فرایندهای پلیمری (6)

قالب های چرخنده
فرایند قالب های چرخنده، شامل عملیات های زیر است (شکل 1): شارژ قالب: یک میزان پیش تعیین شده از پودر پلیمری در داخل قالب قرار داده می شود. سپس قالب بسته می شود و در داخل آون، قرار داده می شود.
حرارت دهی و ذوب شدن: وقتی قالب در داخل آون قرار داده می شود، قالب حول دو محور چرخنده، می چرخد. سرعت چرخش نسبتاً پایین است و این سرعت در حقیقت کمتر از 20 rev/min می باشد. آون مورد استفاده، عمدتاً از جنس آون های مجهز به سیستم هواگرد با مشعل های گازی است و بنابراین، قالب ها بواسطه ی همرفت، گرم می شوند. در طی فرایند، گرانول ها یا ذرات پلاستیکی، در کف حفره ی مربوط به قالب چرخنده، قرار می گیرند. وقتی قالب گرم تر می شود، پودر به سطح قالب می چسبد و با ذوب شدن این ذرات، ذرات به هم چسبیده و شکل قالب را به خود می گیرند. سطوح قالب می توانند عایق کاری شوند (شکل 2) و بنابراین، در طی سیکل حرارت دهی، سرد باقی می ماند و بدین صورت، مقطعی با ضخامت دیواره ی کمتر تشکیل می شود. وقتی مذاب به یک میزان مناسبی، انجماد پیدا می کند، قالب با هوا یا آب سرد می شود و پلیمر، به شکل مناسبی تبدیل می شود.
جدا شدن قطعه از قالب و یا خروج قطعه
وقتی پلیمر به اندازه ی کافی سرد می شود، شکل قالب را به خود می گیرد و به سهولت جداسازی می شود. قالب بدین شیوه باز می شود و محصول، از آن جدا می شود. در این زمان، پودر را می توان دوباره در داخل قالب ریخت و سپس سیکل تکرار گردد.
این محصولات اغلب نیازمند فرایندهای ثانویه مانند تراشیدن بخش های اضافی، رنگ آمیزی، عملیات های سطحی، اتصال دهی قطعات مختلف و ... می باشند.
فرایند قالب گیری چرخشی، موجب می شود تا امکان تولید قطعات توخالی بزرگ، مقدور شود. این قطعات عاری از تنش هستند و خطوط جوش در آنها یافت نمی شود. همچنین در این فرایند از قالب های ارزان قیمت، استفاده می شود. مواد متداول مورد استفاده در این فرایند، شامل پلی اتیلن ها (LDPE، LLDPE، MDPE و HDPE)، PP، اتیلن وینیل استات و PVC می باشد. برای برخی کاربردها، PE با پیوند عرضی نیز، استفاده می شود. محصولات نمونه وار شامل محصولات کشاورزی (مانند فیدرها، کاسه های آب خوری، چرخ فلک (شکل 3))، تانک های آب و مواد نفتی، تانک های ذخیره سازی آب باران، سوخت دیزل و تانک های هیدرولیکی و ... می باشد. ماشین های قالب گیری چرخشی با قطر چرخش خود تعیین می شوند. دو نوع قالب چرخنده، وجود دارد:
1. قالب های با بازوی پایین (شکل 4a) : مناسب برای قالب های متوسط و بزرگ
2. قالب های با بازوهای مستقیم (شکل 4b): مناسب برای قالب های کوچک چند تایی بیشتر ماشین های قالب گیری مدرن، شامل چرخش های دو محوره ی کامل در بالا دو محور عمود بر هم می باشد و این ماشین ها، به عنوان ماشین های شاتلی و یا ماشین های چرخ فلکی، طبقه بندی می شوند. این طبقه بندی بر اساس حالت های باز شدن آنها و همچنین وضعیف چرخش آنها می باشد. ماشین های شاتلی شامل دو کارتریج قالب می باشند که هر کدام دارای یک مدولار بازویی منفرد می باشند. این ماشین ها به صورت خط مستقیم و بر روی ریل باز می شوند. این سیستم شامل یک آون و دو ایستگاه خنک سازی و سرویس دهی است. در طی عملیات، کارتریج یا قالب در آون، به سمت ناحیه ی سردسازی یا سرویس دهی، حرکت می کند و بدین صورت، قالب دیگر، وارد آون می شود. در همین حال، قالب دیگری، در ناحیه ی سرویس دهی قرار داده می شود. استفاده از کارتریج دوتایی موجب بهبود بازده می شود زیرا همواره قالب در داخل اون قرار دارد و قالب دیگر، نیز سرد سازی و آماده ی عملیات مجدد می شود.
ماشین های چرخ و فلکی از بخش آون به صورت چرخ و فلکی، خارج می شوند. در حقیقت، قالب از بخش آون به بخش سرویس دهی و سرد شدن، حرکت می کند. در این ماشین، قطعه پس از خنک سازیی در بخش سرویس دهی، از قالب خارج شده و سپس شارژ جدید، وارد قالب می شود.
ماشین های چرخ و فلکی در دو حالت مختلف، وجود دارد: یکی ثابت و دیگری غیر مستقل. در ماشین ثابت، سه یا چهار بازو، موجب انتقال قالب به داخل و خارج از ایستگاه می شود. قالب زمان یکسانی را در محفظه ی عملیاتی می گذرانند و بنابراین، ماشین ثابت دارای قالب های مشابهی است. ماشین های چرخ و فلکی غیر مستقل می توانند بازوهای بیشتری داشته باشند و می توانند با انواع مختلف قالب، تطبیق پیدا کنند. البته این بازوها، قابلیت چرخش خاصی دارند و از این رو، موجب می شود تا زمان نگهداری در محفظه، برای قالب های مختلف، متفاوت باشد. این مسئله موجب می شود تا بتوان قالب های با اندازه ی مختلف را به طور آنی وارد آون کرد.
اندازه گیری دمایی برای ارزیابی فرایند انجام می شود. همچنین می توان پروفایل های دمایی و زمانی مختلفی در کوره ایجاد کرد. این پروفایل ها، به نوع پلیمر، وابسته می باشد. سیم های ترموکوپل، گاها در داخل قالب نیز قرار داده می شود تا بتوان دمای داخل قالب نیز ارزیابی گردد. در زمانی که آون شروع به چرخش می کند یک اختلاف دمایی 40 درجه در داخل آون ایجاد می شود اما این انحراف دمایی به سرعت متعادل می شود.
با استفاده از PE، دمای هوای داخل قالب، به 200 درجه ی سانتیگراد می رسد. در این هنگام، دمای داخل آون، در حدود 310 درجه ی سانتیگراد می باشد. قالب به مدت 10 دقیقه در داخل آون باقی می ماند و سپس به ایستگاه سرد شدن، می رسد. چرخش ادامه می یابد و دمای به زیر 100 درجه ی سانتیگراد، می رسد. نمودار دما- زمان (شکل 5) برای دمای هوای داخل حفرات قالب نشاندهنده ی این است که دما تا نقطه ی A بالا می آید. این افزایش تابعی از دمای آون است. در این نقطه، ذوب شدن آغاز می شود و کوچکترین ذرات شروع به چسبیدن به سطح قالب می کنند. حرارت مورد نیاز برای ذوب شدن و بنابراین، افزایش دمای هوای داخلی، بین نقطه ی A و B قرار دارد. وقتی تمام پودر در نقطه ی B ذوب می شود، دمای هوای داخلی به سرعت افزایش می یابد. فرایند زینترینگ که در طی آن، ذرات پلاستیکی بر روی سطح قالب می چسبند و با نفوذ در هم، موجب تشکیل یک لایه ی هموژن می شود، از نقطه ی B شروع می شود. حالت بهینه در نقطه ی C قرار دارد و این مسئله در طی سیکل سرد کردن نیز ادامه می یابد. این در حالی است که در نقطه ی D کریستالی شدن، شروع می شود. توجه کنید که وقتی این ابزار از آون خارج می شود و در داخل محفظه ی زینترینگ / سرد شدن، قرار می گیرد، هنوز هم دمای داخل قالب بالاست و این دما سپس کم و کمتر می شود. نرخ افت دما در نقطه ی D، آهسته است که علت آن، مشارکت حرارت در فرایند کریستالیزاسیون یا انجماد می باشد. بعد از کامل شدن انجماد (نقطه ی E)، دمای هوای داخلی به طور پیوسته و با نرخی معمولی، کاهش می یابد. در نقطه ی F، پلاستیک شرینکیج می کند و از سطح ابزار، کنده می شود. البته این کار با استفاده از عوامل رهایش (معمولا محلول سیلیکونی مالیده شده بر سطح قالب)، تسریع می شود. در این حالت یک شکاف بین قطعه وقالب، ایجاد می شود. لایه ی هوای بین ابزار و سطح نمونه، به عنوان عایق عمل می کنند و سرمایش قطعه ی داخل قالب، با سرعت کمتری ادامه می یابد.
توسعه های انجام شده در زمینه ی قالب گیری چرخشی بر روی ساختارهای چندگانه با استفاده از انواع مختلف پلیمر در کاربردهای خاص مانند تانک های سوخت و یا لایه های حاوی فیبر و مواد نانویی، تمرکز دارد. همچنین تحقیقات در این زمینه، بر روی مواد زیست تخریب پذیر، لایه های پوسته ای- فومی، مواد رسانا مانند پودر آلومینویم و مس و استفاده از میکروگلوله ها، نیز در حال انجام می باشد.
یک قالب چرخشی چند لایه ممکن است حاوی سه لایه باشد: مثلا لایه ی پلی اتیلن با لایه ی ثانویه ی پلی اتیلن تقویت شده با الیاف و یا پلی اتیلن فومی شکل و لایه ی خارجی پلی اتیلنی. قطعات چند دیواره و یا قالب های فوم دار، معمولا از فرایندهای چند شارژه، تولید می شوند. شارژ اول بوسیله ی پودر پلاستیکی انجام می شود، که در حقیقت لایه ی خارجی قطعه را تشکیل می دهد. شارژ دوم حاوی پودر یا میکروذرات است که در حین سیکل حرارتی دهی و زمانی انجام می شود که دما تقریبا به نقطه ی ستاره که در در نمودار شکل 5 نشان داده شده، می رسد. سیکل حرارت دهی بعد از افزودن شار نهایی، به پایان می رسد.
روش شارژ منفرد شامل قراردادن مخلوط پلاستیکی حاوی مواد با دمای ذوب بالاتر و پایین تر در داخل قالب و یا یک مخلوط حاوی ذرات با اندازه ی بزرگتر و کوچک تر، می باشد. این محصولات به نوبت بر روی سطح قالب می نشینند و موجب تشکیل محصول می شوند.
محصولات قالب گیری شده با روش چرخشی، می توانند به شکل محفظه هایی باشند که دیواره های آنها از یک پوسته ی خارجی سخت و یک پوسته ی داخلی فومی شکل تشکیل شده باشند (شکل 6). محصولاتی نیز تولید شده است که حاوی فوم های منبسط شونده هستند. فرایند قالب گیری یک فرایند شات است و این فرایند منجر به این مسئله می شود که کل محصول، در یک زمان، تولید شود. در حقیقت، در سیستم های دو جزئی، چسبندگی خوبی بین دو لایه ی دیواره، وجود دارد. میکروذرات مورد استفاده یک راه مناسب برای تولید محصولات با این روش می باشد. در حقیقت، پودر قالب گیری دارای سطح مسطح و ناکامل است اما برای قطعات پیچیده، استفاده از میکروذرات با شکل خاص، می تواند پوشانندگی بهتری ایجاد کند. میکروذرات به راحتی شسته می شوند و بر روی سطوح مسطح باقی نمی مانند.
میکروگرانول ها و یا میکروذرات بوسیله ی گرانول سازی سریع زیر آب، تولید می شوند. فرایند شامل اکستروژن جریان گرم از مذاب به داخل آب و برش در سطح قالب می باشد.
یکی از دغدغه های مهم در زمینه ی استفاده از الیاف مهندسی مانند الیاف شیشه، الیاف موجود در پانل های طبیعی و یا نانوذرات در مواد پلیمری مورد استفاده در فرایند قالب گیری چرخشی، احتمال اعوجاج نمونه ی نهایی می باشد. برای مثال دیواره های یک محفظه ی جعبه ای شکل، ممکن است به سمت داخل خمش پیدا کنند. یک چنین اعوجاج هایی بر روی قالب ها، نتیجه ی تفاوت در ضرایب انبساط حرارتی پلیمر و افزودنی است. این مسئله موجب تولید تنش های باقیمانده ی داخلی در نمونه می شود.
وقتی پلیمرها برای قالب گیری چرخشی، انتخاب می شوند، این مهم است که گریدهایی انتخاب شوند که به سهولت فرآوری شوند و خواص مکانیکی مد نظر را به همراه ویژگی های شیمیایی و فیزیکی مطلوب را دارا هستند. مثلا وقتی PE را برای تولید تانک مواد نفتی، استفاده می کنیم، خواص مهم عبارتست از MFI (تقریباً حدود 4)، مدول خمشی و مقاومت به ترک خوردن تنشی- محیطی (ESCR).
محصولات تولیدی از روش قالب گیری چرخشی را می توان با استفاده از روش های مختلف عملیات سطحی، عمل آوری کرد. مثلا با استفاده از شات بلاست. تفلون نیز برای تسهیل آزادسازی از قالب، گاها، به صورت پوشش اعمال می شود. پوشش های تفلونی در حقیقت به همراه یک پرایمر PTFE اعمال می شوند. این پرایمر حاوی رنگ است به نحوی که مساحت اعمال شده، قابل رویت می باشد. پرایمر در دمای 110 درجه ی سانتیگراد، پخت می شود و سپس یک محلول از PTFE بر روی آن اعمال شده و در دمای 380 درجه ی سانتیگراد، پخت می شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Introduction to polymer science and technology/ Mustafa Akay