مشخصات عمومی مواد پلیمری در تولید قطعات پلاستیکی
پلاستیک، دسته‌بندی بسیار متنوعی از مواد است که از آن‌ها در بسته‌بندی، ساخت‌وساز، تجهیزات پزشکی و الکترونیک استفاده می‌شود. این ماده، به‌صورت مصنوعی یا نیمه‌مصنوعی از مواد پتروشیمی یا مواد طبیعی مانند سلولز یا نشاسته به دست می‌آید و آن را می‌توان با استفاده از تکنیک‌های مختلف، قالب‌گیری کرد. در صنعت، پلاستیک زیرمجموعۀ مستقیمی از پلیمرها است، که با اضافه‌کردن برخی افزودنی‌ها به پیوندهای مولکولی پلیمرها تولید می‌شود. پلیمرها پرمصرف‌ترین مواد در صنعت داروسازی و تجهیزات پزشکی هستند. بااین‌حال، انتخاب دقیق هر پلیمر برای ساخت یک پلاستیک برای یک کاربرد خاص و مشخص‌کردن فرایند دقیق تولید آن، در نهایت بر عملکرد محصول تأثیر می‌گذارد. برای آشنایی با مفاهیم اساسی مربوط به ساختار و مشخصات عمومی مواد پلیمری در تولید قطعات پلاستیکی، در ادامه با ما همراه باشید.
خواص پلیمرها
ابتدا نگاهی به مشخصات عمومی مواد پلیمری (که در زمان تولید پلیمرها به آن‌ها دست می‌یابیم) خواهیم داشت. در هنگام تولید یک پلیمر می‌توان متغیرهای زیر را کنترل کرد:
- مونومر پلیمریزه باشد یا مونومرهای کوپلیمر‌شده داشته باشیم.
- معرف (reagent) مورد استفاده برای شروع واکنش پلیمریزاسیون.
- ویژگی و مقدار معرف مورد استفاده برای اتصال عرضی زنجیرههای پلیمری.
- دما و فشاری که در آن پلیمریزاسیون اتفاق می‌افتد.
- حلّالی که مونومر در آن پلیمریزه شده است.
- روش جمع‌آوری پلیمر، که می‌تواند یک هم‌ترازی کم‌وبیش تصادفی، از زنجیرههای پلیمری ایجاد کند، یا صفحه‌ای را ایجاد کند که در آن، زنجیره‌ها در یک جهت تراز شده‌اند.
تغییر یک یا چند مورد از این پارامترها می‌تواند بر خطی بودن پلیمر، میانگین وزن مولکولی آن، تاکتیک اتصال زنجیرههای جانبی روی ستون اصلی (ستون فقرات) پلیمر و چگالی محصول تأثیر بگذارد.
همچنین می‌توان خواص پلیمر را با افزودن تثبیت‌کننده‌ها یا نرم‌کننده‌ها تغییر داد. تثبیت‌کننده‌ها برای افزایش توانایی پلاستیک در مقاومت در برابر اکسیداسیون، برای کاهش حساسیت آن به گرما یا نور و یا به‌عنوان بازدارندۀ شعله، استفاده می‌شوند. نرم‌کننده‌ها، انعطاف‌پذیری پلاستیک را با عمل، به‌عنوان روان‌کننده افزایش می‌دهند و اصطکاک بین مولکول‌ها را هنگام عبور یک زنجیرۀ پلیمری از کنار دیگری کاهش می‌دهند. آن‌ها همچنین مقدار فضای خالی (به اصطلاح حجم آزاد) را در داخل پلیمر با بازکردن فضای بین زنجیرههای پلیمری افزایش می‌دهند تا هر زنجیره (زنجیرههای جانبی و زنجیرۀ اصلی) به‌آسانی پایان یابد.
نتیجۀ همۀ این دستکاری‌ها می‌تواند پلیمری به استحکام کولار (برای ساخت جلیقه‌های ضدگلوله) یا ماده‌ای با استحکام ناچیز، به آسانی پاره‌شدن یک تکه کاغذ باشد. محصول پلاستیکی نهایی می‌تواند به سختی یک توپ بولینگ یا به نرمیِ یک تکۀ دستمال کاغذی باشد. می‌تواند به اندازۀ لیوان‌های پلی‌استایرن یکبار مصرف که در مهمانی‌ها استفاده می‌شود شکننده باشد یا به اندازۀ فنجان قهوۀ استایروفوم خاصیت ارتجاعی داشته باشد.
در فهرست زیر برخی از خواص مهم یک پلیمر شرح داده شده است.
- ظرفیت گرمایی (رسانایی حرارتی): مقداری که پلاستیک یا پلیمر به‌عنوان یک عایق مؤثر در برابر عبور گرما عمل می‌کند؛ مثلاً پلی استایرن موجود در لیوان‌های پلاستیکی یکبار مصرف عایق چندان خوبی نیست. بااین‌حال، دمیدن هوا از طریق استایرن در حین پلیمریزه‌شدن، باعث می‌شود که فوم پلی‌استایرن تولیدشده که برای فنجان‌های قهوه یکبار مصرف مورد استفاده قرار می‌گیرد، عایق بسیار بهتری محسوب شود.
- انبساط حرارتی: میزان انبساط یا انقباض پلیمر هنگام گرم‌شدن یا سردشدن؛ مثلاً سیلیکون اغلب برای آب‌بندی پنجره‌های شیشه‌ای در قاب آن‌ها استفاده می‌شود؛ زیرا ضریب انبساط حرارتی بسیار پایینی دارد. میزان انبساط حرارتی یک پلاستیک همچنین به این پرسش مربوط می‌شود که آیا پلیمرهای آن در همۀ جهات به‌همان میزان منبسط یا منقبض می‌شوند یا نه. پلیمرها معمولاً ناهمسان‌گرد هستند. آن‌ها حاوی پیوندهای کووالانسی قوی در امتداد زنجیرۀ پلیمری و نیروهای پراکندۀ بسیار ضعیف‌تر، بین زنجیرههای پلیمری هستند؛ درنتیجه، پلیمرها می‌توانند با مقادیر متفاوت، در جهات مختلف منبسط شوند.
- بلورینگی: بلورینگی یکی از مشخصات عمومی مواد پلیمری است. میزانی که زنجیرههای پلیمری در یک ساختار منظم، به‌جای یک حالت تصادفی مرتب شده‌اند را بلورینگی می‌گویند. برخی پلیمرها مانندSilly Putty و Play Dough بیش‌ازحد بی‌شکل و فاقد استحکام لازم برای ساختن یک محصول مفید هستند. پلیمرهایی که خیلی کریستالی هستند اغلب خیلی شکننده هستند.
- نفوذپذیری: تمایل یک پلیمر برای عبور مواد خارجی را نفوذپذیری می‌گویند؛ مثلاً از پلی‌اتیلن برای بسته‌بندی مواد غذایی استفاده می‌شود؛ زیرا اکسیژن در آن 4 هزار برابر کمتر از پلی‌استایرن نفوذ می‌کند.
- مدول الاستیک: یکی از مشخصات عمومی مواد پلیمری که بسیار اهمیت دارد، مقدار نیرویی است که برای کشش پلاستیک در یک جهت لازم داریم که به آن مدول الاستیک می‌گویند.
- استحکام کششی: یا همان استحکام پلاستیک، نیرویی است که باید در یک جهت اعمال شود تا پلاستیک تا زمان پاره‌شدن کشیده شود.
- انعطاف‌پذیری: از مهم‌ترین مشخصات عمومی مواد پلیمری در تولید قطعات پلاستیکی است و به توانایی پلاستیک برای مقاومت در برابر خمش (بدون شکست) اشاره دارد.
- ضریب شکست: این پارامتر میزان تأثیر پلاستیک بر نور، هنگام عبور از پلیمر را شرح می‌دهد؛ مثلاً آیا یکی پلاستیک نور را مانند PMMA از خود عبور می‌دهد یا مانند PVC نور را جذب می‌کند؟
- مقاومت در برابر جریان الکتریکی: آیا این ماده، مانند بسیاری از پلیمرها عایق است یا جریان الکتریکی را رد می‌کند؟ امروزه علاقۀ فزاینده‌ای به پلیمرهای رسانا وجود دارد که می‌توانند شارژ و تخلیه شوند. پلیمرهای رسانای نوری که هم می‌توانند بار الکتریکی را هنگام قرارگرفتن در معرض نور دریافت کنند.
ویژگی‌های کلیدی مواد پلاستیکی
همان‌طور که گفتیم، پلاستیک‌ها از پلیمرها ساخته می‌شوند و مشخصات عمومی مواد پلیمری بر مشخصات نهایی مواد پلاستیکی به‌طور مستقیم، تأثیر می‌گذارند؛ بنابراین طراحی اجزای پلاستیکی و انتخاب مواد مربوط به آن، می‌تواند چالش‌های مهمی را برای سازندگان ایجاد کند. خواص پلاستیک به‌طور قابل توجهی با سایر مواد مانند فلزات، شیشه و سرامیک متفاوت است و برخی ویژگی‌های کلیدی در مواد پلاستیکی وجود دارند که باید در هنگام طراحی قطعات یا انتخاب یک مادۀ مناسب برای یک کاربرد خاص مورد توجه قرار گیرند. این ویژگی‌ها نتیجۀ مستقیم ساختار مولکولی آن‌ها است که از زنجیرههای پلیمری طولانی با وزن مولکولی بالا که در هم پیچیده‌اند تشکیل شده‌اند؛ اما متحرک باقی می‌مانند و می‌توانند در کنار یکدیگر بلغزند؛ زیرا پیوندهای شیمیایی با زنجیرههای مشترک دیگری ندارند. اگر این عوامل در نظر گرفته نشوند، ممکن است خرابی زودرس ایجاد شود.
ویژگی‌های کلیدی مواد پلاستیکی در ادامه ذکر شده است:
- پلاستیک‌ها موادی ویسکوالاستیک هستند، به این معنی که هم رفتار کشسان و هم چسبناک را به‌طور همزمان از خود نشان می‌دهند.
- پلاستیک‌ها به‌صورت غیرخطی رفتار می‌کنند؛ درنتیجه خواص آن‌ها را نمی‌توان از طریق برون‌یابی، پیش‌بینی کرد.
- پلاستیک‌ها رفتار وابسته به دما را نشان می‌دهند، به‌طوری که خواص آن‌ها می‌تواند به‌طور گسترده در تغییرات دمایی نسبتاً کوچک متفاوت باشد.
- پلاستیک‌ها تحت بارگذاری، رفتار وابسته به زمان را نشان می‌دهند؛ بنابراین خواص مکانیکی آن‌ها در طول زمان از طریق خزش و برداشته‌شدن تنش از رویشان تغییر می‌کند.
- پلاستیک‌ها در اثر تنش کششی پیوسته، در نهایت دچار گسستگی مولکولی؛ درنتیجه ترک‌خوردن می‌شوند. حتی در تنش‌هایی بسیار کمتر از تنش تسلیم.
- پلاستیک‌ها رفتار وابسته به نرخ کرنش را نشان می‌دهند. به این معنی که خواص مکانیکی آن‌ها بسته به سرعت اعمال بار متفاوت خواهد بود.
- پلاستیک‌ها دچار تغییر شیمیایی و فیزیکی در محیط می‌شوند. به این معنی که خواص آن‌ها را می‌توان با محیطی که در آن قرار می‌گیرند تغییر داد.
- پلاستیک‌ها نسبت به تأثیر مواد شیمیایی حساس هستند. به‌طوری که می‌توانند متحمل تورم، حملۀ شیمیایی و ترک‌خوردگی و استرس محیطی (ESC) شوند.
- پلاستیک‌ها در معرض هوازدگی هستند و بر این اساس طیف گسترده‌ای از خواص آن‌ها را می‌توان از طریق قرارگرفتن در معرض هوا در فضای باز تغییر داد.
- پلیمرهای تولیدشده از طریق پلیمریزاسیون تراکمی، حساس به رطوبت هستند که اگر قبل‌از قالب‌گیری تزریقی به‌درستی خشک نشوند، می‌تواند منجر به هیدرولیز شود.
- فرایند قالب‌گیری پلاستیک می‌تواند منجر به سطوح قابل‌توجهی از تنش پسماند قالب‌گیری شود که به تنش واردشدۀ خارجی افزوده می‌شود.
- فرایند قالب‌گیری پلاستیک می‌تواند خطوط جوش را به‌دلیل همگرایی جبهه‌های جریان مذاب ایجاد کند که اگر تنشی عمود بر جهت جریان به محصول نهایی اعمال شود، می‌تواند نقطه ضعفی برای آن باشد. به‌ویژه در قطعاتی که از رزین‌های تقویت‌شده با الیاف، قالب‌گیری می‌شوند.
- پلاستیک‌ها به‌دلیل هم‌ترازی مولکول‌های پلیمر و وجود پرکننده‌ها یا تقویت‌کننده‌ها با نسبت بالا، ناهمسان‌گردی مکانیکی از خود نشان می‌دهند؛ درنتیجه خواص مکانیکی آن‌ها وابسته به جهت است.
- پلاستیک‌ها دارای حساسیت به بریدگی هستند. به‌طوری که خواص مکانیکی آن‌ها به هندسۀ آن‌ها بستگی دارد.
شرکت نوبخت فعال در زمینه طراحی ، تولید و پخش محصولات ایران خودرو و سایپا
گروه‌های پلاستیک
مشخصات عمومی مواد پلیمری به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند؛ بنابراین در مجموع دو گروه پلاستیک داریم:
- ترموپلاستیک‌ها: با حرارت‌دادن، نرم می‌شوند. به این معنی که می‌توان دوباره آن‌ها را ذوب کرد و در قالب شکل داد. این‌ها پلاستیک‌هایی هستند که می‌توانند بازیافت شوند. ترموپلاستیک‌ها شامل فیلم‌ها یا پوشش‌ها، بطری، لباس، پلی‌استایرن و بسیاری از محصولات دیگر هستند.
- ترموست‌ها: بعد‌از تولید دیگر نمی‌توانند ذوب شوند. آن‌ها حتی پس‌از گرم‌شدن نیز سخت می‌مانند. ما این نوع پلاستیک‌ها را در پریزهای برق و بدنۀ قایق‌های معمولی می‌یابیم. هیچ یک از گروه‌ها، بعد‌از رهاشدن در محیط زیست به‌طور طبیعی تجزیه نمی‌شوند مگر در شرایط بسیار خاص.
سخن پایانی
مشخصات عمومی مواد پلیمری، گسترۀ وسیعی از ویژگی‌های مکانیکی، فیزیکی، شیمیایی، اپتیکی و الکتریکی را شامل می‌شود. پلاستیک‌ها نیز از پلیمرها به همراه افزودنی‌هایی خاص ساخته می‌شوند. به‌طور خلاصه، پلیمرها مولکول‌های بزرگی هستند که از زیرواحدهای تکرارشونده به نام مونومر تشکیل شده‌اند. در حالی که پلاستیک ماده‌ای است که از پلیمرهایی ساخته شده است که می‌توانند به اشکال مختلف قالب‌گیری شوند.
مقالات بیشتر
مقایسه جامع خودروهای ایرانی و خودروهای اروپایی: تفاوت‌ها، مزایا و معایب
