تشكيل القوالب (البلاستيك)
القالب في معالجة البوليمرات عبارة عن مُقيد أو قناة معدنية قادرة على توفير مقطع عرضي ثابت لتيار البوليمر السائل . وهذا يسمح بالمعالجة المستمرة لأشكال مثل الصفائح والأغشية والأنابيب والقضبان وغيرها من الأشكال الأكثر تعقيدًا. هذه عملية مستمرة، مما يسمح بإنتاج متواصل (بافتراض إمداد مستمر من مصهور البوليمر)، على عكس عملية متسلسلة (غير ثابتة) مثل قولبة الحقن .
عملية
عادةً ما تتم عملية تشكيل القالب مباشرةً بعد خروج البوليمر المنصهر من جهاز البثق . تتضمن العملية الأساسية توجيه تيار البوليمر المنصهر تحت ضغط عبر قالب، يمر بثلاث مناطق متميزة: المشعب، ومنطقة الاقتراب، والحافة. يعمل المشعب على توجيه البوليمر المنصهر من نقطة البثق الأولية إلى شكل قريب من الشكل النهائي للمنتج. تُواصل منطقة الاقتراب توجيه المنصهر إلى الشكل النهائي، وتبدأ في تصحيح أي تدفق غير منتظم . وأخيرًا، تُشكّل الحافة المنصهر إلى المقطع العرضي النهائي المطلوب، وتُعالج أي عدم تناسق متبقٍ في التدفق. بعد خروج البوليمر المنصهر من حافة القالب، يتعرض لتمدد القالب قبل التصلب. تمدد القالب هو تمدد المنصهر عند تخفيف الضغط، ويعتمد على التركيب الكيميائي للبوليمر وتصميم القالب. بعد التصلب، يُسحب الجزء الصلب المتصل على بكرة سحب أو يُقطع إلى أطوال قابلة للنقل، وذلك حسب نوع الجزء. قد تختلف هذه العملية اختلافًا كبيرًا اعتمادًا على نوع القالب وعملية البثق. [ 1 ]
بثق الصفائح/الأغشية
يُستخدم نوعان رئيسيان من القوالب في عملية بثق الصفائح المسطحة: القالب على شكل حرف T والقالب ذو الشكل الشبيه بشماعة الملابس. يتكون القالب على شكل حرف T من ذراعين يمتدان بزاوية قائمة من قناة البثق الأولية؛ ويحتوي كل ذراع على شق صغير على طوله للسماح بتدفق البوليمر المنصهر. ثم يُخفف المنصهر أكثر من خلال مسار قصير ومسطح قبل دفعه عبر فتحات القالب. قد يتسبب هذا التصميم في تدفق غير منتظم عبر عرض الصفيحة المبثوقة، حيث يتدفق المنصهر في المركز أسرع من تدفقه على حواف القالب، مما يؤدي إلى حدوث تقوسات وعيوب أخرى بعد خروج الصفيحة من القالب. [ 2 ]
يُعدّ قالب الشماعة تصميمًا أكثر حداثة. يختلف هذا القالب عن القالب ذي الشكل T في أن أذرعه لا تكون متعامدة مع اتجاه الإدخال، بل بزاوية أقل حدة وغالبًا ما تكون منحنية. كما أن قطر الأذرع متغير، حيث يتناقص تدريجيًا كلما ابتعدنا عن قناة الإدخال. ويكون الجزء القريب من القالب ذي الشماعة أطول من نظيره ذي الشكل T، مما يقلل من عدم انتظام التدفق. وأخيرًا، يُبثق المعدن المنصهر عبر فتحات كما في القالب ذي الشكل T.
بالنسبة لمنتجات مثل الألواح أو الأغشية البلاستيكية، يتم التبريد عن طريق تمريرها عبر مجموعة من بكرات التبريد (المعروفة أيضًا باسم بكرات الصقل أو بكرات التبريد)، وعادةً ما يكون عددها 3 أو 4 بكرات. في عملية بثق الألواح، لا تقتصر وظيفة هذه البكرات على توفير التبريد اللازم فحسب، بل تساعد أيضًا في تحديد سمك اللوح وملمس سطحه (في حالة البكرات ذات البنية المحددة؛ أي أملس، أو خشن، أو ذو خلايا شعرية، إلخ). قد يحدث عيب شائع في عملية التصنيع يُعرف باسم "العصب" عندما يكون وقت التلامس بين البكرات والمادة المبثوقة قصيرًا جدًا، مما يؤدي إلى عدم كفاية وقت التبريد.
تُعدّ عملية البثق المشترك شائعة في بثق الصفائح والأغشية، مما يسمح بإنتاج سريع للأجزاء متعددة الطبقات. ويتحقق ذلك بدمج عدة مصهورات بوليمرية إما في مرحلة التجميع أو مرحلة الاقتراب. ويمكن تشكيل طبقات ذات سماكات مختلفة عن طريق إدخال المصهورات بمعدلات تدفق مختلفة أو بأحجام تجميع مختلفة.
بثق الأغشية المنفوخة
تُصنع الأغشية البلاستيكية لمنتجات مثل أكياس التسوق والصفائح المتواصلة باستخدام خط إنتاج الأغشية المنفوخة. [ 3 ] يُغذى البوليمر المنصهر من جهاز البثق عبر قالب رأسي ذي فتحة حلقية. تتوفر أنواع عديدة من القوالب التي يمكن استخدامها، وذلك حسب متطلبات جودة الغشاء النهائية وخصائص البوليمر المنصهر: قوالب العنكبوت، والقوالب ذات الرأس المتقاطع، والقوالب الحلزونية.
يتكون قالب العنكبوت من مغزل داخلي متصل بجدار القالب الخارجي بواسطة عدة "أذرع"، وهو تصميم متوسط التعقيد. ستظهر على الفيلم الناتج خطوط لحام في أماكن وجود هذه الأذرع. هذه الخطوط أضعف من البوليمر المحيط بها، وقد تختلف عنها في خصائصها البصرية، مثل الضبابية. ويعود هذا الضعف إلى عدم اكتمال التئام مصفوفة جزيئات البوليمر. علاوة على ذلك، يتسبب تدرج الضغط الناتج عن أذرع العنكبوت في انتفاخ غير منتظم للقالب، مما يؤدي إلى تفاوت في سمك الفيلم.
تقوم أداة القطع ذات الرأس المتقاطع بتقسيم تدفق المعدن المنصهر إلى قسمين عند مدخل المجمع، ثم تعيد تجميعهما على الجانب المقابل من أسطوانة مركزية. ينتج عن هذا التصميم البسيط نسبيًا تدفق غير متماثل، حيث تستغرق الجزيئات وقتًا أطول للوصول إلى الجانب المقابل مقارنةً بالجانب القريب من الأسطوانة. ونتيجةً لذلك، لن يكون سمك الفيلم الناتج منتظمًا. وللحد من هذا التباين، يمكن تغيير أقطار المدخل، وإضافة ملحقات مختلفة لتقليل المناطق الراكدة.
يُعدّ القالب الحلزوني الأكثر تعقيدًا بين أنواع قوالب نفخ الأغشية الثلاثة الرئيسية. يُوزّع البوليمر المنصهر بالتساوي في عدة أنابيب تغذية، تلتفّ حول محور مركزي. يتصل كل أنبوب تغذية بالفراغ بين المحور وجدران القالب الخارجية؛ ويتناقص قطر أنابيب التغذية تدريجيًا أثناء التفافها حول المحور. في الوقت نفسه، يزداد الفراغ بين المحور وجدران القالب الخارجية. يسمح هذا للبوليمر المنصهر بالتراكم والامتزاج، مما ينتج عنه سطح مصهور متجانس خالٍ من خطوط اللحام. يُنتج هذا التصميم أغشيةً أكثر تجانسًا، ولكنه أيضًا الأكثر تكلفة.
يُضخ ضغط الهواء عبر قالب البثق، بحيث يتمدد البوليمر المنصهر محيطيًا بعد خروجه من حافة القالب. كما يُسحب الأنبوب على طوله بسرعة أكبر من سرعة بثقه. يؤدي ذلك إلى ترقق الغشاء أثناء تمدده في اتجاه السحب (أو اتجاه الآلة) وفي الاتجاه العرضي (أو اتجاه البثق). تُعرف نسبة القطر المنفوخ إلى القطر المبثوق بنسبة التمدد، وتؤثر على الخصائص الفيزيائية للغشاء الناتج، مثل الصلابة والمتانة. يمكن تغيير سمك الغشاء ونسبة التمدد عن طريق تعديل سرعة سحب البكرات، والضغط الداخلي في الأنبوب المنفوخ، ومعدل بثق المصهور.
أثناء سحب الغشاء لأعلى، يتم تبريده بواسطة حلقة من منفاخات الهواء، بحيث يتحول المصهور أولاً إلى مادة صلبة لزجة مرنة غير متبلورة، ثم إلى مادة صلبة شبه متبلورة، عند ما يُعرف بخط التجمد . بعد التصلب، يستمر تبريد أنبوب الغشاء المنفوخ أثناء سحبه لأعلى بواسطة عدة مجموعات من البكرات، مما يؤدي إلى تفريغ الغشاء وتشكيل أنبوب مسطح. ثم يُلف الغشاء المسطح على بكرة قبل إجراء المزيد من المعالجة أو الشحن. غالبًا ما يكون ارتفاع خط الغشاء عشرة أضعاف قطر الأنبوب المنفوخ أو أكثر؛ ويمكن أن يتجاوز طول خطوط الغشاء 30 مترًا.
بعد أن يبرد أنبوب الفيلم تمامًا، يُلفّ بواسطة عدة بكرات ضغط. ويبلغ عرض الفيلم المسطح الناتج بعد طيه نصف محيط الأنبوب المنفوخ. ثم يُلف الفيلم على بكرة كأنبوب مسطح، أو يُقسم فورًا إلى قطعتين منفصلتين. عند هذه المرحلة، يصبح الفيلم جاهزًا لمزيد من المعالجة، مثل الطباعة أو القص إلى الشكل النهائي.
بثق التغليف الخارجي
تُعدّ عملية التغليف بالبثق عملية طلاء يتم فيها تغليف الأسلاك العارية أو حزم الأسلاك المطلية مسبقًا بطبقة من البوليمر العازل. ويمكن استخدام مجموعة واسعة من المواد، حسب التطبيق المحدد. في العديد من التطبيقات، مثل الكابلات المعزولة ، يجب أن يكون البوليمر عازلًا جيدًا ومرنًا ومقاومًا للتآكل. [ 4 ]
في هذه العملية، يُسخّن سلك (أو حزمة أسلاك) مسبقًا إلى درجة حرارة أعلى من درجة التحول الزجاجي أو درجة انصهار طبقة البوليمر المراد تطبيقها. يضمن ذلك التصاق الطبقة الجديدة. بعد ذلك، يُسحب السلك المسخن مسبقًا عبر قالب يُغطيه بطبقة رقيقة من البوليمر. بفضل تصميم القوالب المستخدمة، يُمكن تحقيق معدلات بثق عالية نسبيًا مع تجنب تشقق المادة المنصهرة. ثم يُمرر السلك المطلي حديثًا عبر لهب هوائي أو غازي لتنعيم سطح الطلاء، وأخيرًا يُغمر في حمام مائي لتبريده تمامًا. تُلف الأسلاك المطلية على بكرات استعدادًا لمزيد من المعالجة، إذا لزم الأمر.
يُستخدم نوعان رئيسيان من القوالب في عملية بثق التغليف الخارجي، وكلاهما يعتمد على تصميم رأس متقاطع. وبغض النظر عن نوع القالب المستخدم، غالبًا ما يُبثق البوليمر المنصهر بسرعة أقل من سرعة السلك العاري المسحوب عبر القالب، وعادةً ما تكون هذه السرعة في حدود 1-4 أضعاف سرعة المصهور. يؤدي ذلك إلى تمدد غلاف البوليمر، وترققه، وتضييقه حول السلك المركزي، مما يزيد من تماسك الطبقة الجديدة.
النوع الأول من القوالب هو قالب حلقي، أو قالب أنبوبي/غلاف، يقوم ببثق أنبوب من البوليمر لا يلامس السلك المكشوف في البداية. ثم يُطبَّق فراغ على أنبوب البوليمر المنصهر، مما يؤدي إلى سحبه ولصقه بسطح السلك المكشوف. يُستخدم هذا النوع من القوالب عادةً لتغطية الأسلاك الرقيقة جدًا بغلاف بوليمري عالي اللزوجة.
يعتمد النوع الثاني من القوالب، المعروف بقالب الضغط، على التلامس بين البوليمر المُغلِّف والسلك العاري داخل القالب. في هذا النوع، تُضغط حلقة من البوليمر المنصهر حول السلك العاري. وبسبب ضغط المنصهر، يجب أن تكون الفتحة حول مدخل السلك العاري صغيرة جدًا، في حدود 0.05 مم. ويتحكم حجم فتحة الخروج في سُمك الطبقة الناتجة. ينتج عن هذا النوع من القوالب تلامسٌ أوثق بين الطبقة الخارجية والسلك العاري مقارنةً بقالب التغليف.
سحب الألياف (البوليمرات)
يُعدّ سحب الألياف عملية هجينة، حيث تُستخدم الجاذبية أو قوة أخرى لتغيير شكل الألياف المبثوقة هندسيًا وميكانيكيًا. لا تُقلّل هذه العملية من مساحة المقطع العرضي لألياف البوليمر فحسب، بل تزيد أيضًا من قوة الألياف من خلال محاذاة جزيئات البوليمر الفردية.
قبل عملية السحب، يُدفع مصهور البوليمر عبر قالب ذي عدد كبير من الثقوب الصغيرة، يُعرف باسم المغزل. عادةً، تُبرّد الألياف بالهواء دون الحاجة إلى معالجة. في حال الحاجة إلى المعالجة، تتوفر طريقتان: الغزل الجاف والغزل الرطب. في الغزل الرطب، يُذاب البوليمر ويُبثق عبر المغزل إلى حمام كيميائي. أما في الغزل الجاف، فيُترك المذيب ليتبخر أثناء تبريد الألياف.
عادةً ما تتم عملية سحب الألياف مباشرةً بعد الغزل. يؤدي تطبيق قوة خارجية، سواءً من الجاذبية أو بكرات السحب، إلى انكماش الألياف جانبيًا واستطالتها. وهذا بدوره يُوجّه جزيئات البوليمر الفردية على طول الليف، مما يزيد من قوته. وقد ثبت أن نصف قطر الألياف يتناقص بشكل قطعي زائد مع استطالتها. بمجرد أن تتصلب الألياف، قد تبدأ بالتبلور، حيث تكون كل حبة في البداية مُوجّهة عشوائيًا. سيؤدي استمرار السحب إلى استطالة الحبيبات البلورية وإعادة توجيهها في اتجاه محور الشد، مما يزيد من قوة الألياف.
ثبات الدوران
عملياً، لا تُناسب جميع البوليمرات غزل الألياف أو سحبها. وتُعدّ هذه مشكلة خاصة في البوليمرات ذات خاصية التخفيف بالتمدد، حيث يُمكن أن يؤدي فشل الخاصية الشعرية أو التخصر إلى انفصال المادة المنصهرة قبل التصلب.
يُعدّ رنين السحب المشكلة الأكثر شيوعًا التي قد تحدث أثناء سحب مصهور البوليمر، بغض النظر عن مدى ملاءمة البوليمر. يحدث الرنين عندما لا يكون معدل تدفق الكتلة ثابتًا بين المغزل وبكرة سحب الألياف، على الرغم من ثباته عند كلٍّ من هذين المكونين على حدة. عندما لا يكون معدل تدفق الكتلة ثابتًا، يتغير قطر الألياف لاستيعاب هذا التغير. بمجرد بدء هذا الرنين، قد لا يُصحَّح تلقائيًا، مما يستدعي إيقاف خط البثق بالكامل.
لقد ثبت أن ظاهرة رنين السحب تحدث عند تجاوز نسبة سحب حرجة؛ وتعتمد هذه النسبة على سلوك التدفق (أي نيوتوني، أو ذو لزوجة متغيرة مع معدل القص ) والسلوك المرن اللزج للسائل. مع ذلك، لم يُلاحظ أن رنين السحب دالة لمعدل التدفق. يمكن أن تصل نسبة السحب لمصهور بوليمر يقترب من خصائص سائل نيوتوني مثل البولي إيثيلين تيريفثالات (PET) إلى حوالي 20، بينما قد تصل نسبة السحب الحرجة لمصاهير بوليمرية ذات لزوجة متغيرة مع معدل قص عالية، مثل البولي إيثيلين والبوليسترين والبولي بروبيلين ، إلى 3 فقط.
تشكيل الأنابيب
تسمح قوالب تشكيل الأنابيب بالبثق المستمر للأنابيب ذات الجدران السميكة (مقارنةً ببثق الأغشية المنفوخة) . [ 5 ] تكاد القوالب نفسها تكون مطابقة لتلك المستخدمة في بثق الأغشية المنفوخة؛ والفرق الرئيسي الوحيد هو الفجوة بين المندريل الداخلي وجدار القالب الخارجي. بمجرد بثق البوليمر المنصهر من القالب، يتم سحبه بواسطة بكرات سحب. يتم التبريد باستخدام حمامات مائية، أو عدد كبير من مراوح التبريد. بعد التبريد، يُلف الأنبوب إما على بكرات كبيرة (إذا كان مرنًا)، أو يُقطع إلى أطوال محددة مسبقًا ويُكدس (إذا كان صلبًا).
يتطلب استخدام الأنابيب ذات الفتحات المتعددة تصنيعًا خاصًا. في هذه التطبيقات، تُصنع الأدوات بوضع أكثر من قالب في مركز القالب الرئيسي، لإنتاج عدد الفتحات المطلوبة. في معظم الحالات، تُزود هذه القوالب بضغط هواء من مصادر مختلفة. وبهذه الطريقة، يمكن ضبط أحجام الفتحات الفردية عن طريق ضبط الضغط على كل قالب على حدة.
بثق البروفايل
تُعدّ عملية بثق الأشكال المعقدة، مثل مزاريب تصريف مياه الأمطار والدعامات الهيكلية والمكونات الأخرى، من أكثر عمليات البثق تعقيدًا من حيث تصميم القوالب. [ 6 ] ويعود هذا التعقيد إلى عاملين رئيسيين: إنتاج الشكل الأولي وهو لا يزال منصهرًا، ثم التحكم في الانكماش غير المتماثل وتمدد القالب الناتج عن اختلاف سماكة الجدران.
على عكس عمليات بثق الأغشية والأنابيب والصفائح المنفوخة، نادرًا ما تكون قوالب بثق المقاطع دائرية أو مسطحة تمامًا. فبينما يتميز المقطع الدائري (أو المسطح) بمعدلات تدفق منتظمة على طول جميع حوافه، لا ينطبق هذا على الأشكال الأكثر تعقيدًا. لنأخذ على سبيل المثال مقطعًا مربعًا بسيطًا وصلبًا. تكون سرعة المادة المنصهرة أعلى ما يمكن في مركز القالب، وأبطأ ما يمكن عند الحواف والزوايا بسبب الاحتكاك بين المادة المنصهرة وجدران القالب. عند الانتقال من مركز القالب إلى منتصف إحدى الحواف، يكون تدرج السرعة عاليًا، خاصة بالقرب من الجدار الخارجي للقالب. ومع ذلك، عند الانتقال من المركز إلى إحدى الزوايا، يكون تدرج السرعة أكثر تدريجية. ونتيجة لذلك، سيتعرض المقطع المربع المبثوق لتمدد أكبر في القالب عند الحواف مقارنة بالزوايا، مما يجعل المقطع المربع في الأصل أقرب إلى الشكل الدائري. يمكن تعويض ذلك عن طريق تقويس جوانب القالب بحيث يقترب من شكل نجمة رباعية الرؤوس. ستتضخم جوانب مصهور البوليمر الآن إلى الأبعاد المطلوبة.
كلما ازداد تعقيد الشكل المطلوب، ازداد تعقيد القالب بدوره. يجب توخي الحذر لتقليل خطوط اللحام، وضمان ملء القالب بالكامل لمنع ظهور الفقاعات والعيوب الأخرى في الشكل النهائي. بعد اكتمال عملية البثق الأولية، يُبرَّد الشكل المصنوع من البوليمر المنصهر قليلاً قبل تمريره عبر قالب التشكيل. يضمن هذا القالب مطابقة الشكل للمواصفات، ويمكنه تعديل شكله ليناسب تلك المواصفات. بعد اكتمال التشكيل، يُبرَّد الشكل قبل أي معالجة أخرى.
البثق المشترك
عمليًا، تتكون العديد من الأغشية والصفائح والأجزاء المبثوقة الأخرى من طبقات متعددة؛ مما يسمح بتحسين مجموعة واسعة من الخصائص، مثل نفاذية الأكسجين والقوة والصلابة. تكمن الصعوبة الرئيسية في عملية البثق المشترك في سد الفجوة في الخصائص بين كل طبقة. [ 7 ] وتُعد إضافة طبقة رقيقة "للتوافق" حلاً شائعًا للتخفيف من عدم توافق اللزوجة أو الصلابة. [ 8 ]
يوجد نوعان رئيسيان من قوالب البثق المشترك: قوالب أحادية المشعب وقوالب متعددة المشعبات. يعتمد كلا النوعين على جهاز بثق منفصل لكل تركيبة كيميائية من البوليمر. في قوالب متعددة المشعبات، تُبثق كل طبقة على حدة، ولا تُدمج إلا قبل حواف القالب مباشرةً. يُعد هذا النوع من القوالب مكلفًا نظرًا لتعقيد الأدوات المطلوبة، ولكنه يُخفف من التباينات الكبيرة في الخواص الريولوجية بين الطبقات المختلفة. أما قوالب أحادية المشعب، فتُشكّل الطبقات المتعددة في طبقة واحدة، مما يسمح بتلامس طبقات البوليمر لفترة أطول. وهذا يضمن ترابطًا مثاليًا، ولكنه يتطلب استخدام بوليمرات ذات توافقية أعلى.
هناك نوعان من عيوب التصنيع التي قد تحدث أثناء عملية البثق المشترك. يتمثل العيب الأول في عدم استقرار السطح البيني، مما يؤدي إلى ظهور أشكال غير مرغوب فيها. وقد يتسبب ذلك في "تغليف" المادة المنصهرة ذات اللزوجة الأعلى بواسطة المادة المنصهرة ذات اللزوجة الأقل، مما يؤدي إلى ضعف الأداء النهائي للجزء المبثوق. وتتناسب شدة هذا النوع من العيوب طرديًا مع الفرق في اللزوجة بين المادتين المنصهرتين. أما النوع الآخر من العيوب فينشأ عن تذبذبات في تدفق المادة المنصهرة، مما يُسبب ظهور أنماط موجية صغيرة على سطحها ويُقلل من شفافيتها البصرية.
مراجع
- ↑ تادمور وجوجوس (2006). مبادئ معالجة البوليمرات . جون وايلي وأولاده. ISBN 978-0-471-38770-1
- ↑ براءة اختراع أمريكية رقم 5395231 أ
- ↑ "كيفية حل مشاكل الأفلام المنفوخة" (ملف PDF) . شركة ليونديل للكيماويات . تم الاطلاع عليه بتاريخ 31 أغسطس 2012 .
- ↑ كروفورد، إف جيه (1998). هندسة البلاستيك . إلسيفير، رقم ISBN 978-0-7506-3764-0.
- ↑ جون فوغلر (1984). إعادة تدوير البلاستيك على نطاق صغير . منشورات التكنولوجيا المتوسطة.
- ↑ جايلز، هارولد ف.؛ فاغنر، جون ر.؛ ماونت، إلدريج م. (2005)، البثق: الدليل الشامل للمعالجة ودليل المستخدم ، ويليام أندرو، ISBN 978-0-8155-1473-2.
- ↑ روزاتو، مارلين ج. (2000)، موسوعة موجزة عن البلاستيك ، سبرينغر، ISBN 978-0-7923-8496-0.
- ↑ برايدسون، جيه إيه (1999). مواد البلاستيك . إلسيفير. رقم ISBN 978-0-7506-4132-6
- صناعة البلاستيك
- عمليات التشكيل