماهای نزدیک به دمای ذوب رخ می­دهد. این آهنگ با کاهش دما افزایش می­یابد تا به حداکثر آهنگ رشد بلور برسد. بعد از این نقطه، آهنگ بلورینگی کم می­شود و هنگامی که دما به کمتر از T_g کاهش یابد، فرایند به طور کامل متوقف می­شود. یک الگوی کلی برای این رفتار در شکل 1 آورده شده است. این نمودار مربوط به کائوچوی طبیعی است و برای قالب­گیری تزریقی پلاستیک مفید نیست. اما الگوی کلی که نمایش داده شده، برای همه بسپارها رایج است.

[EasyDNNGallery|24998|Width|800|Height|800|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 1: نسبت کلی دما و آهنگ بلورینگی

در این نمودار چند مورد بسیار مهم وجود دارد. اول این­که، در بسپار نیمه بلوری، زمان چرخه به­طور قابل توجهی از طریق آهنگی که در آن ماده به مدول معینی می­رسد، کنترل می­شود. این مدول به نوبه خود به تعداد و اندازه بلور­هایی است که شکل می­گیرند، بستگی دارد. هرچه بلورها سریع­تر شکل گیرند، قطعه می­تواند سریع­تر از قالب خارج شود. کاهش دمای قالب، رایج­ترین روشی است که فرایندکاران برای کاهش زمان چرخه استفاده می­کنند که می­تواند تاثیر منفی نیز داشته باشد. مهم­تر از همه، کاهش دمای قالب باعث کاهش درجه بلورینگی در قطعه قالب­گیری شده می­شود. این جایی است که مسئله عملکرد بحث می­شود.

به دلایل مختلف، بسپارهای نیمه بلوری به جای بسپارهای اَریخت انتخاب می­شوند. از جمله این دلایل، مقاومت شیمیایی، مقاومت در برابر ترک ناشی از تنش محیطی و مقاومت خستگی بهتر است. علاوه­بر این، درجه بلورینگی بیشتر با استحکام و سختی بیشتر مربوط است. اگر بسپار فرصتی برای بلورینه شدن نداشته باشد، این خواص به خطر می­افتد. مزایای دیگری برای افزایش بلورینگی وجود دارد. یکی از این مزایا، میزان حفظ مدول در در دمای بیش از گذار شیشه­ای است. یکی از مزایای کلیدی بسپارهای نیمه­بلوری این است که در دمای بیش از T_g خواص کاربردی دارند. در حالی­که بسپارهای اَریخت، بسیار نرم و غیرقابل استفاده می­شوند. هم­چنین مواد نیمه بلوری تحمل بار در بیش از دمای T_g، حتی بدون پرکننده، 10 تا 30 درصد از مدول خود را حفظ می­کنند. برای مثال، مدول پلی­استر PBT پرنشده در دمای اتاق 2340 مگاپاسکال است و در دمای 100 درجه سانتی­گراد هم­چنان 330 مگاپاسکال مدول دارد.

این حفظ خواص می­تواند با افزودن پرکننده­هایی مانند الیاف شیشه بهبود یابد. اما اگر مواد نتوانند به درجه بلورینگی مورد نظر خود برسند، حفظ مدول در دماهای زیاد کاهش می­یابد. این امر می­تواند پیامدهای مقاومت خزشی را داشته باشد.

یکی دیگر از مزایای بلورینگی بیشتر که اغلب نادیده گرفته می­شود مربوط به نایلون­ها است که با رطوبت برهم­کنش دارند. چنان­چه قطعات نایلونی رطوبت جذب کنند، استحکام و مدول خود را از دست می­دهند. هم­چنین تغییرات ابعادی نشان می­دهند. چنان­چه قطعات نایلونی رطوبت جذب کنند، متورم می­شوند. رطوبت تنها از طریق نواحی اَریخت قطعه جذب می­شود. بنابراین، هرچه بلورینگی ماده در قطعه بیشتر باشد، اثر رطوبت جذب شده بر تغییر ابعاد کمتر است.

برگردان: دکتر فاطمه خودکار

(ادامه دارد …)

متن کامل این مقاله را در شماره 188ام ماهنامه بسپار که در نیمه اردیبهشت ماه منتشر شده است بخوانید.