پلاستیک های میکرو سلولار

دسته: مقالات منتشر شده در 02 شهریور 1398
نوشته شده توسط Admin بازدید: 10

پلاستیک های میکرو سلولار

پلاستیکهای میکرو سلولار که با نام فوم میکرو سلولار نیز شناخته میشوند، نوعی از پلاستیکهای تولیدی هستند و به گونه ای طراحی شده اند که شامل میلیونها حباب کوچک با اندازه ی کمتر از 50 میکرون (معمولا بین 0.1 تا 100 میکرومتر ) میباشند. این نوع از پلاستیک با انحلال گاز تحت فشار بالا و تبدیل ان به انواع پلیمر بوجود می اید. رخدادی با نام بی ثباتی ترمودینامیک باعث میشود تا حبابهای گاز به صورت منظمی در کنار هم قرار گیرند. نام رخداد هسته ای نیز به این وضعیت داده میشود. هدف اصلی از تولید ماده یاد شده کاهش میزان مصرف ماده و در عین حال حفظ ویژگی های فیزیکی  ارزشمند ان بوده است.  اختلاف اصلی در بین این نوع از فومها، در گازهایی است که برای ایجاد فوم به  کاربرده میشود. همچنین چگالی محصول نهایی به گاز مصرف شده وابسته  است.  در واقع چگالی فوم با توجه به نوع گازکاربردی، ممکن است بین 5 تا 99 درصد چگالی پلاستیک اولیه باشد.

پارامترهای طراحی بیشتر بر شکل نهایی فوم و فرایند قالب گیری پس از ان متمرکز هستند مانند نوع قالب کاربردی، ابعاد حباب یا سلولها( که خود فومها را طبقه بندی میکند). از انجایی که اندازه سلول به طول موج نور نزدیک است، فوم برای بیننده مشابه پلاستیکی با رنگ ثابت است.

پیشرفتهای اخیر در دانشگاه  واشنگتن باعث ایجاد فوم های نانوسلولار شده اند.سلولهای این نوع از فوم ها، سایزی بین 20 تا 100 نانومتر دارند. همچنین در موسسه هندی فناوری دهلی ، از فناوری های نوین برای تولید فومهای میکروسلولار استفاده میشود.

 

تاریخچه

تا قبل از سال 1974، فوم ها با استفاده از متدی ساخته می شدند که در امتیاز نامه امریکا با نام ترکیب پلاستیک ذوب شده و گاز در سال 1974، شناخته میشود. زمانی که گاز و یا عامل انفجار شیمیایی یا فیزیکی به پلاستیک  ذوب شده اضافه شد؛ پلاستیکهای سخت گذشته به فوم های سنتی تبدیل شدند.  نتیجه به کارگیری این روش اصلا رضایت بخش نبود.  از انجایی که امکان کنترل روند فرایند وجود نداشت، محصول نهایی حالتی غیر منسجم پیدا میکرد و سوراخهای زیادی در ان ایجاد میشد. در نهایت نوعی فوم با استحکام و چگالی پایین تولید شد که سلولهای بزرگی در ساختار سلولی خود داشت.  معایب این روش باعث شد تا نیاز به متدی جایگزین حس شود که به خوبی بتواند موادی مشابه با ویژگی های مکانیکی بهتر را تولید نماید.

همانطور که ما امروزه میدانیم، تولید فوم های میکروسلولار با تولید انواع سنتی ان اغاز شد. دانشجویان مقطع ارشد دانشگاه MIT با نام J.E. Martini و F.A Waldman تحت سرپرستی و نظارت پروفسور Nam P Suh، با اختراع پلاستیکهای میکروسلولار یا فوم های میکروسلولار به رسمیت شناخته شدند.

با عملیات خروج فشاری و قالب گیری تزریقی، ازمایش انها به متدی تبدیل شد که  از مواد اولیه کمتری استفاده میکرد و همچنین میزان حفره ها به مقدار 5 تا 30 درصد کاهش یافت و اندازه حفره ها نیز کمتر از 8 میکرون بود. در حوزه ی  ویژگی های  مکانیکی نیز، مقاومت در برابر شکستگی 400 درصد  و مقاومت در برابر انتشار ترک ها 200 درصد بهبود یافت. ابتدا پلاستیک به صورت همسانی توسط گاز و در دمای بالا اشباع میشود. سپس  دما افزایش می یابد و نوعی عدم ثبات دمایی را  در پلاستیک بوجود می اورد.  به منظور دست یابی به وضعیت پایدار، رخداد هسته ای اغاز میشود. در این مرحله سلولهای تولید شده خیلی کوچک تر از سلولهای موجود در انواع فومهای سنتی هستند. پس از ان نیز رشد سلولی و یا افت تنش ماترسی اغاز میشود. نواوری این متد در این موضوع بود که به خوبی توانست ویژگی های مکانیکی محصول را بر اساس تغییرات دما و فشار ورودی، کنترل نماید. به عنوان مثال با تغییر میزان فشار، یک لایه خارجی خیلی نازک ایجاد میشود که استحکام بیشتری به محصول می بخشد.

بنا بر ازمایشات تجربی، گاز کربن دی اکسید میتواند فومهایی با بالاترین میزان چگالی را فراهم سازد. سایر گازها همانند ارگون و نیتروژن فومهایی را با ویژگی های مکانیکی تولید کردند که چندان رضایت بخش نبود.

 

روند تولید

     1.            ماده اصلی پلیمری  به رنگ قرمز ذوب میشود و اضافه میشود

     2.            مقدار دقیقی از مایعات فوق بحرانی به رنگ ابی مانند نیتروژن یا کربن دی اکسید به ترکیب پلیمری تزریق میشود

     3.            ایجاد مخلوط همگن به منظور خلق یک محلول تک فاز به رنگ بنفش

     4.            پلیمر در حفره قالب تزریق میشود. فشار کم باعث میشود تا مایعات فوق بحرانی بشکل هسته درایند و قالب را به حالتی همگن پر کنند

زمانی که  یک گاز برای تولید فوم موردنظر انتخاب میشود،  به نیازمندی های وظیفه ای و پارامترهای طراحی توجه میشود. نیازمندیهای وظیفه ای در قوانین کاربردی در اختراع اهمیت دارند و باعث میشوند تا از مواد اولیه کمتری استفاده شود بدون انکه ویژگی های مکانیکی با کاهش کیفیت مواجه شوند به خصوص حالت سفتی و محکمی. این ویژگی های مکانیکی قادرند تا همان محصولات سه بعدی را تولید کنند که پلاستیک اولیه میتواند.

تولید پلاستیکهای میکروسلولار بر اساس  میزان حرارت و فشار وارده صورت میگیرد. انحلال گاز تحت دما و فشار بالا  نوعی نیروی محرکه را ایجاد میکند که با کاهش فشار، محلهای تشکیل هسته را فعال می سازد و در نهایت میزان گاز محلول را به مقدار بسیاری افزایش میدهد.

روند تشکیل هسته ی همگن و مشابه، اولین مکانیزمی است که برای تولید حباب در ماتریکس سلولی استفاده میشود.مولکولهای محلول گاز ترجیح میدهند تا  در بخش های فعال پخش شوند. معمولا از این مورد پیشگیری میشود زیرا این محلها به طور همزمان فعال میشوند و باعث میشوند تا مولکولهای گاز به صورت یکنواخت و مساوی در سطح پلاستیک پخش شوند.

حذف پلاستیک از محیط هایی با فشار بالا، بی ثباتی ترمودینامیک را بوجود می اورد. سپس حرارت دهی پلیمر با دمایی بالاتر از دمای گذر شیشه  باعث ایجاد فوم شده و ساختاری کاملا منسجم از حبابها را بوجود می اورد.

 

ویژگی های مکانیکی پلاستیکهای میکروسلولار کدامند؟

چگالی پلاستیکهای میکروسلولار بیشترین اثر را بر رفتار و عملکرد این ماده دارد. استحکام کششی ماده نیز با افزایش چگالی و انحلال بیشتر گاز به صورت خطی افزایش می یابد. دمای ذوب و حالت چسبندگی هم کاهش می یابند.

فرایند تزریق فوم خود باعث بروز نواقصی در سطح ماده میشود مانند تورم و این موارد بر چگونگی واکنش ماده بر فشار های خارجی اثر میگذارند.

 

مزایا و معایب پلاستیک های میکروسلولار

از انجایی که فرایند تولید فوم، طبیعتی ایمن دارد، میتوان به سادگی پلاستیکها را بازیافت نمود و دوباره در چرخه تولید قرار داد. با این کار، اثار کربنی انها و همچنین هزینه مواد خام کاهش می یابد.

این ماده خاصیتی متخلخل دارد بنابراین چگالی ان در مقایسه با چگالی انواع پلاستیکهای جامد کمتر است( وزن هر واحد کمتر است). علاوه بر این مصرف کمتر مواد خام پلاستیکی هم از سایر مزایایی است  که خود هزینه های  بعدی را به میزان 35 درصد افزایش میدهد.

زمانی که  به ویژگی های مکانیکی این نوع از فومها دقت کنید، ارتباط بین  کمبود استحکام کششی با کاهش چگالی به صورت خطی مشخص میشود.

 

کاربردهای صنعتی پلاستیکهای میکروسلولار

از زمانی که اولین قدم های تحقیقاتی در دهه 70 و در دانشگاه MIT، در خصوص پلاستیکهای میکروسلولار  و روش های تولیدی ان برداشته شد، این موارد استانداردتر شده و بهبود زیادی داشتند. شرکت Trexel به عنوان استاندارد صنعتی برای پلاستیکهای میکروسلولار شناخته میشود که از فناوری قالب گیری MuCell®  استفاده میکند. شرکت Trexel و سایر تولید کنندگان پلاستیکهای میکروسلولار از روش های قالب گیری تزریقی و قالب بادی(قالب گیری دمشی) به منظور تولید محصولاتی در صنعت خودروسازی، بسته بندی، حوزه مصرف و موارد صنعتی استفاده میکنند.

قالب گیری تزریقی و دمشی در بخش  نوع محصولات تولیدی با هم تفاوت دارند. قالب گیری تزریقی بر پایه ی ایجاد قالبی برای یک ماده جامد است که در مراحل بعدی با پلاستیک ذوب شده پر میشود. اما با وجود اینکه  قالب گیری دمشی، ابعاد دیواره ها را گزینه ای نامعلوم در نظر میگیرد و دقت زیادی  در خصوص ضخامت دیواره ها ندارد،  بیشتر برای وسایل تو خالی استفاده میشود( برخلاف قالب گیری تزریقی که در ان ابعاد از قبل به عنوان مقادیری تعیین شده در نظر گرفته میشوند)

فرایند تولید پلاستیکهای میکروسلولار و MuCell®  با انواع فومهای سنتی تفاوت زیادی دارید زیرا مراحل انحلال گاز و تشکیل هسته سلولی میتوانند قبل از اغاز فرایند قالب گیری شروع شوند.

این فرایند باعث شد تا فاز نگهداری و بسته بندی از بین برود که خود باعث میشد تا نواقصی در مرحله ی قالب گیری وجود داشته باشند. در نهایت محصولی نهایی با ابعاد دقیق تر و ساختار صوتی بهتر تولید میشود. با حذف مرحله قالب گیری، زمان بیشتری ذخیره میشود و MuCell®  را به گزینه ای اقتصادی تر تبدیل میکند زیرا بخش های بیشتری در همان بازه زمانی و در مقایسه با رزین ها استاندارد میتوانند ساخته شوند. از مصارف ان میتوان به پنل ابزار های خودرو، پمپ قلب، مخازن دخیره سازی و سایر موارد اشاره نمود.

 

مصارف تجاری پلاستیکهای میکروسلولار

همانطور که پیش از این نیز گفته شد، مصارف پلاستیک های یاد شده بسیار زیاد  است. کاهش وزن و بهبود ویژگی های مکانیکی باعث شده تا این ماده به گزینه ای مناسب برای تولید قطعات خودرو و سایر وسایل نقلیه شوند. تحهیزات اداری هم در این دسته قرار میگیرند. ظروف و یا بسته هایی که از  ورقه های پلاستیکهای میکروسلولار ساخته شده اند، در رستورانهای فست فود به کاربرده میشوند. از دیگر مصارف پلاستیک های میکروسلولار میتوان به پدهای صیقل دهنده در عملیات تولیدی نیمه هادی و تحویل دارو اشاره کرد.

کاهش وزن بوجود امده ناشی از تزریق قالب این نوع از پلاستیکها بین 5 تا 20 درصد است.

در این مقاله ما اطلاعات کلی در خصوص روند تولید، موارد کاربرد و تعدادی از نکات مثبت و منفی  پلاستیکهای میکروسلولار ارائه کردیم تا بدین وسیله بتوانیم اطلاعات بیشتری در خصوص این نوع از پلاستیکها  داشته باشیم.