فرایندهای پلیمری (5)

اکستروژن تور یا شبکه

اکستروژن تور یا شبکه می تواند از طریق استفاده از دو قالب هم محور و با طراحی خاص انجام شود. در این قالب ها، اسلات هایی وجود دارد که می توانند بچرخند و یا نوسان کنند و بدین صورت، طرح هایی مشابه طرح های شکل 1، تولید می شوند. از نتلون می توان در این فرایند استفاده کرد. در طی اکستروژن، وقتی اسلات های حلقه ی داخلی و خارجی در هر گره می خورند، شبکه و زمانی که در حالت مخالف هستند، بخش های شبکه، تولید می شوند. کاربرد محصولات نتلونی شامل توری های مورد استفاده در بسته بندی میوه و سبزیجات و ... می باشد.

اکستروژن پروفیل

اکستروژن پروفیل موجب تولید طول های پیوسته ای از پلاستیک ها می شوند که دارای سطح مقطع با اندازه و شکل یکسان است. شکل 2 نشاندهنده ی مثال هایی از قطعات PVC اکسترود شده، می باشد. این ممکن است مناسب نباشد که پانل های PC ساختاری را به عنوان اکسترودر پروفایل طبقه بندی کرد، در حقیقت این پانل ها، پانل های مسطحی هستند که دارای سلول های و صفحات چندگانه ای در سطح مقطع خود می باشند. این محصولات به همراه رنگدانه های مختلف و در رنگ های مختلف، تولید می شوند تا بدین صورت، بتوان این قطعات را با سایر قطعات سقف، ترکیب کرد. این قطعات نور را از خود عبور می دهند و بنابراین، موجب صرفه جویی در مصرف انرژی می شود. استفاده از فلس های آلومینایی به میزان 1 % در PC موجب می شود تا میزان دریافت گرما از سقف، تا میزان 50 % افزایش یابد و هنوز هم، سطح مناسبی از نور بوسیله ی این قطعات، دریافت شود. برخی از پانل ها، دارای لایه های ضد نور فرابنفش نیز می باشند که تابش های مضر فرابنفش را جذب می کنند.

ریسندگی الیاف

تولید الیاف مصنوعی که در آنها از اکسترودر، استفاده می شود، به ریسندگی از حالت مذاب، معروف است. این واژه از واژه ی ریسندگی نشئت می گیرد. در حقیقت، در این روش، الیاف طبیعی به صورت الیاف و نخ های طویل، تبدیل می شوند. در ریسندگی مذابی با استفاده از یک قالب، که به آن نخ ریس (spinneret) می گویند، یک صفحه ی مسطح حاوی هزاران سوراخ با قطری در حد میلیمتر، مورد استفاده قرار می گیرد. نخ ریس به صورت عمودی در بخش پایینی قرار داده می شود و بدین صورت، فیلمان ها یا المان اکسترود شده، ابتدا شکل دهی و سپس بوسیله ی هوا، خنک سازی می شوند. این فیلمان ها از غلطک ها عبور می کنند و بدین صورت، سرعت چرخشی بر روی الیاف کشش اعمال می کند. این مسئله موجب ایجاد جهت گیری در مولکول ها می شود. یک سری الیاف که به آن طناب گفته می شود، می تواند با اندک پیچش در نخ ها، ایجاد شوند.

گرانول سازی با رشته

گرانول سازی با رشته، در حقیقت اکسترود کردن مذاب از میان یک قالب می باشد (شکل 3). رشته ی ایجاد شده، سپس از داخل حمام آب می گذرد و پس از خنک سازی، آب موجود بر روی رشته با استفاده از دمش هوا و یا خلأ حذف می شود. سپس این رشته ها، در اندازه های مورد نظر، بریده می شوند. انواع مختلفی از سیسم های گرانول ساز، وجود دارد.

اکستروژن لوله و تیوب

اکستروژن لوله و تیوب، در حقیقت شامل استفاده از یک قالب حلقه ای با قطر مناسب و ضخامت شکاف مناسب می باشد. قالب حلقه ای و قطر سوراخ ها و طول آنها بسته به اندازه ی نهایی و نوع پلیمر اکسترود شده، طراحی می شوند. قالب و پین ها، باید به دقت طراحی شوند تا بدین صورت، یک سطح مقطع اکسترود شده ی مناسب، تشکیل شود. پلیمرهای مختلف، دارای سرعت های کشش مختلفی هستند. نایلون ها دارای سرعت کشش بیشتری نسبت به پلی اولفین ها، هستند.
در کاربردهای خاص، نیازمند تیوب های چند لایه و یا ترکیبی هستیم. در این کابردها، نیازمند کو- اکستروژن هستیم در حقیقت، در این روش ها، یک سری اکسترودر استفاده می شود که به طور آنی، وارد یک قالب می شوند. این مسئله موجب می شود تا بتوان تیوب ها و یا لوله هایی با ویژگی های ترکیبی تولید کرد. به هر حال، این مسئله مهم است که بدانید که تمام پلیمرها را نمی توان با روش کو- اکستروژن، شکل دهی کرد. در حقیقت، یکی از این پلیمرها که نمی توان از روش کو- اکستروژن شکل دهی شوند، پلیمرهایی است که دارای خواص ذوبی متفاوت هستند. مثلا PC در دمایی در حدود 280 درجه ی سانتیگراد، فرآوری می شود در حالی که در این دما، PVC تخریب گرمایی می شود. PVC و استات نیز تطابقی با هم ندارند.
لوله های خط دار، روشی مناسب برای تولید لوله های بزرگ و صلب می باشد که در حقیقت، سبک تر از لوله های معمولی هستند. این لوله ها با استفاده از سیستم های قالب / مندرال تولید می شوند. در این قطعات، یم لایه ی داخلی نرم و یک لایه ی خارجی سخت تر اکسترود می شوند تا بدین صورت، یک سیستم ترکیبی تشکیل شود. شکل 4 تصویری از لوله های خط دار را نشان می دهد که تحت شرایط بیان شده در بالا، تولید شده اند.

قالب گیری دمشی

این فرایند دومین مرحله بعد از اکستروژن و یا قالب گیری تزریقی است. برخی از محصولات پیش از دمش هوای فشرده، نیازمند خم شدن مکانیکی هستند. مراحل قالب گیری دمشی در شکل 5 نشان داده شده اند. قالب گیری تزریقی- دمشی شامل قالب گیری تزریقی و سپس انتقال قطعات به ماشین دیگری است که عمل قالب گیری دمشی در آن، انجام می شود. این فرایندد برای قالب های کوچک مناسب می باشد. PP، PE، PET، PVC برای تولید بطری، ظروف درباز، محفظه ها، درام های آب، تانک های سوخت وسایل، دامت ها و ... استفاده می شوند. قالب های مورد استفاده در این کاربردها، می تواند از آلومینیوم نیز ساخته شوند (به جای استفاده از فولاد ابزار). در حقیقت، فشار مورد استفاده در قالب گیری دمشی بسیار کمتر از فشار مورد استفاده در روش قالب گیری تزریقی است. بنابراین، تغییر شکل قالب در این روش، کمتر است. علاوه بر سایش کمتر قالب در طی قالب گیری بادی، مواد پلیمری در طول سطح قالب، جریان نمی یابند (این مسئله در قالب گیری تزریقی، مشاهده می شود و موجب سایش قالب می شود). میزان شرینکیج مربوط به قالب گیری تزریقی دما بالا، مشابه سایش قالب ها، بالاست.
این فرایند ضایعاتی را بر روی نمونه ایجاد می کند که نیاز است آنها بریده شوند. این ضایعات بر روی یک بطری شیر 2 لیتری از جنس HDPE در شکل 6 مشاهده می شود. شکل همچنین سایر ویژگی های مربوط به قالب گیری پلاستیک ها که موجب شده است این مواد بوسیله ی بسیاری از تولیدکننده ها، جایگزین بطری های شیشه ای شود را نشام می دهد. این جایگزینی به دلیل مزیت هایی است که پلاستیک در این کاربرد دارد از جمله، وزن پایین تر و تافنس بالاتر. بسته به کاربرد، سایر ملاحظات وجود دارد که باید برطرف شوند. برای مثال، بطری های مورد استفاده برای نوشیدنی های غیر الکلی باید دارای:
شفافیت بالا
عدم نفودپذیری در برابر گاز
مقاومت به خزش بالا باشند.
به منظور برطرف شدن این الزامات در بطری های PET، مراحل تولید زیر، پیشنهاد شده است:
قطعات PET تولیدی باید با قالب گیری تزریقی و سرد شدن سریع در قالب در دمایی زیر دمای T_g، به صورت آمورف باشند.
این قطعات باید تا دمایی بالاتر از دمای T_g≈130℃ حرارت داده شوند تا بدین صورت، جریان یافتن پلاستیک تسهیل گردد و همچنین کریستالیزاسیون نیز رخ ندهد.
قطعات باید به صورت مکانیکی و در طول، کشیده شوند و سپس
قالب گیری دمشی بر روی آنها انجام شود و بدین صورت، شکل مورد نظر، ایجاد گردد.
کشش مکانیکی و همچنین قالب گیری دمشی، موجب می شود تا ماده اندکی کریستالی شود (در حدود 15-20 %) و همچنین جهت گیری مولکولی در آنها ایجاد شود. کریستالیت ها در این قطعات بسیار کوچک هستند و از این رو، اسفرولیت هایی تولید نمی کنند که بر روی شفافیت بطری ها، اثرگذار باشند. در حقیقت وجود آنها، مقاومت به خزش و نفوذ دی اکسید کربن را نیز افزایش می دهد.
واژه ی ترموفورمینگ و یا شکل دهی تحت خلأ، اغلب به طور معادل، مورد استفاده قرار می گیرند. به هر حال، در ترموفورمینگ، بیشتر از فشار هوا و فشار مکانیکی برای شکل دهی صفحات پلیمری نرم، استفاده می شود. ترموفورمینگ اغلب اتوماتیک انجام می شود و بنابراین، سیکل کاری سریع تری نسبت به شکل دهی تحت خلأ دارد. در این روش، از صفحات پلاستیکی بر روی غلطک های پیوسته استفاده می شود. این فرایند و تفاوت های آن، به طور جزئی، بوسیله ی Strong در سال 1996 توصیف شده است.
مواد متداولی که در این فرایند استفاده می شوند، عبارتند از PS، ABS، PVC ، اکریلات، PC، HDPE، PP و LDPE. فرایند شکل دهی تحت خلأ، فرایند ساده تری است (شکل 7). یک صفحه بر روی باکس خلأ قرار داده می شود و سپس یک هیتر بر روی آن قرار داده می شود. هیتر ممکن است شامل المان های فروسرخی باشد که در داخل صفحه ی رفلکتوری آلومینیومی قرار دارد. همچنین این هیترها، می توانند از سیم های مقاومتی نیکل- کروم، میله های فلزی، آون های هوای گرم، المان های سرامیکی و یا تیوب کوارتزی، استفاده کنند. وقتی صفحه ی پلیمری، به اندازه ی کافی نرم شود و شروع به افتادن کند، به پایین کشیده می شود و سپس قالب را به خود می گیرد. بعد از سرد شدن قطعه، از قالب جداسازی می شود. شکل 7 نشاندهنده ی یک صفحه ی پلیمری است که به طور جزئی، بر روی باکس خلأ کشیده شده است. در این فرایند، قالب، از جنس قالب ماده می باشد. به طور عکس، صفحه ی حرارت داده شده، می تواند به صورت مکانیکی از قالب نر حذف شود و بر روی بخش مورد نظر قرار داده شود و سپس به طور همزمان، خلأ بر روی حفرات تهویه ی موجود در قالب اعمال شود تا بدین صورت به صفحه نیرو وارد شود و شکل نهایی بدین وسیله، تشکیل شود. برای توصیف بهتر، به کارهای انجام شده بوسیله ی Strong در سال 1996، مراجعه کنید. در تمام این فرایندها، عملیات شکل دهی با سرد کردن متعاقب، همراه است و اغلب، با استفاده از هوا، و استفاده از عملیات های ثانویه، محصولی مناسب، از این قالب ها، تولید می شود.
فرایند کشش صفحات موجب می شود تا صفحه در برخی بخش ها، نازک تر شود، مخصوصاً در بخش های کشش یافته. میزان عمق کشش بوسیله ی پارامتری توصیف می شود که نرخ کشش نامیده می شود. این نرخ به صورت زیر بیان می شود:
نرخ کشش = (ضخامت صفحه) / ضخامت قطعه)
نرخ کشش= مساحت سطح قالب شکل دهی و یا قطعه)/ (مساحت سطح صفحه ی پلاستیکی)
یک نرخ کشش واقعی در واقع میزانی از جهت گیری دوقطبی است که در طی شکل دهی، صفحه ی حرارت داده شده، متحمل می شود. یک نرخ کشش خطی می تواند با حکاکی یک خط با طول مشخص بر روی صفحه ی پلاستیکی، تعیین شود. در حقیقت، نرخ کشش در واقع میزان افزایش طول این خط حکاکی شده، می باشد.
عمقی که ماده تحت کشش قرار می گیرد، برای تعیین بهترین روش مورد استفاده، مفید می باشد. برای کشش های با عمق متوسط، یک شکل دهی تحت خلأ با قالب ماده، مناسب است. برای محصولاتی که نیازمند نسبت کشش عمقی بزرگتر از 2 به 1 است، شکل دهی پیش کششی با قالب نر و یا شکل دهی با کمک قالب ماده، پیشنهاد می شود.
پیش کشش: این کار برای حصول یک دیواره ی با ضخامت یکنواخت مناسب است. ابتدا یک حباب کوچک آماده می شود و سپس قالب نر بر روی صفحه ی پیش کشش داده شده، قرار داده می شود.
برخی مواقع از روش مکانیکی برای قرار دادن ماده در داخل قالب ماده، استفاده می شود.
محصولات شکل دهی شده با خلأ، عبارتند از: سینی های بسته بندی PS، جعبه ی بسته بندی تخم مرغ، عایق کاری یخچال ها و تیوب های مورد استفاده در بسته بندی غذا، قایق ABS، کاروان ها و بدنه ی وسایل و تخته ی موج سواری. قالب ها می توانند از جنس چوب باشند اما در این کاربرد، رزین های اپوکسی تقویت شده یا آلومینا، در این کاربرد، ترجیح داده می شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Introduction to polymer science and technology/ Mustafa Akay