مترجم: حبیب الله علیخانی
عملیات های تولید محصولات پلاستیکی
در این عملیات ها، تکمیل کننده ی فرایند پلیمری، محصولات پلاستیکی نهایی را از قرص های پلاستیکی فرآوری شده، تولید می کند. این قرص های پلاستیکی مورد استفاده، محصولی از واکنش رآکتیو ثانویه، ترکیب سازی و یا مخلوط سازی پلیمرها با همدیگر، می باشد. این قرص ها به تنها فرآوری می شوند و یا در مورد محصولات رنگی، می توان، پیگمنت نیز به این بخش اضافه کرد. همانگونه که در شکل 1 مشاهده می شود، مراحل اولیه از ادوات فرآوری مشابه بخش های قبلی است.
در فرایند تولید محصولات نهایی، این مهم است که ظرفیت متراکم سازی ادوات، قوی باشد زییرا ما نیازمند یک پمپ مذاب هستیم که بتواند شکل مورد نظر ما را به خوبی بسازد و در واقع محصول ذوب شده را وارد قالب مورد نظر ما کند. بنابراین، ادوات مورد استفاده بوسیله ی تولیدکننده های نهایی، شامل SSE ها و ماشین های قالب گیری تزریقی می باشد. این دستگاه ها، دارای بالاترین ظرفیت ذوب ، مخلوط سازی و پمپ مذاب هستند.
مشابه با توالی مشاهده شده در بخش سردسازی سریع، برخی از جهت گیری های ماکرومولکولی که در طی جریان یافتن پلاستیک در سطح محصولات اتفاق می افتد، که باید در تولید، به آنها توجه خاص کرد. جهت گیری های بیان شده در محصولات پلاستیکی موجب می شوند تا ویژگی های این محصولات آن ایزوتروپ شود. در مورد پلیمرهای با قابلیت کریستالی شدن، این آن ایزوتروپی، بر روی مرفولوژی ذرات نیز اثرگذارند. قابلیت اثرگذاری بیان شده در بالا، استراکچرینگ (structuring)، نامیده می شود.
استراکچرینگ همچنین در فرایندهای پس از شکل دهی نیز ایجاد می شود. این مسئله در واقع در فرایندهایی ایجاد می شود که پس از شکل دهی پلیمر، بر روی آنها انجام شده است و موجب ماکزیمم شدن جهت گیری مولکولی بدون اثرگذاری بر روی یکپارچگی مکانیکی محصول، می شود.
عملیات های فرآوری این- لاین پلیمرها
عملیات های تولید محصولات پلیمری، ممکن است سومین یا دومین فرایند ترمومکانیکی هستند که پلیمر پایه دریافت می کند. از آنجایی که پلیمرها مستعد تخریب گرمایی هستند، در هر یک از این سیکل های ذوب کردن و خنک سازی، هزینه ای پرداخته خواهد شد. تلاش های زیادی در زمینه ی توسعه ی فرایندی شده است که در صنعت پلیمر، به آن، عملیات های فرآوری این- لاین (in-line processing operations)، گفته می شوند. این عملیات ها و ادوات مورد استفاده در آن، بعدا و در انتها، توصیف می شوند. در واقع استفاده از این فرایند، موجب کاهش هزینه ها، کاهش تخریب محصولات پلیمری و جلوگیری از افت خواص افزودنی های مورد استفاده، می شود. این فرایند جدید است و نیازمند مزدوج سازی عملکردهای و کنترل خاص بخش ها می باشد. عملیات های فرآوری این-لاین پلیمریف در شکل 2 نشان داده شده اند.
از نقطه نظر صنعت پلاستیک، ترکیب ترکیب مختلف، فرآوری رآکتیو و آمیزه سازی پلیمرها به همراه تولید محصول نهایی، در یک خط انجام می شود. در واقع تمامی فرایندهای در زیر یک سقف انجام می شود.
علاوه بر این، از آنجایی که تولید کننده ی نهایی و تولید کننده ی اولیه، در یک جا قرار دارند، خواص محصول نهایی به خوبی با توجه به خواص خط تولید، تعیین می شود. یک چنین قابلیتی تکمیل کننده ی فرایند را قادر می سازد تا به نیازهای بازار، به خوبی جواب دهد و بتواند تولید انبوه و مناسبی را در زمان مناسب، انجام دهد. یک چنین توسعه ها و رویه هایی، به دلیل فاز انتقالی کنونی مربوط به صنعت پلیمر و فرآوری پلیمرها، شاخص می باشد (جدول 1 بخش دوم این مقاله). این امید وجود دارد که این دوره راهی برای آینده باز می کند و بدین صورت، فرایندهای پلیمری به سطح ماکرومولکولی می رسد.
تجزیه و تحلیل فرآوری پلیمرها در مراحل اولیه و روش های شکل دهی
زمینه ی فرآوری پلیمرها، به صورت سنتی مورد بررسی قرار گرفته است و روش های فرآوری غالب مانند اکستروژن، قالب گیری تزریقی، قالب گیری بادی، مخلوط سازی و پراکنده سازی، قالب گیری چرخشی و ... مورد بررسی قرار گرفته اند. در مقایسه با مهندسی شیمی، این فرایندها به عنوان عملیات های واحد مربوط به فرآوری پلیمرها، در نظر گرفته می شوند. در زمان نوشتن این مقاله، با توجه به توسعه و تکامل کامل مهندسی پلیمر، ما فهمیدیم که این ضروری است که روش های کلاسیک مربوط به تجزیه و تحلیل در این زمینه، مورد بررسی قرار گیرند. علت این مسئله در حقیقت، روشی است که در آن یک زمینه به المان های ترکیبی اش، تقسیم بندی می شود و موجب افزایش یادگیری می شود. یک تجزیه و تحلیل کامل بر روی کار، شامل بررسی ساختار زمینه هایی است که به منظور نیل به این اهداف، مورد بررسی قرار گرفته است. این موارد عبارتند از:
1. تمرکز بر روی یادگیری اصول مهندسی و علمی که اساسی برای تمامی فرایندهای مورد بررسی هستند.
2. کمک کردن به توسعه و ایجاد تفکر مهندسی که منجر به طراحی های بهبود یافته و جدید می شود.
3. مهیا نمودن دید کلی در مورد این زمینه و تسهیل سریع و ادغام ساده ی اطلاعات جدید
یک ربع قرن بعدتر، تجزیه و تحلیلی که ما ارائه کردیم و چیزی که بعدها، مورد بحث قرار می دهیم، برای برطرف نمودن اهداف پیش تعریف شده، مناسب می باشند و موجب می شود تا به سمت جلو حرکت کنیم.
مراحل شکل دهی
اولین مرحله ای که ما در تجزیه و تحلیل فرآوری پلیمر، به آن توجه می کنیم، تعریف واضح اهداف می باشد. در این مرحله، هدف، بی شک، شکل دهی محصولات می باشد. فرایند شکل دهی می تواند پس از انجام فرایندهای دستکاری متعددی بر روی پلیمر، انجام شود. این فرایندها موجب اصلاح خواص و بهبود ظاهر می شود. با وجود این، سهولت فرآوری پلیمرها، هنوز عملیات شکل دهی است. انتخاب روش شکل دهی بوسیله ی هندسه ی محصول دیکته می شود و برخی اوقات، روش های شکل دهی جایگزینی نیز موجود می باشد. البته روش مورد استفاده، بیشتر به هزینه های روش ها، وبسته می باشد. بررس روش های شکل دهی مختلف در صنایع، این مسئله را نشان می هد که ما می توانیم این روش ها را به گروه بندی های زیر، طبقه بندی کنیم:
1. کلندریگ (Calendering) و پوشش
2. شکل دهی قالبی
3. پوشش دهی قالبی
4. قالب گیری و ریخته گری
5. شکل دهی کششی
اولین روش شکل دهی در واقع فرایند پیوسته و پایدار است. این روش، از جمله قدیمی ترین روش ها می باشد و به طور گسترده ای در صنعت پلاستیک و لاستیک، استفاده می شود. این روش شامل کلندرینگ کلاسیک و انواع فرایندهای پوشش دهی پیوسته مانند پوشش دهی چاقویی و یا غلطکی.
شکل دهی قالبی که شاید مهم ترین روش شکل دهی صنعتی است، شامل تمام فرایندهای شکل دهی ممکنه است که در آن، اعمال نیرو بر یک مذاب از طریق یک قالب انجام می شود. در میان این روش ها، ریسندگی الیاف و شکل دهی صفحات، لوله ها، تیوب ها و شکل دهی پروفایل ها و پوشش دهی سیم و کابل ها، از این روش انجام می شود. این فرایند، یک فرایند پیوسته و پایدار است که برخلاف سه روش بیان شده در آخر، یک فرایند سیکلی است.
عبارت "پوشش دهی قالبی" در حقیقت، بیان کننده ی روش های شکل دهی مانند پوشش دهی قالبی، قالب گیری اسلش (slush molding)، پوشش دهی پودری و قالب گیری چرخشی است. تمام این فرایندها، شامل تشکیل یک پوشش نسبتاً ضخیم بر روی سطح داخلی و یا خارجی یک قالب می باشد.
روش شکل دهی بعدی، قالب گیری و ریخته گری است که شامل تمام روش های مختلفی است که در آن، قالب با پلیمرهای ترموست و ترموپلاست پر می شوند. این روش ها به طور گسترده برای شکل دهی، استفاده می شوند. از جمله این روش ها، می توان به روش قالب گیری تزریقی، قالب گیری انتقالی و قالب گیری فشاری، ریخته گری اولیه ی مونومرها و یا پلیمرهای با وزن مولکولی پایین و پلیمریزاسیون درجای این محصولات در قالب می باشد.
در نهایت، شکل دهی کششی همانگونه که از نام آن مشخص می شود، شامل شکل دهی پلیمرهای پیش شکل دهی شده، بوسیله ی کشش می باشد. شکل دهی گرمایی، قالب گیری بادی، قالب گیری بادی کششی و شکل دهی سرد می تواند به عملیات های شکل دهی ثانویه، طبقه بندی شوند. سه فرایند اول، به طور گسترده ای، مورد استفاده قرار می گیرند.
خواص رئولوژی پیچیده ی مذاب های پلیمری، نقش قالب را در فرایندهای شکل دهی، ایفا می کنند. بنابراین، معرفی یکی از جنبه های قابل توجه مربوط به سیال های غیر نیوتونی، که در حقیقت، نازک شوندگی در حین اعمال تنش برشی است، به طور موفقیت آمیز در تجزیه و تحلیل جریان مذاب در داخل ادوات فرآوری پلیمرها، استفاده شده است. به طور مشابه، با اعمال ابزارهای پیچیده و مدرن و استفاده از روش های عددی، می توان از طبیعت الاستیک پلیمرها استفاده کرد مخصوصاً در شکل دهی کششی.
همانگونه که قبلا گفته شد، در طی شکل دهی و عملیات های پیش شکل دهی، ساختارسازی (Structuring) مناسب به گونه ای که جهت گیری ماکرومولکولی و مرفولوژی های خاص، حفظ شود، می تواند در خواص نهایی محصول پلاستیکی، مؤثر باشد. ساختارسازی یکی از مسائل تکنولوژیکی مهم در تولید می باشد. یادگیری جزئی ساختارسازی، نیازمند قابلیت توصیف کمی جریان رئولوژیکی مذاب، انتقال حرارت، جوانه زنی و کریستالیزاسیون تحت تنش، می باشد. کار در این زمینه، در حال انجام می باشد.
مراحل اولیه
پلیمر عموماً به صورت گرانول به تکمیل کننده، فروخته می شود. شکل دهی پلیمرها تنها بعد از یک سری عملیات های آماده سازی بر روی این پلیمرها، انجام می شود. طبیعت این عملیات ها، تا حد زیادی، شکل، اندازه، پیچیدگی، انتخاب و هزینه های ماشین آلات فرآوری را تعیین می کند. از این رو، اهمیت یادگیری این عملیات ها نمی تواند بیش از حد، مورد تأکید قرار گیرد. یک یا بیش از یکی از این عملیات ها، می تواند در تمام عملیات های ماشینی یافت شود و ما به آنها به عنوان مراحل اولیه ی فراوری پلیمری، اشاره می کنیم.
5 مرحله ی اولیه ی تشخیص داده شده، به طور واضح وجود دارد:
1. وارد کردن ذرات جامد
2. ذوب کردن
3. فشردن و پمپ کردن
4. مخلوط کردن
5. جداسازی مواد فرار
تعریف وارد کردن ذرات جامد در واقع به عنوان مرحله ی اول از فرایند، شامل اضافه نمودن ذرات جامد به سیستم می باشد که در حقیقت، موجب بروز خواص منحصربفرد در سیستم می شود. مسائلی همچون تراکم ذرات، آگلومره شدن آنها، تثبیت، جریان گرانشی، قوس و میزان تراکم آنها در هاپر و جریان مکانیکی القا شده، باید به خوبی فهمیده شود تا بتوان طراحی مناسبی از ماشین آلات فرآیند و همچنین کارخانه ی فرآوری داشت.
بعد از عملیات مخلوط سازی با ذرات افزودنی، پلیمر باید پیش از شکل دهی، ذوب یا حرارت دهی شود. اغلب این مرحله آهسته ترین مرحله است و از این رو، مرحله ی تعیین کننده ی نرخ فرایند فرآوری پلیمر، محسوب می شود. چندین محدودیت بواسطه ی خواص گرمایی و فیزیکی پلیمر، در مورد نرخ ذوب شدن تحمیل می شود. خواص مؤثر در اینجا، رسانایی گرمایی پایین و تخریب گرمایی می باشد. در واقع مورد اول بر روی نرخ انتقال حرارت به ماده اثرگذار است و مورد بعدی، به دلیل حد پایین تحمل دمایی پلیمر، ایجاد می شود. به عبارت دیگر، مزیت افزایش نرخ ذوب شدن، ویسکوزیته ی بالای مذاب پلیمری است که موجب می شود تا نقش پراکندگی انرژی ویسکوز (VED) از منبع حرارتی، تغییر کند. اتلاف انرژی پلاستیک (PED) از تغییر شکل فشاری و برشی ذرات جامد پلیمری در ادوات متحرک دوقلو مانند Co-TSE ایجاد می شود. در حقیقت استفاده از این ادوات است که موجب می شود تا ذوب شدن یکنواخت در توده ایجاد شود. تمام این فاکتورها بر روی نیاز به پیدا کردن بهترین پیکربندی تمرکز می کنند و بدین شیوه، بالاترین نرخ ممکنه برای ذوب شدن، حاصل می شود و بدین صورت، برای تعیین ادوات مورد نیاز برای فرآوری، نیاز به ذوب شدن سریع و مؤثر می باشد.
پلیمر مذاب باید پمپ شود و به گونه ای تحت فشار قرار گیرد که بتوان، عمل شکل دهی را به خوبی انجام داد. برای مثال، این فشار برای ایجاد یک جریان مناسب در میان قالب و یا قالب ها ضروری است. این مرحله ی اولیه، مرحله ی فشردن و پمپ کردن، نامیده می شوند. در واقع این مرحله، به طور قابل توجهی به خواص رئولوژیکی مذاب پلیمری وابسته می باشد و به طور عمیق بر روی طراحی فیزیکی ماشین آلات فرآوری، اثرگذار است. فشردن و ذوب کردن ممکن است به طور آنی انجام شود و فرایندهایی باشد که با همدیگر، تداخل دارند. علاوه بر این، در همین زمان، مذاب پلیمری همچنین مخلوط سازی می شود تا از ایجاد جریان لایه ای در داخل توده ی پلیمر، جلوگیری شود. مخلوط سازی مذاب به صورت توزیعی انجام می شود تا بدین صورت، یک مذاب با دمای یکنواخت و ترکیب یکنواخت، حاصل شود. در واقع این فرایندها، موجب بهبود خواص سیستم می شود. فرایندهای اختلاط مختلفی شامل مخلوط سازی پراکنشی (dispersive mixing) پلیمرهای غیر قابل امتزاج پذیر، شکسته شدن ذرات آگلومره ای و پرکننده، در فرایند مخلوط سازی، استفاده می شود.
مرحله ی اساسی آخر، در حقیقت حذف مواد فرار است. این مرحله یکی از مراحل مهم در آمیزه سازی و ترکیب کردن ذرات در پلیمرها می باشد، البته این فرایند در اکثر فرایندهای پلیمری، مورد استفاده قرار می گیرد. برای مثال، در یک SSE دو مرحله ای، از حذف مواد فرار استفاده می شود. این مرحله ی اساسی شامل پدیده های انتقال توده ای و مکانیزم های جزئی می باشد که در برخی از مقالات، به طور جزئی، مورد بررسی قرار گرفته است.
تجزیه و تحلیل تئوری مربوط به این فرایندها که در حقیقت با در نظر گرفتن اصول فیزیکی و مکانیزم های مرتبط برای هر مرحله، انجام شده است، بسیار مفید می باشد زیرا با بررسی آن، اطلاعات و بینش خوبی در مورد روش های فرآوری مورد استفاده بدست می آید و فرایند فرمولاسیون ریاضی و یا حتی شبیه سازی های مهندسی را تسهیل می کند. این کار در حقیقت موجب می شود تا پاسخ به این سوال داده شود که چگونه یک محصول خاص، کار می کند و چگونه یک محصول، با یک شیوه ی خاص، تولید می شود. همچنین پاسخ این سوال مشخص می شود که چرا یک پیکربندی خاص بهترین و مناسب ترین پیکربندی برای استفاده می باشد. سوال آخر در حقیقت، سوال از منظر مهندسی می باشد. برای این دلایل، ما در ادامه، به پاسخ این سوالات می پردازیم.
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
در این عملیات ها، تکمیل کننده ی فرایند پلیمری، محصولات پلاستیکی نهایی را از قرص های پلاستیکی فرآوری شده، تولید می کند. این قرص های پلاستیکی مورد استفاده، محصولی از واکنش رآکتیو ثانویه، ترکیب سازی و یا مخلوط سازی پلیمرها با همدیگر، می باشد. این قرص ها به تنها فرآوری می شوند و یا در مورد محصولات رنگی، می توان، پیگمنت نیز به این بخش اضافه کرد. همانگونه که در شکل 1 مشاهده می شود، مراحل اولیه از ادوات فرآوری مشابه بخش های قبلی است.
مشابه با توالی مشاهده شده در بخش سردسازی سریع، برخی از جهت گیری های ماکرومولکولی که در طی جریان یافتن پلاستیک در سطح محصولات اتفاق می افتد، که باید در تولید، به آنها توجه خاص کرد. جهت گیری های بیان شده در محصولات پلاستیکی موجب می شوند تا ویژگی های این محصولات آن ایزوتروپ شود. در مورد پلیمرهای با قابلیت کریستالی شدن، این آن ایزوتروپی، بر روی مرفولوژی ذرات نیز اثرگذارند. قابلیت اثرگذاری بیان شده در بالا، استراکچرینگ (structuring)، نامیده می شود.
استراکچرینگ همچنین در فرایندهای پس از شکل دهی نیز ایجاد می شود. این مسئله در واقع در فرایندهایی ایجاد می شود که پس از شکل دهی پلیمر، بر روی آنها انجام شده است و موجب ماکزیمم شدن جهت گیری مولکولی بدون اثرگذاری بر روی یکپارچگی مکانیکی محصول، می شود.
عملیات های فرآوری این- لاین پلیمرها
عملیات های تولید محصولات پلیمری، ممکن است سومین یا دومین فرایند ترمومکانیکی هستند که پلیمر پایه دریافت می کند. از آنجایی که پلیمرها مستعد تخریب گرمایی هستند، در هر یک از این سیکل های ذوب کردن و خنک سازی، هزینه ای پرداخته خواهد شد. تلاش های زیادی در زمینه ی توسعه ی فرایندی شده است که در صنعت پلیمر، به آن، عملیات های فرآوری این- لاین (in-line processing operations)، گفته می شوند. این عملیات ها و ادوات مورد استفاده در آن، بعدا و در انتها، توصیف می شوند. در واقع استفاده از این فرایند، موجب کاهش هزینه ها، کاهش تخریب محصولات پلیمری و جلوگیری از افت خواص افزودنی های مورد استفاده، می شود. این فرایند جدید است و نیازمند مزدوج سازی عملکردهای و کنترل خاص بخش ها می باشد. عملیات های فرآوری این-لاین پلیمریف در شکل 2 نشان داده شده اند.
علاوه بر این، از آنجایی که تولید کننده ی نهایی و تولید کننده ی اولیه، در یک جا قرار دارند، خواص محصول نهایی به خوبی با توجه به خواص خط تولید، تعیین می شود. یک چنین قابلیتی تکمیل کننده ی فرایند را قادر می سازد تا به نیازهای بازار، به خوبی جواب دهد و بتواند تولید انبوه و مناسبی را در زمان مناسب، انجام دهد. یک چنین توسعه ها و رویه هایی، به دلیل فاز انتقالی کنونی مربوط به صنعت پلیمر و فرآوری پلیمرها، شاخص می باشد (جدول 1 بخش دوم این مقاله). این امید وجود دارد که این دوره راهی برای آینده باز می کند و بدین صورت، فرایندهای پلیمری به سطح ماکرومولکولی می رسد.
تجزیه و تحلیل فرآوری پلیمرها در مراحل اولیه و روش های شکل دهی
زمینه ی فرآوری پلیمرها، به صورت سنتی مورد بررسی قرار گرفته است و روش های فرآوری غالب مانند اکستروژن، قالب گیری تزریقی، قالب گیری بادی، مخلوط سازی و پراکنده سازی، قالب گیری چرخشی و ... مورد بررسی قرار گرفته اند. در مقایسه با مهندسی شیمی، این فرایندها به عنوان عملیات های واحد مربوط به فرآوری پلیمرها، در نظر گرفته می شوند. در زمان نوشتن این مقاله، با توجه به توسعه و تکامل کامل مهندسی پلیمر، ما فهمیدیم که این ضروری است که روش های کلاسیک مربوط به تجزیه و تحلیل در این زمینه، مورد بررسی قرار گیرند. علت این مسئله در حقیقت، روشی است که در آن یک زمینه به المان های ترکیبی اش، تقسیم بندی می شود و موجب افزایش یادگیری می شود. یک تجزیه و تحلیل کامل بر روی کار، شامل بررسی ساختار زمینه هایی است که به منظور نیل به این اهداف، مورد بررسی قرار گرفته است. این موارد عبارتند از:
1. تمرکز بر روی یادگیری اصول مهندسی و علمی که اساسی برای تمامی فرایندهای مورد بررسی هستند.
2. کمک کردن به توسعه و ایجاد تفکر مهندسی که منجر به طراحی های بهبود یافته و جدید می شود.
3. مهیا نمودن دید کلی در مورد این زمینه و تسهیل سریع و ادغام ساده ی اطلاعات جدید
یک ربع قرن بعدتر، تجزیه و تحلیلی که ما ارائه کردیم و چیزی که بعدها، مورد بحث قرار می دهیم، برای برطرف نمودن اهداف پیش تعریف شده، مناسب می باشند و موجب می شود تا به سمت جلو حرکت کنیم.
مراحل شکل دهی
اولین مرحله ای که ما در تجزیه و تحلیل فرآوری پلیمر، به آن توجه می کنیم، تعریف واضح اهداف می باشد. در این مرحله، هدف، بی شک، شکل دهی محصولات می باشد. فرایند شکل دهی می تواند پس از انجام فرایندهای دستکاری متعددی بر روی پلیمر، انجام شود. این فرایندها موجب اصلاح خواص و بهبود ظاهر می شود. با وجود این، سهولت فرآوری پلیمرها، هنوز عملیات شکل دهی است. انتخاب روش شکل دهی بوسیله ی هندسه ی محصول دیکته می شود و برخی اوقات، روش های شکل دهی جایگزینی نیز موجود می باشد. البته روش مورد استفاده، بیشتر به هزینه های روش ها، وبسته می باشد. بررس روش های شکل دهی مختلف در صنایع، این مسئله را نشان می هد که ما می توانیم این روش ها را به گروه بندی های زیر، طبقه بندی کنیم:
1. کلندریگ (Calendering) و پوشش
2. شکل دهی قالبی
3. پوشش دهی قالبی
4. قالب گیری و ریخته گری
5. شکل دهی کششی
اولین روش شکل دهی در واقع فرایند پیوسته و پایدار است. این روش، از جمله قدیمی ترین روش ها می باشد و به طور گسترده ای در صنعت پلاستیک و لاستیک، استفاده می شود. این روش شامل کلندرینگ کلاسیک و انواع فرایندهای پوشش دهی پیوسته مانند پوشش دهی چاقویی و یا غلطکی.
شکل دهی قالبی که شاید مهم ترین روش شکل دهی صنعتی است، شامل تمام فرایندهای شکل دهی ممکنه است که در آن، اعمال نیرو بر یک مذاب از طریق یک قالب انجام می شود. در میان این روش ها، ریسندگی الیاف و شکل دهی صفحات، لوله ها، تیوب ها و شکل دهی پروفایل ها و پوشش دهی سیم و کابل ها، از این روش انجام می شود. این فرایند، یک فرایند پیوسته و پایدار است که برخلاف سه روش بیان شده در آخر، یک فرایند سیکلی است.
عبارت "پوشش دهی قالبی" در حقیقت، بیان کننده ی روش های شکل دهی مانند پوشش دهی قالبی، قالب گیری اسلش (slush molding)، پوشش دهی پودری و قالب گیری چرخشی است. تمام این فرایندها، شامل تشکیل یک پوشش نسبتاً ضخیم بر روی سطح داخلی و یا خارجی یک قالب می باشد.
روش شکل دهی بعدی، قالب گیری و ریخته گری است که شامل تمام روش های مختلفی است که در آن، قالب با پلیمرهای ترموست و ترموپلاست پر می شوند. این روش ها به طور گسترده برای شکل دهی، استفاده می شوند. از جمله این روش ها، می توان به روش قالب گیری تزریقی، قالب گیری انتقالی و قالب گیری فشاری، ریخته گری اولیه ی مونومرها و یا پلیمرهای با وزن مولکولی پایین و پلیمریزاسیون درجای این محصولات در قالب می باشد.
در نهایت، شکل دهی کششی همانگونه که از نام آن مشخص می شود، شامل شکل دهی پلیمرهای پیش شکل دهی شده، بوسیله ی کشش می باشد. شکل دهی گرمایی، قالب گیری بادی، قالب گیری بادی کششی و شکل دهی سرد می تواند به عملیات های شکل دهی ثانویه، طبقه بندی شوند. سه فرایند اول، به طور گسترده ای، مورد استفاده قرار می گیرند.
خواص رئولوژی پیچیده ی مذاب های پلیمری، نقش قالب را در فرایندهای شکل دهی، ایفا می کنند. بنابراین، معرفی یکی از جنبه های قابل توجه مربوط به سیال های غیر نیوتونی، که در حقیقت، نازک شوندگی در حین اعمال تنش برشی است، به طور موفقیت آمیز در تجزیه و تحلیل جریان مذاب در داخل ادوات فرآوری پلیمرها، استفاده شده است. به طور مشابه، با اعمال ابزارهای پیچیده و مدرن و استفاده از روش های عددی، می توان از طبیعت الاستیک پلیمرها استفاده کرد مخصوصاً در شکل دهی کششی.
همانگونه که قبلا گفته شد، در طی شکل دهی و عملیات های پیش شکل دهی، ساختارسازی (Structuring) مناسب به گونه ای که جهت گیری ماکرومولکولی و مرفولوژی های خاص، حفظ شود، می تواند در خواص نهایی محصول پلاستیکی، مؤثر باشد. ساختارسازی یکی از مسائل تکنولوژیکی مهم در تولید می باشد. یادگیری جزئی ساختارسازی، نیازمند قابلیت توصیف کمی جریان رئولوژیکی مذاب، انتقال حرارت، جوانه زنی و کریستالیزاسیون تحت تنش، می باشد. کار در این زمینه، در حال انجام می باشد.
مراحل اولیه
پلیمر عموماً به صورت گرانول به تکمیل کننده، فروخته می شود. شکل دهی پلیمرها تنها بعد از یک سری عملیات های آماده سازی بر روی این پلیمرها، انجام می شود. طبیعت این عملیات ها، تا حد زیادی، شکل، اندازه، پیچیدگی، انتخاب و هزینه های ماشین آلات فرآوری را تعیین می کند. از این رو، اهمیت یادگیری این عملیات ها نمی تواند بیش از حد، مورد تأکید قرار گیرد. یک یا بیش از یکی از این عملیات ها، می تواند در تمام عملیات های ماشینی یافت شود و ما به آنها به عنوان مراحل اولیه ی فراوری پلیمری، اشاره می کنیم.
5 مرحله ی اولیه ی تشخیص داده شده، به طور واضح وجود دارد:
1. وارد کردن ذرات جامد
2. ذوب کردن
3. فشردن و پمپ کردن
4. مخلوط کردن
5. جداسازی مواد فرار
تعریف وارد کردن ذرات جامد در واقع به عنوان مرحله ی اول از فرایند، شامل اضافه نمودن ذرات جامد به سیستم می باشد که در حقیقت، موجب بروز خواص منحصربفرد در سیستم می شود. مسائلی همچون تراکم ذرات، آگلومره شدن آنها، تثبیت، جریان گرانشی، قوس و میزان تراکم آنها در هاپر و جریان مکانیکی القا شده، باید به خوبی فهمیده شود تا بتوان طراحی مناسبی از ماشین آلات فرآیند و همچنین کارخانه ی فرآوری داشت.
بعد از عملیات مخلوط سازی با ذرات افزودنی، پلیمر باید پیش از شکل دهی، ذوب یا حرارت دهی شود. اغلب این مرحله آهسته ترین مرحله است و از این رو، مرحله ی تعیین کننده ی نرخ فرایند فرآوری پلیمر، محسوب می شود. چندین محدودیت بواسطه ی خواص گرمایی و فیزیکی پلیمر، در مورد نرخ ذوب شدن تحمیل می شود. خواص مؤثر در اینجا، رسانایی گرمایی پایین و تخریب گرمایی می باشد. در واقع مورد اول بر روی نرخ انتقال حرارت به ماده اثرگذار است و مورد بعدی، به دلیل حد پایین تحمل دمایی پلیمر، ایجاد می شود. به عبارت دیگر، مزیت افزایش نرخ ذوب شدن، ویسکوزیته ی بالای مذاب پلیمری است که موجب می شود تا نقش پراکندگی انرژی ویسکوز (VED) از منبع حرارتی، تغییر کند. اتلاف انرژی پلاستیک (PED) از تغییر شکل فشاری و برشی ذرات جامد پلیمری در ادوات متحرک دوقلو مانند Co-TSE ایجاد می شود. در حقیقت استفاده از این ادوات است که موجب می شود تا ذوب شدن یکنواخت در توده ایجاد شود. تمام این فاکتورها بر روی نیاز به پیدا کردن بهترین پیکربندی تمرکز می کنند و بدین شیوه، بالاترین نرخ ممکنه برای ذوب شدن، حاصل می شود و بدین صورت، برای تعیین ادوات مورد نیاز برای فرآوری، نیاز به ذوب شدن سریع و مؤثر می باشد.
پلیمر مذاب باید پمپ شود و به گونه ای تحت فشار قرار گیرد که بتوان، عمل شکل دهی را به خوبی انجام داد. برای مثال، این فشار برای ایجاد یک جریان مناسب در میان قالب و یا قالب ها ضروری است. این مرحله ی اولیه، مرحله ی فشردن و پمپ کردن، نامیده می شوند. در واقع این مرحله، به طور قابل توجهی به خواص رئولوژیکی مذاب پلیمری وابسته می باشد و به طور عمیق بر روی طراحی فیزیکی ماشین آلات فرآوری، اثرگذار است. فشردن و ذوب کردن ممکن است به طور آنی انجام شود و فرایندهایی باشد که با همدیگر، تداخل دارند. علاوه بر این، در همین زمان، مذاب پلیمری همچنین مخلوط سازی می شود تا از ایجاد جریان لایه ای در داخل توده ی پلیمر، جلوگیری شود. مخلوط سازی مذاب به صورت توزیعی انجام می شود تا بدین صورت، یک مذاب با دمای یکنواخت و ترکیب یکنواخت، حاصل شود. در واقع این فرایندها، موجب بهبود خواص سیستم می شود. فرایندهای اختلاط مختلفی شامل مخلوط سازی پراکنشی (dispersive mixing) پلیمرهای غیر قابل امتزاج پذیر، شکسته شدن ذرات آگلومره ای و پرکننده، در فرایند مخلوط سازی، استفاده می شود.
مرحله ی اساسی آخر، در حقیقت حذف مواد فرار است. این مرحله یکی از مراحل مهم در آمیزه سازی و ترکیب کردن ذرات در پلیمرها می باشد، البته این فرایند در اکثر فرایندهای پلیمری، مورد استفاده قرار می گیرد. برای مثال، در یک SSE دو مرحله ای، از حذف مواد فرار استفاده می شود. این مرحله ی اساسی شامل پدیده های انتقال توده ای و مکانیزم های جزئی می باشد که در برخی از مقالات، به طور جزئی، مورد بررسی قرار گرفته است.
تجزیه و تحلیل تئوری مربوط به این فرایندها که در حقیقت با در نظر گرفتن اصول فیزیکی و مکانیزم های مرتبط برای هر مرحله، انجام شده است، بسیار مفید می باشد زیرا با بررسی آن، اطلاعات و بینش خوبی در مورد روش های فرآوری مورد استفاده بدست می آید و فرایند فرمولاسیون ریاضی و یا حتی شبیه سازی های مهندسی را تسهیل می کند. این کار در حقیقت موجب می شود تا پاسخ به این سوال داده شود که چگونه یک محصول خاص، کار می کند و چگونه یک محصول، با یک شیوه ی خاص، تولید می شود. همچنین پاسخ این سوال مشخص می شود که چرا یک پیکربندی خاص بهترین و مناسب ترین پیکربندی برای استفاده می باشد. سوال آخر در حقیقت، سوال از منظر مهندسی می باشد. برای این دلایل، ما در ادامه، به پاسخ این سوالات می پردازیم.
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
