فرآوری پلیمرها (2)

فرایندهای فرآوری کنونی پلیمرها
بررسی های تاریخچه ای نشاندهنده ی ماشین آلات مهمی است که برای فرآوری پلیمرها، استفاده می شوند. در حقیقت، در اغاز دوره ی پیشرفت این صنعت، کار در این زمینه، به صورت انفجاری انجام شده است. این مسئله بعد از جنگ جهانی دوم رخ داده است. در این زمان، همانگونه که قبلا گفته شد، علم و تکنولوژی به تدریج با هم ادغام شدند. بنابراین، تکنولوژی لاستیک و پلاستیک در بین سال های 1850 تا 1950، مهم ترین سال های خود را پشت سر گذاشته است و مطابق جدول 1، این دوره با ابداع ماشین ها و محصولات مختلفی همراه بوده است که موجب شده است، گروه هایی از مواد جدید و صنایع جدید، ایجاد شوند و همچنین صنایع مختلفی برای تولید محصولات جدید، به هم نزدیک شوند. در نیمه ی دوم این قرن که بعد از دوره ی کلاسیک فرآوری پلیمرها، شروع شده است (جدول 1)، تجزیه و تحلیل مهندسی و شبیه سازی با ابداعات و نوآوری های جدید ترکیب شد و توسعه های جدیدی انجام شد که منجر به ساخت ماشین آلات فراوری پیشرفته ی امروزی شده است. همانگونه که قبلا در این مقاله گفته شد، ما اکنون در بخش گذار صنعت پلیمر و در حالت عبور از بخش قدیمی به بخش جدید هستیم. یک تصویر لحظه ای از حالت کنونی صنعت پلاستیک در ایالات متحده ی آمریکا (از نقطه نظر اقتصادی و تولیدی و بر اساس گزارش انجمن صنایع پلاستیک آمریکا (SPI)) نشاندهنده ی این است که این صنعت در بین صنایع دیگر، رتبه ی چهارم را بعد از صنعت خودرو، الکترونیک و پالایش نفت، به خود اختصاص داده است. بر طبق این گفته ها، موارد زیر منتج می شود:
1. ارزش محصولات بر پایه ی پلیمر که در ایالات متحده ی آمریکا و بوسیله ی تولید کننده ها، تولید شده اند، در حدود 90 میلیارد دلار می باشد. این صنعت به خاطر تعداد اندک از شرکت های بزرگ شاخص می باشد. در حقیقت، شرکت های شیمیایی شاغل در این زمینه، میزان قابل توجهی از این محصولات را تولید می کنند. صنعت پتروشیمی نیز دیگر تولیدکننده ی بزرگ محصولات پلیمری می باشد.
2. ارزش محصولات نهایی تولید شده ای که از تولیدکننده های آمریکایی صنعت پلیمر صادر می شوند، حدود 330 میلیارد دلار می باشد. شرکت های فرآوری محصولات پلیمری تعداد زیادی از شرکت ها می باشند و معمولاً شرکت های کوچکی هستند که عمدتاً هر کدام در بخش خاص خود فعالند. این شرکت ها از لحاظ منابع مالی و تحقیقاتی در حداقل امکانات می باشند اما از لحاظ ابداعات، رقابت و مشارکت، بسیار پیشرفته هستند. این مسئله به طور خاص در توسعه های انجام شده در زمینه ی صنعت لاستیک و پلاستیک و در اولین دوره از توسعه ی این صنعت، متمایز است.
3. نیروی کار آمریکا که در بخش تولید رزین های پلیمری مشغول می باشند، در حدود یک چهارم میلیون و نیروی کار مشغول در زمینه ی فرآوری پلیمرها، در حدود یک و نیم میلیون می باشند.
هدف تنها آگاهی رسانی نیست بلکه هدف به نشان دادن خاصیت به اشتراک گذاری ذاتی تجربیات ترمومکانیکی در سیستم های پلیمری است که در میان انواع مختلف از ادوات و وسایل مورد استفاده، ایجاد شده است. این مورد، یکی از جنبه های مهم یادگیری و تجزیه و تحلیل در مورد ادوات و فرایندهای فرآوری محصولات پلیمری می باشد.
عملیات های نهایی صنعت پلیمر
همانگونه که در فلوچارت شکل 1 مشاهده می شود، هدف پلیمریزاسیون فاز گازی در یک کارخانه ی تولید محصولات پلیمری (رزینی) با نرخ تولید 40 تن در ساعت، انجام فرایندهای جداسازی و خشک سازی پی در پی، به منظور تولید پلیمرهای خالص و به شکل گرانول، می باشد. محصول گرانوله ی تولیدی سپس در حالت خشک با انواع مختلفی از افزودنی های مناسب و در حالت خشک، مخلوط می شود. این افزودنی ها می توانند پایدارسازهای گرمایی، پایدارسازهای فرابفنش و عوامل آنتی اکسیدان و یا کمک فرایندها باشند. مخلوط حاصله سپس به داخل یک Co-TSE و یا یک ذوب کن یا مخلوط کن پیوسته (CM) وارد می شوند. در این مکان، فرایندهای مخلوط سازی ذرات جامد، ذوب، مخلوط سازی و هموژن سازی متعاقب و ... بر روی آنها انجام می شود. این اولین تجربه ی ترمومکانیکی پلیمر اولیه است و البته آخرین تجربه ی آن نیز نیست. انتخاب ادوات مورد استفاده در بخش Co-TSE و یا CM بر اساس قابلیت ممتاز این وسایل برای ذوب سریع و مخلوط سازی آنها، می باشد. ما کل فرایندهای بیان شده در بالا را تنها با نام مراحل اولیه در فرایند پلیمر، می نامیم. جریان مذاب موجود در دستگاه های Co-TSE و یا CM (که هر دو قابلیت پمپاز ضعیفی دارند)، به داخل یک پمپ گریبکسی بزرگ (GP) وارد می شود. در این پمپ جابجایی مثبتی بر روی جریان مذاب ایجاد می شود و بدین صورت، مذاب حاصله، با وسایل و ادوات موجود، انتقال می یابد. مذاب به داخل یک گرانوله ساز، وارد می شود. این بخش در زیر آب قرار دارد. این بخش مجهز به قالب چند سوراخه می باشد.
در این بخش، جریان مذاب به صورت قرص های کوچکی در می آید و بوسیله ی جریان آب سرد می شود. قرص های تولیدی در این بخش، سپس خشک می شوند و در سیلوها انبار می شوند. این قرص ها در حقیقت پلاستیک های خامی هستند که بوسیله ی تولیدکننده های پلیمر به شرمت های فرآوری پلیمر، فروخته می شوند. این محصولات در بسته بندی و یا به صورت کانتینری و از طریق کشتی، ماشین و یا قطار، انتقال می یابند.
عملیات های ترکیب پلیمرها
خط ترکیب پلیمرها، در شکل 2 نشان داده شده است. قرص های پلیمر خام با پیگمنت ها، مواد پرکننده و عوامل تقویت کننده، مخلوط می شوند. میزان اختلاط بستگی به میزان خاصیتی است که در پلیمر نهایی مد نظر می باشد. هدف از یک چنین عملیات هایی، بهبود خواص پلیمر پایه و یا ایجاد خواص خاص در آنها می باشد. نرخ تولید در این بخش، در حدود 1000 تا 10000 پوند بر ساعت است. وظیفه ی خطیر مربوط به ادوات فرآوری، مخلوط سازی مناسب افزودنی ها در سطح مطلوب و بدست آوردن محصولات نهایی با خواص مناسب می باشد. علاوه بر این، سایر افزودنی ها مانند الیاف شیشه ای نیز اغلب بعد ار ذوب شدن قرص ها، به این پلیمرها افزوده می شوند تا بدین صورت، میزان تخریب ایجاد شده به دلیل افزودنی در محصولات پلیمری، به حد مینیمم برسد. در نهایت، برای افزایش میزان مخلوط سازی، افزودنی ها ممکن است به صورت سطحی، عمل آوری شوند. ادوات فرآوری مورد استفاده در بخش ترکیب پلیمرها، عمدتاً TSEs های با چرخش و دوران خاص می باشد. البته در برخی از خطوط تولید با تقاضای کمتر، استفاده از اکسترودرهای تک پیچه (SSE) نیز مرسوم است. همانگونه که در شکل 2 قابل مشاهده می باشد، مراحل کاری در این بخش از فرآوری پلیمرها، مشابه چیزی است که در ادوات ترکیب کردن، انجام می شود. در حقیقت، جریان ترکیب شده، به طور نمونه وار وارد قالب های چند سوراخه می شوند و به صورت رشته های در می آیند. این رشته ها، با آب خنک سازی می شوند و به صورت قرص یا رشته در می آیند. عملیات ترکیب سازی پلیمرها، دومین فرایند ترمومکانیکی است که بر روی پلیمرها خام انجام می شود. محصولات تولیدی سپس با کشتی به تولیدکننده های محصولات نهایی فرستاده می شوند که عمدتاً به آنها تکمیل کننده (processor) می گویند.
عملیات های فرآوری رآکتیو پلیمرها
فرآوری رآکتیو پلیمرها، در حقیقت فرایندهایی هستند که موجب اصلاح و یا ایجاد عملکرد ثانویه در ساختار ماکرومولکولی پلیمرهای خام، از طریق واکنش های شیمیایی، می شود. این واکنش شیمیایی در ادوات فرآوری پلیمر و بعد از ذوب شدن پلیمر، انجام می شود. ادوات فرآوری به گونه ای هستند که در آنها فرایند ذوب به سرعت انجام می شود و سپس مواد واکنش دهنده به سرعت با پلیمر مخلوط می شود. این عملیات ها، در شکل 3 نشان داده شده است. جریان تزریق شده به رآکتور واکنش، می تواند به شکل پودر باشد و سپس واکنش اصلاحی بر روی آن، انجام شود (مانند کاهش وزن مولکولی با پروکسید در پلی پروپیلن که viscracking نامیده می شود).
یک چنین فرآوری رآکتیوی معمولاً در نرخ های بالا و بوسیله ی تولیدکننده های رزین، انجام می شود. این فرایندها در کل، شامل اصلاح شیمیایی و حذف مواد فرار و استفاده از افزودنی های اصلاح کننده ی خواص، می باشد.
همانگونه که در شکل 3 مشاهده می شود، ادوات فرآوری حاوی رآکتور واکنش، در اینجا نیز برای ایجاد اثر بر روی فرآیند پلیمری استفاده می شوند اما در این شکل، فرایند تبخیر برای حذف مولکول های سبک و محصولات فرعی واکنش، به این فرایند افزوده شده است. به دلیل نیاز به ذوب سریع و یکنواخت پلیمر و توزیع یکنواخت TSE ها و یا CM ها در این فرایند نیز مورد استفاده قرار می گیرند.
جریان پلیمر اصلاح شده و فعال سازی شده، سپس به صورت قرص در می آید. سپس قرص ها که معمولا با جریان آب خنک سازی می شوند، خشک شده و به تولید کننده های محصولات پلاستیکی نهایی، ارسال می شوند.
عملیات های آمیزه سازی پلیمرها
این عملیات های آمیزه سازی، در واقع به منظور ایجاد یک آمیزه ی پلیمری و یا یک آلیاژی پلیمری، انجام می شود. بعد از کشف پلیمرهای مهندسی در طی دهه ی دوم تا ششم از قرن بیستم، دو بخش دانشگاهی و صنعتی پلیمر، بر روی توسعه ی آمیزه های پلیمری با خواص ممتاز و ارزشمند، تمرکز کردند. در شکل 4، نشان داده شده است که از سال 1960 به بعد، افزایش قابل توجهی در آمیزه های پلیمری ایجاد شده است و این آمیزه ها، در واقع موجب به حرکت در آمدن صنعت پلاستیک ها شده است. در واقع این آمیزه ها، موجب شده است تا محصولات جدیدی بر پایه ی آنها، به صنعت وارد شود. عملیات های آمیزه سازی پلیمری در شکل 5 نشان داده شده است. در این بخش، جریان تغذیه که شامل دو یا چند پلیمر است، به همراه پایدارساز، وارد سیستم مخلوط سازی می شود. پایدارساز به منظور تولید یک آمیزه ی پایدار از پلیمر، ضروری است. در حقیقت این پایدارساز به خاطر این به سیستم افزوده می شود که اکثر پلیمرها، با همدیگر سازگاری و انطباق ندارند. ادوات مورد استفاده در فرآوری باید توانایی ذوب سریع پلیمرها را داشته باشند و سپس بتوانند به سرعت پلیمرها را با هم مخلوط کنند. از این رو، در این فرایند نیز از TSE ها استفاده می شود. اگر عامل ایجاد کننده ی تطابق، رآکتیو باشد، ذوب شدن و مخلوط سازی سریع موجب می شود تا شرایط مناسبی برای واکنش یکنواخت پایدار ساز با پلیمر، ایجاد شود. بنابراین، با استفاده از TSE ها، کارگاه های تکمیلی می توانند سیستم های پلیمری خاص خود را تولید کنند و بدین صورت، بهترین و مناسب ترین ویژگی می تواند در محصول نهایی ایجاد گردد.
نرخ تولید و بنابراین، اندازه ی ادوات، برای تولیدکننده های رزین بزرگ است و ابعاد این وسایل برای بخش ترکیب، متوسط است. دوباره مشاهده می کنیم که سیستم آمیزه سازی پلیمری نیز حاوی سیستم های خنک سازی و گرانول سازی متعاقب است و از این رو، سیستم پلیمری با ورود به بخش آمیزه سازی، دومین و یا سومین عملیات ترمومکانیکی را تجربه می کند.
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