بررسی سطوح پلیمری میکرو نانوساختار با استفاده از قالب گیری تزریقی
قالب گیری تزریقی میکرو به دلیل کاربرد صنعتی اش بسیار مورد تقاضا است. سطوح پلیمری دارای نانوساختارهای میکرو می توانند با استفاده از قالب تزریقی تولید شوند، اما کار ساده ای نیست. این مقاله براساس سه اصل فنی تدوین شده است: اینسرت (قرار دادن) قالب، پارامترهای پردازش و قالب گیری. برای موفقیت در قالب تزریقی میکرو به مجموعه دقیقی از پارامترهای پردازش نیاز است. در اینجا، اثرات پارامترهای پردازش بر کیفیت قطعات نهایی و دقت ابعاد در محصول نهایی، هم بر پلیمرهای ترموپلاستیک و هم بر مواد لاستیکی مورد بررسی قرار می دهیم. همچنین علاوه بر بیان پارامترهای کلیدی برای دستیابی به پلیمر با نانوساختار میکرو با کیفیت بالا، به اثرات متناقض این پارامترها بر نتیجه نهایی نیز اشاره می کنیم. بنابراین از آنجا که برای تولید پلیمر با کیفیت بایستی بخش تولید شده بایستی به دقت قالب گیری شود، تکنیک های مختلف قالب گیری در این مقاله مورد ارزیابی قرار گرفته اند.
در بین تکنیک های مختلف پردازش پلیمر برای تولید مواد با شکل و اندازه مورد نظر، قالب تزریقی برای سیستم های تولید انبوه بسیار مناسب است و حتی چندین سال است که در صنعت پلیمر کاربرد دارد. این فناوری به دلیل هزینه کم در ساخت قطعات پلیمری بویژه در مقادیر زیاد، چرخه کوتاه مدت، اتوماسیون ساده و امکان شکل دهی همزمان ساختارهای فله و سطحی در کاربردهای صنعتی بسیار مورد توجه است. سطوح دارای نانوساختارهای میکرو و نسبت ابعاد (نسبت ارتفاع به عرض) بیش از 1:1 دارای کاربردهایی همچون عایق های ضد انعکاس، سطوح ضد آلودگی، کشت سلول، میکرولنزها، سطوح چسبنده انعکاسی و سطوح فوق آبگریز هستند. کاربردهای بالقوه این سطوح به سرعت در حال گسترش است. این امر باعث انجام مطالعاتی با هدف استفاده از فرایند قالب گیری تزریقی در سطوح کوچک و تا حد امکان اقتصادی شده است. این فرایند با توجه به پدیدۀ میکرو سایز، شامل سه زیر شاخه مختلف می شود:
1- قطعات با وزن میلی گرم یا کمتر
2- قطعاتی با میکروساختارهای کمتر از 100 میکرو متر؛ که ازطریق فرایند تکثیر با استفاده از مدل نانوساختار میکرو ایجاد شده اند.
3- قطعات مقاوم در محدوده میکرومتر بدون محدودیت ابعاد
تعریف کلی قالب گیری تزریقی سطوح دارای نانوساختار میکرو را می توان فرایند تولید قطعاتی با/ بدون نانوساختار میکرو در سطح آن دانست. نکتۀ مهم در تکثیر خواص میکرون یا زیر میکرون در سطح پلیمر، میزان دقت بالای آن است. در واقع، این امر به پارامترهای زیادی بستگی دارد که ممکن است قابل/ غیر قابل کنترل باشند. این پارامترها را میتوان اندازه، شکل و جهت سطوح به جهت جریان فیلر، فاصله آنها از گیت تزریق و نسبت ابعاد نام برد. با این حال، مهمترین پارامترهای پردازش من جمله دمای قالب، دمای ذوب، فشار نگهداری، سرعت تزریق، زمان نگهداری و ضخامت قطعه برای فرایند قالب گیری تزریقی انتخاب شده اند. تناقضات زیادی در مورد اثربخشی این پارامترها وجود دارد. مراحل قالب گیری تزریقی میکرو با فرایند معمولی مشابه است: پر کردن، بسته بندی، نگهداری، سرمایش و قالب گیری. پر کردن حفره ها در روش معمولی به دشواری حفره های ریزنیست. در فرایند میکرو، ساختارهای ریز نه تنها به توزیع یکنواخت مایع پرکنندۀ پلیمر کمک می کنند، بلکه به دلیل افزایش نسبت سطح به حجم، سرعت خنک کنندگی مواد در داخل قالب را افزایش می دهد. بنابراین، پر کردن مواد در فرایند میکرو بسیار دشوار است. در نتیجه، باید گفت که موفقیت فرایند قالب گیری به پر کردن درست قالب بستگی دارد. می توانیم فرض کنیم که مواد پرکننده ممکن است بعد از پر کردن ریزساختارها، سرد و جامد شود؛ سپس بعنوان یک ساختار کاملآ جایگزین شده از قالب جدا می شود. با توجه به اینکه کیفیت تکرار به شدت تحت تأثیر دمای قالب، دمای مذاب، فشار نگهداری و سرعت تزریق است؛ کوچکترین تغییر در هر یک از این پارامترها می تواند بطور قابل توجهی کیفیت سطح تکرار شده را تحت تأثیر قرار دهد. بنابراین، روند پر کردن قالب را میتوان با بهینه سازی مراحل فرایند بهبود داد و خودِ فرایند قالب گیری را نیز با استفاده از یک سطحی کم انرژی روی قالب بهبود بخشید.
از آنجا که پلیمرهای مختلف دارای خواص رئولوژیکی، حرارتی، مکانیکی، الکتریکی و نوری مختلفی هستند؛ پلیمرهایی با خواص جریان مطلوب و ویسکوزیته پایین در دماهای بالا بعنوان فیلر در قالب گیری تزریقی مناسب هستند. طیف وسیعی از مواد پلیمری همچون پلیمرهای ترموپلاستیک من جمله پلی استایرن (PS) ، کوپلیمر حلقه ای الفین (COC)، پلی متیل متاکریلات (PMMA) ، پلی پروپیلن (PP)، پلی سولفون (PSU) ، پلی اکسی متیلن (POM)، پلی اتیلن (PE)، پلی آمید (PA)، پلی اتر اترکتون (PEEK)، پلی کربنات (PC)، پلیمر کریستال مایع (LCP)، پلی بوتیلن ترفتالات (PBT)، اکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS)، پلی فنیل اتر (PPE) و لاستیک سیلیکون مایع (LSR) بعنوان یک ماده پلیمری متقاطع مورد بررسی قرار گرفته اند. تا آنجا که ما می دانیم مطالعات کمتری در زمینه مواد پلاستیکی صورت گرفته است. در این مقاله سه مرحله از فرایند قالب گیری تزریقی میکرو مورد ارزیابی قرار گرفته است. اولین قدم، ساخت اینسرت است؛ از آنجا که پارامترهای پردازش مهمترین نقش را در این فرایند ایفا می کنند، اثرات و تناقضات هر پارامتر با توجه به کیفیت تکرار قطعه قالب گیری شده کاملآ بررسی شده اند. سعی شده است تا اثرات این پارامترها، چه مثبت و چه منفی، بر کیفیت تکرار سازماندهی شوند. لازم به ذکر است که تصمیم نهایی در تعیین مجموعه ای از پارامترهای پردازش به نوع مواد پلیمری، هندسه، ابعاد و بسیاری از شرایط دیگر در فرایند بستگی دارد.
تقاضا برای قطعات نانوساختار میکرو با توجه به کاربردهای متعدد آنها در زمینه های مختلف با تکنولوژی بالا به سرعت در حال افزایش است. بنابراین، قالب گیری تزریقی میکرو بعنوان یک ابزار صنعتی امیدوار کننده برای تأمین این تقاضا در نظر گرفته شده است. در این مقاله، ما جنبه های مختلف قالب گیری تزریقی در سطوح پلیمری نانوساختار را در سه مرحلۀ اصلی قراردادن قالب (پیش پردازش)، پردازش و قالب گیری (پس از پردازش) مورد بحث قرار دادیم. همچنین اثرات و فرصت های مختلف اینسرت، بویژه اینسرت های پلیمری و ترکیبی مورد بررسی قرار گرفتند. برای دستیابی به تولید بهینه، اصلاح سطح اینسرت بایستی با شرایط پردازش مناسب همراه باشد. تکرار قطعات با کیفیت بالا شامل ملاک هایی همچون پر کردن و قالب گیری می شود که ازطریق پارامترهای پردازش قابل دستیابی هستند. نوع پلیمر بکار رفته، اندازه و شکل قالب را میتوان بعنوان مشخصه های دقیق این فرایند نام برد. ازطرفی دمای قالب، سرعت تزریق و فشار نگهداری مهمترین پارامترهایی هستند که کیفیت محصول نهایی در فرایند قالب گیری تزریقی را تحت تأثیر قرار می دهند. یافتن بهترین شرایط برای دستیابی به مطلوب ترین خروجی پردازش بسیار مهم و ضروری است؛ زیرا اثرات پارامترهای کلیدی در شرایط پردازش متغیر یکسان نیست. علاوه براین، قابلیت های روش های مختلف قالب گیری بایستی در روند تصمیم گیری و برنامه ریزی در نظر گرفته شوند تا از تکرار مطلوب، پس از تکمیل فرایند پردازش اطمینان حاصل شود.
