مترجم: حبیب الله علیخانی
فرآوری پلیمرها به عنوان یک فعالیت مهندسی تعریف می شود که دغدغه ی آن، عملیات هایی است که بر روی مواد و سیستم های پلیمری انجام می شود و بدین صورت، میزان سودمندی آنها افزایش می یابد. در اصل، فرآوری پلیمرها شامل تبدیل مواد پلیمری خام به محصول نهایی است که در طی این فرآوری، نه تنها شکل، بلکه ترکیب و ساختار ماده نیز تغییر می کند و ساختار، به ساختاری با ارزش افزوده، تبدیل می شود. این مقاله به طور خلاصه در مورد منشأ فرآوری پلیمرها صحبت می کند و به خواننده چیزی را ارائه می دهد که به اعتقاد ما، موجب می شود چارچوبی مناسبی برای تجزیه و تحلیل در مورد روش های فرآوری و تولید محصولات پلیمری، بوسیله ی خواننده، ایجاد گردد. در آخر این مقاله، در مورد تفسیر آینده ی این صنعت صحبت خواهد شد.
نکات تاریخی
ماشین های صنعت پلاستیک و لاستیک (رابر)
روش ها و ماشین آلات مدرن فرآوری پلیمرها، در قرن 19 ام میلادی وارد صنعت فرآوری پلاستیک و رابرهای طبیعی شده است. اولین مثال های مستند در مورد ماشین فرآوری رابر، در واقع رابر مستیکاتور (rubber masticator) است که شامل یک روتور دندانه دار بوده است که بوسیله ی یک وسیله ی هندل شکل که در داخل محفظه ی سیلندر دندانه دار بود، می چرخید. Thomas Hancock در سال 1820 این دستگاه را توسعه داد و از آن برای بازیافت رابرهای طبیعی ضایعاتی، بهره برد. این فرد، این دستگاه را پیکل (pickle) نامید تا بدین صورت، رقبای خود را گیج کند. چند سال بعد و در سال 1836، Edwin Chaffee یک آسیاب دو غلطکی برای مخلوط کردن افزودنی با رابر توسعه داد و همچنین یک سیستم 4 غلطکی برای پوشش دهی پارچه یا چرم با رابر، توسعه داد. این اختراع ها، هنوز هم در صنعت پلاستیک و رابر، مورد استفاده قرار می گیرند. ظاهراً Henry Goodyear برادر Charles و Richard Brooman اولین اکسترودر سنبه ای را در سال 1845 در انگلیس توسعه دادند که اولین بار برای پوشش دهی سیم مورد استفاده قرار گرفت. یک چنین اکسترودر سنبه ای اولین بار برای تولید کابل های زیردریا مورد استفاده قرار گرفت (1960).
نیاز به اکسترود پیوسته مخصوصا در مورد پوشش دهی سیم و کابل، موجب شد تا مهم ترین توسعه در زمینه ی اکسترودرهای تک پیچه (SSE) بوجود آید. این نوع از اکسترودرها، به سرعت جایگزین اکسترودهای ناپیوسته ای سنبه ای شدند.
شواهد نشاندهنده ی این است که A. G. DeWolfe در ایالات متحده، احتمالا اولین اکسترودر تک پیچه را در دهه ی 1860 توسعه داده است. Phoenix Gummiwerke در سال 1873، اطلاعاتی در مورد این اکسترودرها، به چاپ رسانده است و علاوه بر این فرد، William Kiel و John Prior در ایالات متحده ی آمریکا نیز اطلاعاتی در مورد این اکسترودرها، منتشر کردند. با وجود این، تولد اکسترودرهایی که نقش قابل توجهی بر روی فرآوری پلیمرها داشتند، به ثبت اختراعی باز می گردد که در سال 1879 با نام Mathew Gray در انگلیس، منتشر گردید. این اکسترودر اولین ماشین تکامل یافته از این نوع می باشد. ماشین ساخته شده بوسیله ی Gray همچنین شامل یک جفت از نوردهای تغذیه کننده ی حرارتی می باشند. مستقل از کارهای Gray، فردی به نام Francis Shaw در انگلیس، یک اکسترودر پیچه ای در سال 1879 توسعه داد (مشابه کاری که John Royle در ایالات متحده ی آمریکا و در سال 1880 انجام داد).
John Wesley Hyatt در سال 1872، ماشین قالب گیری تزریقی ترموپلاست را اختراع کرد. این دستگاه از دستگاه ریخته گری قالبی مربوط به فلز، الهام گرفته شد. Hyatt یک متخصص چاپ از بوستون بود و همچنین فردی است که سلولوید (نیترات سلولز) را ابداع کرد. او یکی از چهره های پیشگام در این زمینه بوده است و در بسیاری از ابداع های دیگر در این زمینه، مشارکت داشته است مثلا در ابداع قالب گیری بادی. ابداع های او همچنین به استفاده ی سریع ا رزین های ترموست فنول – فرمالدهید (باکلیک) کمک کرده است. J. F. Chabot و R. A. Malloy تاریخچه ی کاملی در مورد توسعه ی قالب گیری تزریقی تا استفاده ی قابل توجه از ماشین های قالب گیری تزریقی دوگانه در دهه ی 1950، ارائه کرده اند.
اکسترودرهای با پیچه ی چندتایی نیز در همین زمان ها، توسعه یافت. Paul Pfleiderer اکسترودرهای غیر در هم تنیده ی و بدون چرخش دو پیچه ای (TSE) را در سال 1881 توسعه داد، در حالی که نوع در هم تنیده ی این اکسترودرهای با پیچه ی دو قلو، در سال 1916 بوسیله ی R. W Eastons توسعه یافت. نوع اولیه از این اکسترودرها ماشین های نوع ZSK نامیده شدند که بوسیله ی Rudolph Erdmenger در شرکت بایر ابداع شدند و با همکاری مشترک با شرکت Werner and Pfleiderer این تولید به عرصه ی جهانی انتقال یافت. این ماشین مشابه با بیشتر ماشین های در هم تنیده ی با چرخش چندگانه از نوع TSE، از یک رشد فزاینده ی استفاده، برخوردار بودند. این ماشین ها از این مزیت برخوردار بودند که پیچه ها، موجب تمیز شدن سطح همدیگر می شوند و بنابراین، قادر اند تا انواع مختلف مواد پلیمری را مورد فرآوری قرار دهند. علاوه بر این، این ماشین ها عموماً دارای محفظه و پیچه های قسمت بندی شده ای هستند و بدین صورت، ماشین قادر است تا بر طبق نیاز فرایند، تغییر وضعیت دهد. انواع مختلفی از اکسترودرها و میکسرهای با پیچه ی دوقلو وجود دارند. برخی از آنها در صنعت غذایی استفاده می شوند. Hermann و White بررسی هایی را بر روی میکسرها و اکسترودرهای دو پیچه ای و چند پیچه ای انجام دادند.
اولین استفاده از پمپ های گیریبکسی برای فرآوری مواد پلیمری به سال 1887 بر می گردد. در این زمان Willoughby Smith ماشینی را ثبت اختراع کرد که بوسیله ی یک جفت غلطک، تغذیه می شوند. پمپ های گیریبکسی چند مرحله ای بوسیله ی C. Pasquetti ثبت اختراع شد. برخلاف اکسترودرهای تک پیچه و اکسترودرهای دو پیچه ی در هم تنیده (Co-TSE)، پمپ های گیریبکسی پمپ های با جابجایی مثبت هستند که مانند TSE ها عمل می کنند.
نیاز به مخلوط سازی ذرات مربن بلک ریز و سایر افزودنی ها با رابر، موجب شد تا مخلوط سازی رابر بر روی آسیاب های میله ای باز انجام شود. یک تعداد از میکسرهای داخلی بسته نیز در قرن 19 توسعه یافتند اما این H. Banbury بود که در سال 1916، یک طراحی بهبود یافته از آنها را ثبت اختراع کرد که تاکنون نیز مورد استفاده قرار می گیرد. کارخانه ی ریخته گری Birmingham در Derby که بعدها با کارخانه ی ریخته گری و ماشین سازی Farrel در این ناحیه ادغام شد، این ماشین را ساخت. این میکسر هنوز هم در صنعت رابر و لاستیک مورد استفاده قرار می گیرد و نام آن میکسر Banbury می باشد. شرکت سازنده بعدها نوع پیوسته از این میکسر را ابداع کرد که به آن، میسکر پیوسته ی Farrel (FCM) می گویند. یک گونه ی اولیه از این ماشین ها، که در حقیقت ماشین هایی غیر در هم تنیده و دو روتوره هستند و به آنها میکسر Knetwolf گفته می شود، در سال 1941، بوسیله ی Ellerman در آلمان، توسعه یافته است. FCM هیچگاه نتوانست به استاندارد مطلوب مخلوط سازی رابر برسد اما خوشبختانه، این دستگاه در زمانی ابداع و توسعه یافت که پلی اتیلن با دانسیته ی بالا و پلی پروپیلن، توسعه یافتند. این محصولات پلیمری نیازمند ذوب سریع، مخلوط سازی، ترکیب و تبدیل شدن به صورت قرص بودند، تا بتوان آنها را در بازارها، به فروش رسانید. FCM یک ماشین بسیار مؤثر برای این کار بود.
Ko-Kneader که در سال 1945 بوسیله ی List و برای شرکت Buss AG آلمان توسعه یافت، یک میکسر- مخلوط ساز تک روتور است که در زمان چرخش، به طور محوری نوسان می کند. علاوه بر این، روتور نوع پیچه ای دارای پروانه های برنده ای است که موجب می شود مخلوط سازی در محفظه به طور عالی انجام شود.
ماشین های قالب گیری تزریقی سنبه ای که به طور گسترده ای در طی دهه 1950 و اوایل دهه ی 1960 مورد استفاده قرار می گرفتند، برای پلیمرهای حساس به حرارت و محصولات غیر هموژن مناسب نبودند. معرفی torpedo موجب به پایان رسیدن عمر این ماشین ها و ایجاد وضعیت بهتری در این بازار شد. بعدها، پلاستیکاتورهای پیچه ای (screw plasticators) برای آماده سازی یک مخلوط یکنواخت و تزریق آن به بخش تزریق، توسعه یافتند. به هر حال، ابداع ماشین های قالب گیری تزریقی با پیچه ی رفت و برگشتی و یا این لاین (in-line) موجب بهبود قابل توجهی در کیفیت قالب گیری تزریقی شد و بدین وسیله، نسل مدرن از ماشین های قالب گیری تزریقی، بدین شیوه، ابداع شد. این ماشین ها، در ابتدا بوسیله ی W. H. Willert در ایالات متحده ی امریکا، توسعه یافتند.
بیشتر ماشین های مدرن فرآوری محصولات پلیمری، به استثنای آسیاب های غلطکی و کالندرها (calendar) دارای یک روتور پیچه ای و یا یک پیچه در مرکز هستند. چندین پیشنهاد برای نوع اکسترودرهای پیچه ای ارائه شده است. در سال 1959، Bryce Maxwell و A. J. Scalora یک اکسترودر با تنش نرمال پیشنهاد کردند که شامل دو دیسک فاصله دار و مجاور بود که دارای حرکت های چرخشی نسبی بودند. در این ساختار یک دیسک در مرکز این ساختار قرار داشت. تفاوت تنش نرمال که پلیمر دریافت می کرد، این است که با این تنش، نیروی گریز از مرکز موجب پمپاز ماده به سمت خروجی می شود. Westover Robert نیز یک اکسترودر با پد کشویی (slider pad extruder) پیشنهاد کرد که شامل دو دیسک با حرکت نسبی بود که یکی از آنها مجهز به پدهای مرحله ای بود. این پدها، موجب بوجود آمدن فشارهای کششی بود (مشابه فشارهای ایجاد شده در اکسترودر پیچه ای). در نهایت، در سال 1979، یکی از محققین یک تکمیل کننده ی دیسکی چرخنده (co-rotating disk processor پیشنهاد کرد که بوسیله ی شرکت Farrel و تحت نام تجاری Diskpack به بازار عرضه شد. جدول 1 خلاصه ای از مهم ترین رویدادهای ابداعی مربوط به صنعت فرآوری پلیمرها را از زمان تولید مخلوط کن رابر Thomas Hancock در سال 1820، ارائه کرده است. برخی از ابداعات مهم و کلیدی در صنعت پلیمرهای جدید، مدیون تلاش های تئوری انجام شده در زمینه ی فرموله کردن رویه های فرآوری پلیمرها، می باشد.
یک چشم انداز گسترده تر: انقلاب های صنعتی و علمی
انقلاب ماشین آلات صنعت لاستیک و پلاستیک، که از اوایل قرن نوزدهم، شروع شده است، یکی از بخش های انقلاب صنعتی محسوب می شود. این انقلاب که در کل جهان رخ داده است، در واقع بوسیله ی ابداعات متنوع در این زمان، نمود دارد.
این انقلاب بواسطه ی چندین فاکتور ایجاد شده است:
1. جایگزینی ماشین آلات قدیمی با ماشین آلات سریع، منظم، دقیق و خستگی ناپذیر که با استفاده از تلاش های انسانی و استفاده از مهارت های انسانی، ایجاد شده است.
2. جایگزینی نیروی محرکه ی بی روح (نیرویی غیر از نیروی ماهیچه) مخصوصاً ابداع موتور برای تبدیل حرارت به کار و بدین وسیله، باز شدن منابع بی حد و پایان انرژی به منظور پیشبرد کارها.
3. استفاده از منابع انرژی فراوان به طور خاص، جایگزینی مواد معدنی و مواد مصنوعی به جای مواد طبیعی
یکی از ابداعات جالب توجه در این دوران، توسعه ی موورهای بخار مدرن بوسیله ی وات در سال 1774 بوده است. وات سرپرست طراحی در دانشگاه Glasgow بوده است و ابداع خود را در زمانی ارائه کرد که موتور بخار Thomas Newcomen با شکست روبرو شد. موتور بخار Thomas Newcomen در سال 1705 ابداع شد و تحقیقات گسترده ای بر روی آن انجام شد. در حقیقت، این ماشین، یک ماشین با بازده پایین بود که بر اساس فشار اتمسفر کار می کرد و شامل یک پیستون در داخل یک سیلندر بود که در آن، بخار آب موجب به حرکت در آمدن این پیستون می شد. البته تنها ویژگی این ماشین، این بود که تنها موتوری بود که نیروی خود را از چیزی به غیر از باد و یا آب متحرک می گرفت. وات نه تنها ماشین را با ثبات کرد، بلکه همچنین آن را به روزرسانی کرد. او فشار بخار را به عنوان فشار کاری سیستم انتخاب کرد و کندانسر سیستم را جداسازی کرد.
انقلاب صنعتی بزرگ موجب شد تا موجی از توسعه در صنایع مختلف از جمله فولاد، راه آهن، موتورهای الکتریکی و الکتریسیته، موتورهای احتراق داخلی و صنعت شیمیایی و نفت، ایجاد شود. این انقلاب با ابداعات نبوغ انگیر James Watt (1736–1819) شروع شد و سپس با ابداع های افرادی همچون Eli Whitney (1765–1825) Eli Whitney) کسی است که دستگاه پنبه پاک کنی را ابداع کرد)، Samuel Morse (1791–1872 )، Alexander Graham Bell (1847–1922)، Thomas Alva Edison (1847–1931)، Guglielmo Marchese Marconi (1874–1937)، Nikola Tesla (1856–1943) و افراد دیگر، ادامه یافت. البته علاوه بر این افراد، افرادی همچون J. W. Hyatt، Leo Baekeland، Charles Goodyear، Thomas Hancock، Edwin Chaffe، Mathew Gray، John Royle و Paul Pfleiderer نیز در توسعه ی صنعت لاستیک و پلاستیک، مشارکت داشتند.
انقلاب صنعتی که وابستگی خاصی به منابع طبیعی و کارگران ارزان قیمت داشته است، در میانه ی انقلاب علمی رخ داده است که در واقع این انقلاب علمی تقریبا دو سده پیش از انقلاب صنعتی، شروع شده بود. پیشگامان این بخش افرادی همچون Nicolas Copernicus (1473–1543)، Galileo Galilei (1564–1642)، Johannes Kepler (1571–1630) ، Rene´ Descartes (1596–1650) و ... بوده اند.
این دو انقلاب در دو مسیر مجزا اتفاق افتاد و البته برهمکنش هایی بین آنها نیز اتفاق افتاده است. البته این مسئله شگفت آور نیست زیرا تکنولوژی و علم دارای منشأ تاریخی متفاوتی نیستند. تکنولوژی از هنر و مصنوعات متداول نشئت گرفته است (هم از بخش نظامی و هم غیر نظامی). در حقیقت، بیشتر مخترعین بزرگ، افراد دانشمند نبوده اند بلکه آنها صنعتگران، تکنسین ها و کارافرین ها بودند. علم از فلسفه، حکمت و بررسی های فکری نشئت گرفته است تکنولوژی سابقه ای به اندازه ی بشریت دارد و به عنوان دانش اندوخته ای تعریف می شود که بوسیله ی آنها ما می فهمیم وسایل و ابزارها را چگونه بسازیم. به عبارت دیگر، علم در دانشنامه ها، به عنوان شاخه ای از دانش و یا مطالعه تعریف می شود که از مشاهده مشتق می شوند و در واقع درگیر حقایق و ادله ای می باشد که به صورت سیستماتیک از یک سری قوانین عمومی، تبعیت می کند. اما به تدریج و با وقوع انقلاب های صنعتی و علمی، این دو شاخه به هم نزدیک شده اند و بدین صورت، متخصصین علوم مختلف، توانسته اند راه هایی را به منظور نیل به اهداف تکنولوژیکی، ایجاد کنند. البته ناگفته نماند که تکنولوژی نیز موجب شده است تا ابزارهایی برای کشف علوم مختلف، ایجاد گردد. در طی قرن 20 ام، برهمکنش هایی در این دو زمینه ایجاد شده است، مخصوصا در طی جنگ جهانی دوم (مثلا در پروژه هایی مانند پروژه ی Manhattan، پروژه ی رابر مصنوعی (SBR)، توسعه ی رادار و بسیاری از ابداعات دیگر). در این ابداعات، قدرت علم بر تکنولوژی نمود یافت. در ربع آخر این قرن، برهمکنش میان علم و تکنولوژی به گونه ای حرکت کرد که این دو به خوبی با هم ادغام شدند و انقلابی نو در این عرصه، رخ داد. به این انقلاب، انقلاب علم و تکنولوژی می گویند. این انقلاب در حقیقت میوه ای از تکنولوژی، جهانی سازی، رشد بی سابقه در زمینه ی سطح بهداشت و سلامت در طی نیمه ی دوم این قرن، می باشد. در حقیقت، در این حالت، اقتصادهای بر پایه ی علوم مدرن و تکنولوژی موجب تغییر جهان شدند.
صنعت پلیمر و فرآوری مدرن پلیمرها که در طی نیمه ی دوم از قرن بیستم با هم ادغام شده اند، محصول ادغام علم و تکنولوژی و در حقیقت، میوه ای اصلی انقلاب علمی و صنعتی بوده است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Principles of polymer processing / Zehev Tadmor and Costas G. Gogos/ second edition
نکات تاریخی
ماشین های صنعت پلاستیک و لاستیک (رابر)
روش ها و ماشین آلات مدرن فرآوری پلیمرها، در قرن 19 ام میلادی وارد صنعت فرآوری پلاستیک و رابرهای طبیعی شده است. اولین مثال های مستند در مورد ماشین فرآوری رابر، در واقع رابر مستیکاتور (rubber masticator) است که شامل یک روتور دندانه دار بوده است که بوسیله ی یک وسیله ی هندل شکل که در داخل محفظه ی سیلندر دندانه دار بود، می چرخید. Thomas Hancock در سال 1820 این دستگاه را توسعه داد و از آن برای بازیافت رابرهای طبیعی ضایعاتی، بهره برد. این فرد، این دستگاه را پیکل (pickle) نامید تا بدین صورت، رقبای خود را گیج کند. چند سال بعد و در سال 1836، Edwin Chaffee یک آسیاب دو غلطکی برای مخلوط کردن افزودنی با رابر توسعه داد و همچنین یک سیستم 4 غلطکی برای پوشش دهی پارچه یا چرم با رابر، توسعه داد. این اختراع ها، هنوز هم در صنعت پلاستیک و رابر، مورد استفاده قرار می گیرند. ظاهراً Henry Goodyear برادر Charles و Richard Brooman اولین اکسترودر سنبه ای را در سال 1845 در انگلیس توسعه دادند که اولین بار برای پوشش دهی سیم مورد استفاده قرار گرفت. یک چنین اکسترودر سنبه ای اولین بار برای تولید کابل های زیردریا مورد استفاده قرار گرفت (1960).
نیاز به اکسترود پیوسته مخصوصا در مورد پوشش دهی سیم و کابل، موجب شد تا مهم ترین توسعه در زمینه ی اکسترودرهای تک پیچه (SSE) بوجود آید. این نوع از اکسترودرها، به سرعت جایگزین اکسترودهای ناپیوسته ای سنبه ای شدند.
شواهد نشاندهنده ی این است که A. G. DeWolfe در ایالات متحده، احتمالا اولین اکسترودر تک پیچه را در دهه ی 1860 توسعه داده است. Phoenix Gummiwerke در سال 1873، اطلاعاتی در مورد این اکسترودرها، به چاپ رسانده است و علاوه بر این فرد، William Kiel و John Prior در ایالات متحده ی آمریکا نیز اطلاعاتی در مورد این اکسترودرها، منتشر کردند. با وجود این، تولد اکسترودرهایی که نقش قابل توجهی بر روی فرآوری پلیمرها داشتند، به ثبت اختراعی باز می گردد که در سال 1879 با نام Mathew Gray در انگلیس، منتشر گردید. این اکسترودر اولین ماشین تکامل یافته از این نوع می باشد. ماشین ساخته شده بوسیله ی Gray همچنین شامل یک جفت از نوردهای تغذیه کننده ی حرارتی می باشند. مستقل از کارهای Gray، فردی به نام Francis Shaw در انگلیس، یک اکسترودر پیچه ای در سال 1879 توسعه داد (مشابه کاری که John Royle در ایالات متحده ی آمریکا و در سال 1880 انجام داد).
John Wesley Hyatt در سال 1872، ماشین قالب گیری تزریقی ترموپلاست را اختراع کرد. این دستگاه از دستگاه ریخته گری قالبی مربوط به فلز، الهام گرفته شد. Hyatt یک متخصص چاپ از بوستون بود و همچنین فردی است که سلولوید (نیترات سلولز) را ابداع کرد. او یکی از چهره های پیشگام در این زمینه بوده است و در بسیاری از ابداع های دیگر در این زمینه، مشارکت داشته است مثلا در ابداع قالب گیری بادی. ابداع های او همچنین به استفاده ی سریع ا رزین های ترموست فنول – فرمالدهید (باکلیک) کمک کرده است. J. F. Chabot و R. A. Malloy تاریخچه ی کاملی در مورد توسعه ی قالب گیری تزریقی تا استفاده ی قابل توجه از ماشین های قالب گیری تزریقی دوگانه در دهه ی 1950، ارائه کرده اند.
اکسترودرهای با پیچه ی چندتایی نیز در همین زمان ها، توسعه یافت. Paul Pfleiderer اکسترودرهای غیر در هم تنیده ی و بدون چرخش دو پیچه ای (TSE) را در سال 1881 توسعه داد، در حالی که نوع در هم تنیده ی این اکسترودرهای با پیچه ی دو قلو، در سال 1916 بوسیله ی R. W Eastons توسعه یافت. نوع اولیه از این اکسترودرها ماشین های نوع ZSK نامیده شدند که بوسیله ی Rudolph Erdmenger در شرکت بایر ابداع شدند و با همکاری مشترک با شرکت Werner and Pfleiderer این تولید به عرصه ی جهانی انتقال یافت. این ماشین مشابه با بیشتر ماشین های در هم تنیده ی با چرخش چندگانه از نوع TSE، از یک رشد فزاینده ی استفاده، برخوردار بودند. این ماشین ها از این مزیت برخوردار بودند که پیچه ها، موجب تمیز شدن سطح همدیگر می شوند و بنابراین، قادر اند تا انواع مختلف مواد پلیمری را مورد فرآوری قرار دهند. علاوه بر این، این ماشین ها عموماً دارای محفظه و پیچه های قسمت بندی شده ای هستند و بدین صورت، ماشین قادر است تا بر طبق نیاز فرایند، تغییر وضعیت دهد. انواع مختلفی از اکسترودرها و میکسرهای با پیچه ی دوقلو وجود دارند. برخی از آنها در صنعت غذایی استفاده می شوند. Hermann و White بررسی هایی را بر روی میکسرها و اکسترودرهای دو پیچه ای و چند پیچه ای انجام دادند.
اولین استفاده از پمپ های گیریبکسی برای فرآوری مواد پلیمری به سال 1887 بر می گردد. در این زمان Willoughby Smith ماشینی را ثبت اختراع کرد که بوسیله ی یک جفت غلطک، تغذیه می شوند. پمپ های گیریبکسی چند مرحله ای بوسیله ی C. Pasquetti ثبت اختراع شد. برخلاف اکسترودرهای تک پیچه و اکسترودرهای دو پیچه ی در هم تنیده (Co-TSE)، پمپ های گیریبکسی پمپ های با جابجایی مثبت هستند که مانند TSE ها عمل می کنند.
نیاز به مخلوط سازی ذرات مربن بلک ریز و سایر افزودنی ها با رابر، موجب شد تا مخلوط سازی رابر بر روی آسیاب های میله ای باز انجام شود. یک تعداد از میکسرهای داخلی بسته نیز در قرن 19 توسعه یافتند اما این H. Banbury بود که در سال 1916، یک طراحی بهبود یافته از آنها را ثبت اختراع کرد که تاکنون نیز مورد استفاده قرار می گیرد. کارخانه ی ریخته گری Birmingham در Derby که بعدها با کارخانه ی ریخته گری و ماشین سازی Farrel در این ناحیه ادغام شد، این ماشین را ساخت. این میکسر هنوز هم در صنعت رابر و لاستیک مورد استفاده قرار می گیرد و نام آن میکسر Banbury می باشد. شرکت سازنده بعدها نوع پیوسته از این میکسر را ابداع کرد که به آن، میسکر پیوسته ی Farrel (FCM) می گویند. یک گونه ی اولیه از این ماشین ها، که در حقیقت ماشین هایی غیر در هم تنیده و دو روتوره هستند و به آنها میکسر Knetwolf گفته می شود، در سال 1941، بوسیله ی Ellerman در آلمان، توسعه یافته است. FCM هیچگاه نتوانست به استاندارد مطلوب مخلوط سازی رابر برسد اما خوشبختانه، این دستگاه در زمانی ابداع و توسعه یافت که پلی اتیلن با دانسیته ی بالا و پلی پروپیلن، توسعه یافتند. این محصولات پلیمری نیازمند ذوب سریع، مخلوط سازی، ترکیب و تبدیل شدن به صورت قرص بودند، تا بتوان آنها را در بازارها، به فروش رسانید. FCM یک ماشین بسیار مؤثر برای این کار بود.
Ko-Kneader که در سال 1945 بوسیله ی List و برای شرکت Buss AG آلمان توسعه یافت، یک میکسر- مخلوط ساز تک روتور است که در زمان چرخش، به طور محوری نوسان می کند. علاوه بر این، روتور نوع پیچه ای دارای پروانه های برنده ای است که موجب می شود مخلوط سازی در محفظه به طور عالی انجام شود.
ماشین های قالب گیری تزریقی سنبه ای که به طور گسترده ای در طی دهه 1950 و اوایل دهه ی 1960 مورد استفاده قرار می گرفتند، برای پلیمرهای حساس به حرارت و محصولات غیر هموژن مناسب نبودند. معرفی torpedo موجب به پایان رسیدن عمر این ماشین ها و ایجاد وضعیت بهتری در این بازار شد. بعدها، پلاستیکاتورهای پیچه ای (screw plasticators) برای آماده سازی یک مخلوط یکنواخت و تزریق آن به بخش تزریق، توسعه یافتند. به هر حال، ابداع ماشین های قالب گیری تزریقی با پیچه ی رفت و برگشتی و یا این لاین (in-line) موجب بهبود قابل توجهی در کیفیت قالب گیری تزریقی شد و بدین وسیله، نسل مدرن از ماشین های قالب گیری تزریقی، بدین شیوه، ابداع شد. این ماشین ها، در ابتدا بوسیله ی W. H. Willert در ایالات متحده ی امریکا، توسعه یافتند.
بیشتر ماشین های مدرن فرآوری محصولات پلیمری، به استثنای آسیاب های غلطکی و کالندرها (calendar) دارای یک روتور پیچه ای و یا یک پیچه در مرکز هستند. چندین پیشنهاد برای نوع اکسترودرهای پیچه ای ارائه شده است. در سال 1959، Bryce Maxwell و A. J. Scalora یک اکسترودر با تنش نرمال پیشنهاد کردند که شامل دو دیسک فاصله دار و مجاور بود که دارای حرکت های چرخشی نسبی بودند. در این ساختار یک دیسک در مرکز این ساختار قرار داشت. تفاوت تنش نرمال که پلیمر دریافت می کرد، این است که با این تنش، نیروی گریز از مرکز موجب پمپاز ماده به سمت خروجی می شود. Westover Robert نیز یک اکسترودر با پد کشویی (slider pad extruder) پیشنهاد کرد که شامل دو دیسک با حرکت نسبی بود که یکی از آنها مجهز به پدهای مرحله ای بود. این پدها، موجب بوجود آمدن فشارهای کششی بود (مشابه فشارهای ایجاد شده در اکسترودر پیچه ای). در نهایت، در سال 1979، یکی از محققین یک تکمیل کننده ی دیسکی چرخنده (co-rotating disk processor پیشنهاد کرد که بوسیله ی شرکت Farrel و تحت نام تجاری Diskpack به بازار عرضه شد. جدول 1 خلاصه ای از مهم ترین رویدادهای ابداعی مربوط به صنعت فرآوری پلیمرها را از زمان تولید مخلوط کن رابر Thomas Hancock در سال 1820، ارائه کرده است. برخی از ابداعات مهم و کلیدی در صنعت پلیمرهای جدید، مدیون تلاش های تئوری انجام شده در زمینه ی فرموله کردن رویه های فرآوری پلیمرها، می باشد.
انقلاب ماشین آلات صنعت لاستیک و پلاستیک، که از اوایل قرن نوزدهم، شروع شده است، یکی از بخش های انقلاب صنعتی محسوب می شود. این انقلاب که در کل جهان رخ داده است، در واقع بوسیله ی ابداعات متنوع در این زمان، نمود دارد.
این انقلاب بواسطه ی چندین فاکتور ایجاد شده است:
1. جایگزینی ماشین آلات قدیمی با ماشین آلات سریع، منظم، دقیق و خستگی ناپذیر که با استفاده از تلاش های انسانی و استفاده از مهارت های انسانی، ایجاد شده است.
2. جایگزینی نیروی محرکه ی بی روح (نیرویی غیر از نیروی ماهیچه) مخصوصاً ابداع موتور برای تبدیل حرارت به کار و بدین وسیله، باز شدن منابع بی حد و پایان انرژی به منظور پیشبرد کارها.
3. استفاده از منابع انرژی فراوان به طور خاص، جایگزینی مواد معدنی و مواد مصنوعی به جای مواد طبیعی
یکی از ابداعات جالب توجه در این دوران، توسعه ی موورهای بخار مدرن بوسیله ی وات در سال 1774 بوده است. وات سرپرست طراحی در دانشگاه Glasgow بوده است و ابداع خود را در زمانی ارائه کرد که موتور بخار Thomas Newcomen با شکست روبرو شد. موتور بخار Thomas Newcomen در سال 1705 ابداع شد و تحقیقات گسترده ای بر روی آن انجام شد. در حقیقت، این ماشین، یک ماشین با بازده پایین بود که بر اساس فشار اتمسفر کار می کرد و شامل یک پیستون در داخل یک سیلندر بود که در آن، بخار آب موجب به حرکت در آمدن این پیستون می شد. البته تنها ویژگی این ماشین، این بود که تنها موتوری بود که نیروی خود را از چیزی به غیر از باد و یا آب متحرک می گرفت. وات نه تنها ماشین را با ثبات کرد، بلکه همچنین آن را به روزرسانی کرد. او فشار بخار را به عنوان فشار کاری سیستم انتخاب کرد و کندانسر سیستم را جداسازی کرد.
انقلاب صنعتی بزرگ موجب شد تا موجی از توسعه در صنایع مختلف از جمله فولاد، راه آهن، موتورهای الکتریکی و الکتریسیته، موتورهای احتراق داخلی و صنعت شیمیایی و نفت، ایجاد شود. این انقلاب با ابداعات نبوغ انگیر James Watt (1736–1819) شروع شد و سپس با ابداع های افرادی همچون Eli Whitney (1765–1825) Eli Whitney) کسی است که دستگاه پنبه پاک کنی را ابداع کرد)، Samuel Morse (1791–1872 )، Alexander Graham Bell (1847–1922)، Thomas Alva Edison (1847–1931)، Guglielmo Marchese Marconi (1874–1937)، Nikola Tesla (1856–1943) و افراد دیگر، ادامه یافت. البته علاوه بر این افراد، افرادی همچون J. W. Hyatt، Leo Baekeland، Charles Goodyear، Thomas Hancock، Edwin Chaffe، Mathew Gray، John Royle و Paul Pfleiderer نیز در توسعه ی صنعت لاستیک و پلاستیک، مشارکت داشتند.
انقلاب صنعتی که وابستگی خاصی به منابع طبیعی و کارگران ارزان قیمت داشته است، در میانه ی انقلاب علمی رخ داده است که در واقع این انقلاب علمی تقریبا دو سده پیش از انقلاب صنعتی، شروع شده بود. پیشگامان این بخش افرادی همچون Nicolas Copernicus (1473–1543)، Galileo Galilei (1564–1642)، Johannes Kepler (1571–1630) ، Rene´ Descartes (1596–1650) و ... بوده اند.
این دو انقلاب در دو مسیر مجزا اتفاق افتاد و البته برهمکنش هایی بین آنها نیز اتفاق افتاده است. البته این مسئله شگفت آور نیست زیرا تکنولوژی و علم دارای منشأ تاریخی متفاوتی نیستند. تکنولوژی از هنر و مصنوعات متداول نشئت گرفته است (هم از بخش نظامی و هم غیر نظامی). در حقیقت، بیشتر مخترعین بزرگ، افراد دانشمند نبوده اند بلکه آنها صنعتگران، تکنسین ها و کارافرین ها بودند. علم از فلسفه، حکمت و بررسی های فکری نشئت گرفته است تکنولوژی سابقه ای به اندازه ی بشریت دارد و به عنوان دانش اندوخته ای تعریف می شود که بوسیله ی آنها ما می فهمیم وسایل و ابزارها را چگونه بسازیم. به عبارت دیگر، علم در دانشنامه ها، به عنوان شاخه ای از دانش و یا مطالعه تعریف می شود که از مشاهده مشتق می شوند و در واقع درگیر حقایق و ادله ای می باشد که به صورت سیستماتیک از یک سری قوانین عمومی، تبعیت می کند. اما به تدریج و با وقوع انقلاب های صنعتی و علمی، این دو شاخه به هم نزدیک شده اند و بدین صورت، متخصصین علوم مختلف، توانسته اند راه هایی را به منظور نیل به اهداف تکنولوژیکی، ایجاد کنند. البته ناگفته نماند که تکنولوژی نیز موجب شده است تا ابزارهایی برای کشف علوم مختلف، ایجاد گردد. در طی قرن 20 ام، برهمکنش هایی در این دو زمینه ایجاد شده است، مخصوصا در طی جنگ جهانی دوم (مثلا در پروژه هایی مانند پروژه ی Manhattan، پروژه ی رابر مصنوعی (SBR)، توسعه ی رادار و بسیاری از ابداعات دیگر). در این ابداعات، قدرت علم بر تکنولوژی نمود یافت. در ربع آخر این قرن، برهمکنش میان علم و تکنولوژی به گونه ای حرکت کرد که این دو به خوبی با هم ادغام شدند و انقلابی نو در این عرصه، رخ داد. به این انقلاب، انقلاب علم و تکنولوژی می گویند. این انقلاب در حقیقت میوه ای از تکنولوژی، جهانی سازی، رشد بی سابقه در زمینه ی سطح بهداشت و سلامت در طی نیمه ی دوم این قرن، می باشد. در حقیقت، در این حالت، اقتصادهای بر پایه ی علوم مدرن و تکنولوژی موجب تغییر جهان شدند.
صنعت پلیمر و فرآوری مدرن پلیمرها که در طی نیمه ی دوم از قرن بیستم با هم ادغام شده اند، محصول ادغام علم و تکنولوژی و در حقیقت، میوه ای اصلی انقلاب علمی و صنعتی بوده است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Principles of polymer processing / Zehev Tadmor and Costas G. Gogos/ second edition
