انواع مواد پلیمری مهندسی (1)

مقدمه

رقابت ایجاد شده به دلیل ایجاد رقیب های ارزان قیمت آسیایی و افزایش قیمت مواد اولیه که عمدتاً به دلیل افزایش قیمت نفت، گاز و الکتریسیته، اتفاق افتاد، موجب شد تا تولید کننده های اروپایی تحت فشار اقتصادی قرار گیرند. در نتیجه، وقتی یک فروشنده، یک محصول جدید را ارائه می دهد که ادعا دارد، الزامات موجود را در یک هزینه ی مناسب، ارضا می کند، سپس خریدار قطعاً توجه قابل توجهی اختصاص می دهد. بسیاری از یک چنین محصولاتی، مقادیر کارایی ادعا شده را ارضا نخواهد کرد اما برخی دیگر، این مورد را ارضا خواهد کرد. در سایر موارد، کارایی بهبود یافته ممکن است در قیمتی غیر قابل قبول، ایجاد شود. برای مثال، میزانی تا 50 % الیاف شیشه ممکن است در ابزارهای با سایش بالا، استفاده شوند.
نقش پرکننده های معدنی در ترکیبات پلاستیکی تغییر می کند. در گذشته، این پرکننده ها برای کاهش هزینه ی پلیمر و در واقع برای جایگزینی با بخشی از پلیمر، مصرف می شدند. امروزه، این پرکننده ها نقش مهم تری ایفا می کنند زیرا استفاده از آنها می تواند ویژگی های فرایندی و یا خواص محصول نهایی را اصلاح کند. سایر استفاده ها، نیز عبارتند از قابلیت کاهش میزان افزودنی های گران قیمت تر، پیگمنت های مناسب، مواد ضد شعله و اصلاح کننده های ضربه می باشد. نانومواد نیز به عنوان پرکننده های بالقوه ای به همراه سایر گزینه های سنتی مانند آلومینا تری هیدرات، باریم سولفات، کلسیم کربنات، کائولن و تالک، استفاده می شوند.
با توجه به یکی از شرکت های تحقیقاتی در زمینه ی نانو (شرکت نانومارکت)، رشد تقاضای مربوط به پلاستیک های مورد استفاده در کاربردهای الکترونیک، از پلیمرهای رسانا و بخش های زیرلایه ای انعطاف پذیر، نشئت گرفته است. این مسئله موجب شده است تا تقاضای جهانی این مواد در سال 2009، به 5.8 میلیارد دلار آمریکا، رسیده است.
اجرای دستورالعمل RoHS مربوط به اتحادیه ی اروپا به همراه سایر مقررات مربوطه، استفاده از لحیم های بر پایه ی سرب را ممنوع دانسته است. همچنین استفاده از یک نسل جدید از لحیم ها و خمیرهای لحیم بدون سرب، را پیشنهاد داده است. این تغییر به صورت قابل توجهی بر روی انتخاب پلیمرهای مورد استفاده در کاربردهای خاص را تغییر داده است و چالش هایی در زمینه ی فرمولاسیون این پلیمرها، ایجاد کرده است.
لحیم های عاری از سرب، که بوسیله ی انستیتوی Texas تولید شده است، یک فرمولاسیون بر پایه ی نیکل، پالادیم، طلاست که ادعا می شود با فرایندهای لحیم کاری کنونی، همخوانی دارد. این ادعا شده است که این نوع از لحیم ها، مشکلات مربوط به ویسکرهای مصنوعی را ندارد. یک چنین مشکلاتی در زمان استفاده از قلع مات، مشاهده می شود. یکی از سخنگویان انستیتوی تگزاس می گوید: استفاده از قلع خالص، موجب می شود تا دمای مورد نیاز برای لحیم کاری افزایش یابد. او ادعا کرده است که انستیتوی تگزاس بیش از 30 میلیون واحد از این نوع لحیم جدیدی خود را تاکنون فروخته است.
گروه کوکسن انگلیس نیز انواع مختلفی از لحیم های بدون سرب را ثبت اختراع کرده است. این شرکت این لحیم ها را به صورت جهانی عرضه کرده است و آنها را به طور گسترده به فروش رسانده اند و حتی حق امتیاز فروش آنها را واگذار کرده اند. این آلیاژها، عمدتاً حاوی قلع، نقره، مس و سایر عناصر می باشند.
یکی از نتایج مربوط به دمای لحیم کاری بالاتر، این است که توجه بیشتری باید به میزان حساسیت به رطوبت، شود. این مسئله، به طور خاص، در سطح اجزای مانت شده ای مشاهده می شود که در داخل پلاستیک، قرار داده می شوند. در واقع در این حالت، احتمال جذب رطوبت از اطراف، وجود دارد.
در نتیجه، جریان های لحیم کاری مورد استفاده در PCB ها ممکن است موجب ایجاد واکنش های پیچیده ای شود که به عنوان "اثر ذرت بو داده" معروف است. در واقع این مسئله به دلیل انبساط سریع رطوبت در داخل بسته ایجاد می شود و موجب تخریب های فیزیکی می شود. این مسئله، با استفاده از خرید سیستم های تحت خلإ حل و فصل می شود. استفاده از این اجزا، بر طبق دستورالعمل تولیدکننده، انجام می شود.
در هر رویداد، این مهم است که ماده ی کپسوله کننده ی مناسبی انتخاب کرد تا بدین صورت، از ورود آلودگی، رطوبت و ایجاد شوک های نامطلوب، جلوگیری شود. سیانواکریلات و اپوکسی ها به طور متداول برای کپسوله سازی، استفاده می شوند.
انتخاب نوع پلیمر برای اجزا، بر طبق نیاز تولیدکننده، قیمت، کیفیت و میزان تولید، انجام می شود. معیارهای مورد نیاز برای انتخاب فرایند، به صورت زیر می باشد:
1. ضخامت دیواره عمدتاً کمتر از یک میلی متر است بنابراین، پلیمر باید دارای خواص سیالیت خوب در حالت مذاب باشد و بدون افت سایر خواص، خاصیت سیالیت آن نیز مطلوب باشد.
2. طراحی هایی که در داخل آنها، ضخامت کمتر از یک میلی متر است، نیازمند این است که پلیمر مورد استفاده، خواص مکانیکی مطلوبی داشته باشد و بدین صورت، هدف طراحی را برآورده کند. بر طبق پارامترهای نرمال سایش و گسستن، محصولات تولیدی از مواد پلاستیکی، باید بتوانند عمر مفید 5 تا 10 ساله ای داشته باشند.
3. پایداری ابعادی نیز مهم است بنابراین شرینکیج و اعوجاج این محصولات باید مینیمم باشد زیرا تلورانس های مورد قبول برای این محصولات، کمتر از 5 میکرون می باشد. این ویژگی به طور خاص در زمانی مهم است که PCB ها تولید می شوند.
4. مقاومت در برابر شعله با استفاده از عوامل عاری از هالوژن ممکن می باشد.
5. نیاز به لحیم کاری اجزا موجب می شود تا مواد مورد استفاده دارای پایداری حرارتی بالایی باشند. زیرا حرارت حمام لحیم کاری در حدود 270 درجه ی سانتیگراد، دما دارد و فرایند لحیم کاری جریان مجدد موجب می شود تا دماهایی بالاتر از این دما نیز به قطعه ها، اعمال شود.
6. مواد باید در برابر عوامل شیمیایی که ممکن است بر روی آن ها ریخته شود، مقاوم باشند. این مواد عمدتا شامل روغن های هیدرولیک، عوامل تمیز کننده و روان سازها می باشند.
7. در مورد نیاز به لحیم کاری ناحیه ای اجزا، بخش های کشویی نباید گردوخاک بگیرند و بتوانند ویژگی های کیفی و تریبولوژیکی خود را حفظ کنند. این کیفیت ها، می تواند با انتخاب مواد تغییر کند. برای مثال، افزودن اصلاح کنند ها مانند پودر PTFE، روغن سیلیکون و یا مولیبدن دی سولفید . استفاده از PTFE به عنوان روان ساز در برخی نواحی ممنوع می باشد که علت آن، ممنوعیت استفاده از این ماده بر اساس استاندارد محیط زیستی "فرشته ی آبی" می باشد. این استاندارد آلمانی، ادعا می کند که اولین و قدیمی ترین برچسب محیط زیستی در جهان برای تولیدات و خدمات می باشد. امروزه، 3700 محصول و خدمت مختلف با بیش از 80 گروه بندی، مانند گوشی تلفن همراه، دارای نشان برچسب آبی هستند.
8. هندسه ی پیچیده ی محصولات به سادگی با توجه به خاصیت ترموپلاستیک پلیمرها، ایجاد می شود.
9. کارایی الکتریکی پلیمرها، همچنین در برخی کاربردها مهم می باشند. در واقع در این کاربردها، کارایی مقاومت و ردیابی، ممکن است مد نظر باشد.
10. رطوبت نیز ممکن است در برخی موارد، مشکل آفرین باشد. در واقع علت این مسئله، این است که برخی از پلیمرها، در حضور آب، تمایل به تخریب دارند و ترد می شوند.
3.2. پلیمرها برای تولید اجزا
این باید در نظر گرفته شود که تمام پلاستیک ها دچار پیرشدگی گرمایی می شوند. این فرایند بوسیله ی برخود حرارت به این پلیمرها و در طی زمان رخ می دهد. این فرایند بر روی تنش های شعاعی و داخلی اثر گذاشته و بسیار خطرناک می باشد. این ممکن است که نمونه ها را مورد آزمایش قرار دهیم و داده هایی در مورد میزان مقاومت آنها در برابر عوامل مختلف را تعیین کنیم. بدین صورت، انتخاب یک پلیمر مناسب برای یک کاربرد ممکن می شود. در مورد استحکام الکتریکی، استاندارد راهنما یک اندیس گرمایی نسبی (RTI) به ماده می دهد. مقدار این اندیس TI یا استحکام مکانیکی در استاندارد IEC 60 216-1 مورد بررسی قرار گرفته است. مقدار دمای TI برای این ماده نیز نباید از مجموع دماهای محیط و افزایش دما در زمان استفاده از نمونه، بالاتر رود.
اکرینونیتریل- بوتادین- استایرن (ABS)
این ادعا وجود دارد که ABS یک رزین مهندسی است که در زمانی مورد استفاده قرار می گیرد که حجم فروش بالا باشد. عمدتاً این رزین در صنعت اتومبیل مورد استفاده قرار می گیرد. دومین بخشی که از این ماده به صورت عمده استفاده می کند، صنعت الکترونیک است. در این صنعت، از این ماده برای تولید بخش های مختلف از جمله قطعات پیچیده، استفاده می شود. ABS پایداری ابعادی بسیار خوبی در دمای پایین و بالا دارد و می تواند به صورت پوشش بر روی سطوح فلزی، مورد استفاده قرار گیرد. مثلا می توان از این ماده در پوشش کاری نیکل، استفاده کرد. طبقه بندی قابلیت آتش گیری این ماده طبق UL 94، بین HB تا V0 است. بسیاری از تولیدکننده ها، با توجه به مصرف نهایی این پلیمر، گریدهای مختلفی از آن را سفارش می دهند.
کوپلیمرهای استالی (پلی اکسی متیلن (POM))
کوپلیمرهای استالی (POM) به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند و دارای نقطه ی ذوب 163 درجه ی سانتیگراد می باشند. این در حالی است که این هموپلیمرهای استالی دارای نقطه ی ذوب بالاتری (175 درجه ی سانتیگراد) می باشند و استحکام مکانیکی آنها نیز بالاتر است. به هر حال، POM یک ماده با استحکام مناسب می باشد و از این رو، در تولید قالب های سیم و بست های پلاستیکی، از آنها استفاده می شود. در واقع این پلیمر، در جاهایی استفاده می شود که مقاومت به حملات اکسیداسیون مد نظر باشد. POM دارای مقاومت به سایش و خواص الکتریکی مناسبی است و یک ماده ی مقاوم در برابر خزش می باشد.
پلی آرامید IXEF
این خانواده از محصولات پلیمری که اجزای آن نایلون می باشند، یک پلیمر ترموپلاست می باشند که ادعا می شود، برخی از خواص آن، مشابه خواص مواد فلزی است. یکی از استفاده ها از این نوع پلیمرها، در تولید گوشی های تلفن همراه می باشد.
این پلیمر همچنین در جاهایی استفاده می شود که سفتی اضافی و دقت مد نظر است. مثلا از آن در تولید اتصالات، سوئیچ ها، بدنه ها، قاب نهایی موتور و قطعات مخابراتی استفاده می شود.

پلیمرهای کریسال مایع (LCP)

ساختار مولکولی پلیمرهای کریستال مایع، یکی از ویژگی های اساسی آنها محسوب می شود. این ساختار از ماکرومولکول های صلب و میله ای شکلی تشکیل شده است که در حالت مذاب، در جهت خاصی جهت گیری می کنند و ساختاری مایع ایجاد می کنند. اگر چه این پلیمرها، نسبت به سایر انواع پلیمرهای رقیب، گران تر هستند، این پلیمرها، دارای ویژگی های سیلان بهتری هستند و از این رو، از آنها در دیواره های نازک اتصالات مدرن استفاده می شود.
با افزایش پیوسته ی دمای کاری تا 240 درجه ی سانتیگراد، LCP ها نیز کارایی گرمایی بهبود یافته ای دارند که این مسئله برای تولید PCB ها، ضروری است. در واقع این قطعات باید در هنگام لحیم کاری، دوام مناسبی داشته باشند. LCP بدون ترک خوردن می توانند نیروهای فشاری معینی را تحمل کنند. تافنس نیز یکی از ویژگی های این پلیمر می باشد که از خروج قطعات تولیدی از این ماده از چارچوب خود، جلوگیری می کند.
Solvay Advanced Polymers می گوید: LCP ها می توانند با الیاف شیشه، الیاف معدنی و یا ترکیبی از این الیاف، تقویت شوند و بدین صورت، کامپوزیتی تولید می شود که دارای بالاترین دمای خمش گرمایی (HDT) می باشد. این کامپوزیت همچنین نسبت به عوامل شیمیایی نیز مقاوم است.
سایر ویژگی های LCP ها، دیسکوزیته ی مذاب پایین، قابلیت قالب گیری تزریقی بدون آسیب دیدن نمونه، استحکام کششی بالا، مدول پلاستیک بسیار بالا در جهت کشش و استحکام ضربه ی بالا و عدم شعله وری ذاتی می باشد. برای بیشتر کاربردهای الکترونیکی، شرکت American Quantum Leap Packaging صفحات کریستال مایعی را توسعه داده است که قادر به مقاومت در برابر دماهایی تا 400 درجه ی سانتیگراد، می باشند. علاوه بر این، با استفاده از انواع مختلف پرکننده ها و مواد تقویت کننده، می توان مقاومت این محصولات را افزایش داد.
LCP یک کوپلی استر اروماتیک یا کوپلی استرآمید است که به عنوان یک پلیمر کاربردی در برخی از وسایل الکترونیک، مورد استفاده قرار می گیرد. این کوپلیمر، حالت ترموست نیز دارد.

پلی آمید (نایلون PA)

تقاضای جهانی برای پلی آمید سالنه در حدود 6 میلیون تن، افزایش می یابد. این مواد در تولید اجزای الکترونیکی استفاده می شوند زیرا خواص شیمیایی، الکتریکی، مکانیکی، انعطاف پذیری و مقاومت آنها در برابر شکسته شدن، بسیار خوب است. این مواد به صورت ذاتی، در برابر آتش مقاوم هستند بدون آنکه از عوامل ضد آتش در آن استفاده شود. این پلیمرها، دمای 200 درجه را نیز تحمل می کنند که علت آن، وجود عوامل پایدارکننده ی حرارتی می باشد. یک تعداد از انواع مختلف این ماده مانند PA4.6، PA 6.6 و PA 6.10 موجود می باشد و تفاوت آنها نیز بیشتر در نقطه ی ذوب آنها می باشد. نقطه ی ذوب این محصولات، از 215 تا 295 درجه ی سانتیگراد می باشد. پلی آمیدهاف رطوبت اطراف را جذب کرده و میزان این رطوبت می تواند تا 2.8 % نیز برسد. به هر حال، این رطوبت به صورت گروه های آب پیوندی در داخل ساختار مولکولی این پلیمر، وجود دارد و موجب افزایش انعطاف پذیری و مقاومت در برابر شکستن این پلیمر می شود. این مورد حتی در 40 درجه زیر صفر نیز مشاهده می شود. به هر حال، پلی آمیدهای تقویت شده با الیاف شیشه، که دارای صلبیت بیشتری هستند و سختی بیشتری نیز دارند، رطوبت کمتری جذب می کنند. PA تقویت شده با الیاف، دارای طبقه بندی UL بین V2 تا V0 هستند.
در کاربردهایی که نیاز به عایق کاری الکتریکی و گرمایی وجود دارد، از پرکننده های سرامیکی در این پلیمر، استفاده می شود. این نوع از پلیمر برای تولید اجزای الکترونیکی مورد استفاده در سینگ های حرارتی آلومینیومی مورد استفاده قرار می گیرد.
پایداری ابعادی پلی آمیدها، ممکن است برای تولید قطعات به هم پیوسته، مناسب نباشند.
نایلون PA 46 خاصی حاوی اسید آدیپیک و 1و 4 دی امینو بوتان، می باشد. این مواد موجب می شوند تا مقاومت این پلیمر در برابر دما افزایش یابد و از این رو، این ماده برای تولید اتصالات حافظه، مقاومت های ورودی و خروجی I/O ، اتصالات برد به برد و اتصالات سیم به سیم، جک های مدولار و میکروسوئیچ ها، مناسب شود. در این قطعات، در موقع لحیم کاری، دما می تواند تا 280 درجه نیز برسد و از این رو، این ماده باید مقاومت خوبی در برابر حرارت داشته باشد. این ماده دارای خواص جریانی استثنایی است و استحکام جوشکاری آن نیز بالاست به حدی که این خاصیت حتی از پلیمرهای LCP نیز بهتر است. سایر ویژگی های این پلیمر، تافنس بسیار بالا، سفتی بالا به همراه خزش کم می باشد. این پلیمر، دارای اولویت فنی نسبت به سایر پلیمر مهندسی مانند PA 6، PA 6.6، پلی استر، پلی فتالامید (PPA) پلی آمیدهای شبه آروماتیک و PPS می باشد. این نایلون، نایلون PA 46 Stanyl نامیده می شود. تولیدکنندگان این پلیمر، همچنین ادعا کرده اند که سیکل زمان این پلیمر، سریع تر است و میزان سیالیت و مباحث اقتصادی این پلیمر نیز بهبود یافته است. این جالب است که Stanyl اولین پلیمر ترموپلاستی است که در ساخت اجزای موتور مورد استفاده قرار گرفته است و از آن در ساخت موتور Trent 900 استفاده شده است. این موتور در ایرباس A380 مورد استفاده قرار گرفته است.

پلی بوتیل ترفتالات (PBT)

اغلب این ماده یک جایگزین برای فلزات و ترموپلاست هاست. میزان مصرف PBT هر روزه افزایش می یابد (هم برای مواد تقویت نشده و هم برای مواد تقویت شده با الیاف). علت استفاده از این پلیمر، پایداری ابعادی خوب، سطح نهایی مطلوب، رسانایی الکتریکی و خواص مکانیکی مطلوب و عدم وجود عوامل شکل دهی مانند دیوکسین در آن، می باشد. برخی از گریدهای PBT دارای کارایی جریان بهتری هستند که موجب می شود این مواد را بتوان به صورت قطعات کوچک، شکل دهی کرد. پرکننده های مورد استفاده در PBT، عبارتند از الیاف کربنی یا فولاد ضد زنگ، الیاف شیشه و میکا می باشد.

پلی اتر اتر کتون (PEEK)

PEEK یک پلیمر شبه کریستالی است که در هیچ ماده ی حلالی، حل نمی شود. این ماده می تواند تا دمایی در حدود 300 درجه ی سانتیگراد، مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از این ماده به طور خاص، در زمانی مزیت دارد که از لحیم های عاری از سرب، استفاده می شود. این پلیمر دارای پایداری شیمیایی و مکانیکی استثنایی است. Victrex توانست با استفاده از این پلیمر، در بازار پلیمر آسیا، موفق شود.

پلی اتر ایمید (PEI)

PEI یک رزین ترموپلاستیک آمورف است که دارای قابلیت قالب گیری و مقاومت شیمیایی بالایی است. این ماده بوسیله ی GE Advanced Materials به بازار ارائه شد و نام تجاری آن، ULTEM است. این ماده یکی از پلیمرهای مقاوم در برابر شعله است که برای تولید PCB های تولید شده به روش قالب گیری تزریقی و اجزای ریخته گری شده، استفاده می شود.
یکی از انواع جدیدتر این ماده که ULTEM XHT نامیده می شود، به منظور قالب گیری در حرارت بالا، تولید شده است. ویژگی های آن عبارتند از مقاومت بالا در برابر حرارت، مقاومت شیمیایی بالا، مقاومت در برابر شعله، شفافیت و پایداری. این ماده را می توان با استفاده از وسایل موجود، قالب گیری کرد و می توان آن را جایگزین موادی همچون شیشه، فلز و سایر مواد مقاوم در برابر حرارت کرد.

پلی اتیلن نفتالات (PEN)

فیلم های PEN که با نام تجاری Teonex و بوسیله ی Teijin به بازار روانه شده است، به صورت گسترده در تولید نوارای ذخیره سازی با دانسیته بالا و سایر کاربردهای صنعت اتومبیل، استفاده می شود. Teijin همچنین یک نانوکامپوزیت بر پایه ی PEN توسعه داده است و اخیراً نیز یک فیلم نازک جدید بر پایه ی نانوتکنولوژی و این ماده توسعه داده است که کاربردهای خاصصی در پوشش های ضد بازتابش برای صفحات نمایش دارد.

پلی پارافنیلن ترفتالامید

این ماده بوسیله ی شرکت Teijin وارد بازار شده است. این ماده، دارای ساختار پارا آرامیدی است و صلبیت و مدول ساختار ان بالاست. سایر خواص جالب توجه این پلیمر، عبارتست از مقاومت حرارتی بالا (مشابه آرامیدها) و پایداری مشابه مواد سرامیکی. در نتیجه، این خواص، موجب تسهیل تولید مدارهای مجتمع نازک تر و سبک وزن تر می شود. امروز، این ماده به عنوان یکی از گزینه های اولویت دار، محسوب می شود. کاربرد این ماده همچنین در تولید اجزای لایه ای و لایه های عایق کاری و مواد تقویت کننده، می باشد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد. منبع مقاله :
Polymer in electronic/ Keith Cousins