مقاله پلیمر ها و روش های شکل دهی

دنیای پلاستیک ها و پلیمر ها در اثنای جنگ جهانی دوم موادی مثل نایلون پلی اتیلن ، اکریلیک موسوم به پرسپکس به دنیا عرضه شد. نئوپرن را شرکت دوپان در سال 1932 ابداع و به شکل تجارتی ابتدا با نام دوپرن و بعدها نئوپرن عرضه کرد.

شاخه‌های پلیمر

اولین قدم در زمینه صنعت پلاستیک توسط فردی به نام واسپاهیات انجام گرفت وی در تلاش بود ماده‌ای را به جای عاج فیل تهیه کند. وی توانست فرآیند تولید نیترات سلولز را زا سلولز ارائه کند. در دهه 1970 پلیمرهای‌هادی به بازار عرضه شدند که کاربرد بسیاری در صنعت رایانه دارند زیرا مدارها و ICهای رایانه‌ها از این مواد تهیه می‌شوند. و در سالهای اخیر مواد هوشمند پلیمری جایگاه تازه‌ای برای خود سنسورها پیدا کردند. پلیمرها را می‌توان از 7 دیدگاه مختلف طبقه بندی نمود. صنایع ، منبع ، عبور نور ، واکنش حرارتی ، واکنش‌های پلیمریزاسیون ، ساختمان مولکولی و ساختمان کریستالی.

از نظر صنایع مادر پلیمرها به چهار گروه صنایع لاستیک ، پلاستیک ، الیاف ، پوششی و چسب تقسیم بندی می‌شوند. اینها صنایع مادر در پلیمرها می‌باشند اما صنایع وابسته به پلیمر هم فراوان هستند مانند صنعت پزشکی در اعضای مصنوعی ، دندان مصنوعی ، پرکننده‌ها ، اورتوپدی از پلیمرها به وفور استفاده می‌شود. پلیمرها از لحاظ منبع به سه گروه اصلی تقسیم بندی می‌شوند که عبارتند از پلیمرهای طبیعی ، طبیعی اصلاح شده و مصنوعی.

رزین

منابع طبیعی رزینها ، حیوانات ، گیاهان و مواد معدنی می‌باشد. این پلیمرها به سادگی شکل پذیر بوده لیکن دوام کمی دارند. رایج عبارتند از روزین ، آسفالت ، تار ، کمربا ، سندروس ، لیگنپین ، لاک شیشه‌ای می‌باشند. رزین‌های طبیعی اصلاح شده شامل سلولز و پروتئین می‌باشد سلولز قسمت اصلی گیاهان بوده و به عنوان ماده اولیه قابل دسترسی برای تولید پلاستیکها می‌باشد کازئین ساخته شده از شیر سرشیر گرفته ، تنها پلاستیک مشتق شده از پروتئین است که در عرصه تجارت نسبتا موفق است.

پلیمر مصنوعی

پلیمرهای مصنوعی را می‌توان از طریق واکنشهای پلیمریزاسیون بدست آورد. از مواد پلیمری می‌توان در تهیه پلاستیکها ، چسبها ، رنگها ، ظروف عایق ، مواد پزشکی بهره جست. پلاستیکها به تولید طرحهای جدید در اتومبیلها ، کامیونها ، اتوبوسها ، وسایل نقلیه سریع ، هاورکرافت ، قایقها ، ترنها ، آلات موسیقی ، وسایل خانه ، یراق آلات ساختمانی و سایر کاربردها کمک نموده‌اند در ادمه به بررسی کاربرد چندین پلیمر می‌پردازیم:

پلیمرهای بلوری مایع (LCP)

این پلیمرها بتازگی در بین مواد پلاستیکی ظهور کرده است. این مواد از استحکام ابعادی بسیار خوب ، مقاومت بالا ، مقاومت در مقابل مواد شیمیایی توام با خاصیت سهولت شکل پذیری برخوردار هستند. از این پلیمرها می‌توان به پلی اتیلن با چگالی کم قابل مصرف در ساخت عایق الکتریکی ، وسایل خانگی ، لوله و بطریهای یکبار مصرف ، پلی اتیلن با چگالی بالا قابل مصرف در ظروف زباله‌ها بطری ، انواع مخازن و لوله برای نگهداری و انتقال سیالات ، پلی اتیلن شبکهای ، پلی پروپیلن قابل مصرف در ساخت صندوق ، قطعات کوچک خودرو ، اجزای سواری ، اسکلت صندلی ، اتاقک تلویزیون و... اشاره نمود.

پلیمرهای زیست تخریب پذیر

این پلیمرها در طی سه دهه اخیر در تحقیقات بنیادی و صنایع شیمیایی و دارویی بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. زیست تخریب پذیری به معنای تجزیه شدن پلیمر در دمای بالا طی دوره مشخص می‌باشد که بیشتر پلی استرهای آلیفاتیک استفاده می‌شود. از این پلیمرها در سیستم‌های آزاد سازی دارویی با رهایش کنترل شده یا در اتصالات ، مانند نخ‌های جراحی و ترمیم شکستگی استخوانها و کپسولهای کاشتی استفاده می‌شود.

پلی استایرن

این پلیمر به صورت گسترده‌ای در ساخت پلاتیکها و رزینهایی مانند عایقها و قایقهای فایبر گلاس در تولید لاستیک ، مواد حد واسط رزینهای تعویض یونی و در تولید کوپلیمرهایی مانند ABS و SBR کاربرد دارد. محصولات تولیدی از استایرن در بسته بندی ، عایق الکتریکی - حرارتی ، لوله‌ها ، قطعات اتومبیل ، فنجان و دیگر موادی که در ارتباط با مواد غذایی می‌باشند ، استفاده می‌شود.
لاستیکهای سیلیکون

مخلوط بسیار کانی- آلی هستند که از پلیمریزاسیون انواع سیلابها و سیلوکسانها بدست می‌آیند. با اینکه گرانند ولی مقاومت قابل توجه در برابر گرما به استفاده منحصر از این لاستیکها در مصارف بالا منجر شده است. این ترکیبات اشتغال پذیری نسبتا پایین ، گرانروی کم در درصد بالای رزین ، عدم سمیت ، خواص بالای دی الکتریک ، حل ناپذیری در آب و الکلها و ... دارند به دلیل همین خواص ترکیبات سیلیکون به عنوان سیال هیدرولیک و انتقال گرما ، روان کننده و گریس ، دزدگیر برای مصارف برقی ، رزینهای لایه کاری و پوشش و لعاب مقاوم در دمای بالا و الکلها و مواد صیقل کاری قابل استفاده‌اند. بیشترین مصرف اینها در صنایع هوا فضاست.

لاستیک اورتان

این پلیمرها از واکنش برخی پلی گلیکولها با دی ایزوسیاناتهای آلی بدست می‌آیند. مصرف اصلی این نوع پلیمرها تولید اسفنج انعطاف پذیر و الیاف کشسان است. در ساخت مبلمان ، تشک ، عایق - نوسانگیر و ... بکار می‌روند. ظهور نخ کشسان اسپندکس از جنش پلی یوره تان به دلیل توان بالای نگهداری این نوع نخ زمینه پوشاک ساپورت را دگرگون کرده است.

استفاده از فناوری نانو برای دیرسوزكردن پلیمرها

یكی از كاربردهای مهم فناوری نانو بهبود خواص مواد پلیمری از نظر آتش‌گیری و بالابردن مقاومت این مواد در برابر آتش است. این مواد عموماً در دماهای بالا ایمن نیستند؛ اما با استفاده از فناوری نانو امكان دیرسوز نمودن آنها وجود دارد. در این مطلب، نظرات مهندس صحرائیان،‌ عضو هیأت علمی پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، در زمینة استفاده از فناوری نانو در این زمینه آورده شده است:

نانوكامپوزیت‌های دیرسوز

با توجه به این كه امروزه حجم وسیعی از كالاهای مصرفی هر جامعه‌ای را پلیمرهایی تشكیل می‌دهند كه به‌راحتی می‌سوزند یا گاهی در مقابل شعله فاجعه می‌آفرینند، لزوم تحقیق در خصوص مواد دیرسوز احساس می‌شود. بر همین اساس، در كشورهای صنعتی، تلاش گسترده‌ای برای ساخت موادی با ایمنی بیشتر در برابر شعله آغاز شده است و در این زمینه نتایج مطلوبی هم به دست آمده است.

بر همین اساس و با توجه به تدوین استانداردهای جدید ایمنی، به نظر می‌رسد استانداردهای ساخت مربوط به پلیمرهای مورد استفاده در خودروسازی، صنایع الكترونیك،‌ صنایع نظامی و تجهیزات حفاظتی و حتی لوازم خانگی، در حال تغییر به سوی مواد دیرسوز است.

از طرف دیگر مدتی است كه نانوكامپوزیت‌های پلیمر – خاك¬رس به عنوان موادی با خواص مناسب مثل تأخیر در شعله¬وری، توجه بسیاری از محققان را به خود جلب كرده است. بنابراین به¬نظر می‌رسد كه نانوكامپوزیت‌های پلیمر – خاك¬رس می‌توانند جایگزین مناسبی برای مواد پلیمری معمولی باشند؛

برای تهیه پلیمرهای دیرسوز، علاوه بر رفتار آتش‌گیری، عوامل زیادی باید مورد توجه واقع شوند؛ از جمله اینكه:

از افزودنی‌هایی استفاده شود كه قیمت تمام¬شده محصول را خیلی افزایش ندهد. (مواد افزودنی باید ارزان قیمت باشند.)

مواد افزودنی به پلیمرها باید به آسانی با پلیمر فرآیند شود.

مواد افزوده‌شده به پلیمر نباید در خواص كاربردی پلیمر تغییر قابل ملاحظه ایجاد كند.

زباله‌های این مواد نباید مشكلات زیست¬محیطی ایجاد كند.

با توجه به این موارد، خاك¬رس از جمله بهترین مواد افزودنی به پلیمرها محسوب می‌شود كه می‌تواند آتش‌گیری آنها را به تأخیر بیندازد و سبب ایمنی بیشتر وسایل و لوازم ‌شود. مزیت دیگر خاك‌ رس فراوانی آن است كه استفاده از این منبع خدادادی را آسان می‌كند.

ویژگی‌های نانوكامپوزیت‌های پلیمر – خاك¬رس

خواص مكانیكی نانوكامپوزیت‌های پلیمر-نایلون6 كه از نظر حجمی فقط حاوی پنج درصد سیلیكات است، بهبود فوق‌العاده¬ای را نسبت به نایلون خالص از خود نشان می‌دهد. مقاومت كششی این نانوكامپوزیت 40 درصد بیشتر، مدول كششی آن 68 درصد بیشتر، انعطاف‌پذیری آن 60 درصد بیشتر و مدول انعطاف آن 126 درصد بیشتر از پلیمر اصلی است. دمای تغییر شكل گرمایی آن نیز از 65 درجه سانتی¬گراد به 152 درجه سانتی¬گراد افزایش یافته است. در حالیكه در برابر همة این تغییرات مناسب، فقط 10درصد از مقاومت ضربه آن كاسته شده است.

نتایج تحقیقات حاكی از آن است كه میزان آتشگیری در این نانو كامپوزیت پلیمری حدود 70 درصد نسبت به پلیمر خالص كاهش نشان می¬دهد و این در حالی است كه اغلب خواص كاربردی پلیمر نیز تقویت می¬شود. البته كاهش در میزان آتشگیری پلیمرها از قدیم مورد بررسی بوده است. بشر با تركیب مواد افزودنی به پلیمر میزان آتشگیری آنرا كاهش داد ولی متاسفانه خواص كاربردی پلیمر هم متناسب با آن كاهش می¬یافته است. در واقع كاهش در آتشگیری همزمان با بهبود خواص كاربری پلیمرها ویژگی منحصر به فرد فناوری نانو است، خصوصاً اینكه تنها با افزودن 6 درصد ماده افزودنی به پلیمر تا 70 درصد آتشگیری آن كاهش می¬یابد.

برخی نانوكامپوزیت‌های پلیمر – خاك¬رس پایداری حرارتی بیشتری از خود نشان می‌دهند كه اهمیت ویژه‌ای برای بهبود مقاومت در برابر آتش¬گیری دارد. این مواد همچنین نفوذپذیری كمتری در برابر گاز و مقاومت بیشتری در برابر حلال‌ها از خود نشان می‌دهند.

استانداردسازی؛ ابزار قدرت در دست كشورهای پیشروی صنعتی

تطابق با استانداردهای جدید موضوعی است كه همواره كشورهای پیشرو بر كشورهای پیرو دیكته كرده‌اند. در كشورهای پیشرو صنعتی،‌ استانداردها همواره رو به بهبود است. در این كشورها براساس جدیدترین نتایج تحقیقات و مطالعات متخصصان، هر چند وقت یكبار، استانداردها دستخوش تغییر می‌شوند و دیگر كشورها ناچار خواهند بود در مراودات تجاری خود با آنها این استانداردها را رعایت كنند و به این ترتیب، مجبور می‌شوند كه نتایج تحقیقات آنها را خریداری كنند. مطلب زیر مثالی از این موارد است:

چندی پیش در جراید اعلام شد كه بنا بر تصمیم جدید اتحادیه اروپا، هواپیماهایی كه مجهز به سیستم جدید ناوبری (مطابق با استاندارد جدید پرواز) نباشند، اجازه پرواز بر فراز آسمان اروپا را ندارند. در آن زمان در كشور ما فقط تعداد معدودی از هواپیماهای مجهز به این سیستم وجود داشت. اخیراً هم اتحادیه مزبور اعلام كرده است كه ورود كامیون‌های فاقد استاندارد زیست¬محیطی به خاك اروپا ممنوع است. در پی این اعلام، خودروسازان ایرانی به ناچار استانداردهای خود را با شرایط جدید تطبیق دادند.

نكتة پایانی؛ نتیجه¬گیری

هر چند ممكن است استفاده از برخی فناوری¬ها در كشور ما در حال حاضر موضوعیت نداشته و یا اینكه مقرون به صرفه نباشد. ولی اگر جهت¬گیری تحقیقات و پژوهش¬ها در جهان را مد نظر قرار دهیم متوجه می¬شویم كه در آینده نزدیك ناگزیر به استفاده از این فناوری¬ها خواهیم بود. بنابراین لازم است از فرصت¬های موجود برای ایجاد این توانمندی¬ها بهره بگیریم تا در زمان مناسب از این پتانسیل¬ها استفاده كنیم.

به¬عبارت دیگر لازم است مراكز پژوهشی و تحقیقاتی همواره لااقل یك نسل از صنعت جلوتر باشند. در این صورت ضمن امكان هدایت بخش صنعت به سمت و سوی معین، پاسخ به مشكلات صنعت نیز همواره قابل پیش¬بینی بوده و در این مراكز در دسترس خواهد بود.

بهبود لومینسانس پلیمرها با استفاده از نانولوله‌های كربنی چنددیواره:

ابزارهای قابل فراوری محلول مبتنی بر ترکیبات آلی برای متحول کردن صنعت روشنایی و فتوولتائیک بسیار نویدبخش می‌باشند. نه تنها هزینه، بلکه مسائل مربوط به پایداری و هزینه چرخه عمر باعث می‌شود تا حرکت از سمت ترکیبات معدنیبه سوی ترکیبات آلی سریع‌تر صورت گیرد. با این حال، کارایی و طول عمر ابزارهای آلی موجود برای بسیاری از کاربردها کافی نمی‌باشند.

یکی از روش‌های بررسی شده برای افزایش طول عمر این ابزارها استفاده از نانولوله‌های کربنی در پلیمرها جهت ایجاد یک کامپوزیت می‌باشد. این کامپوزیت‌های هیبریدی «مواد معدنی درون مواد آلی» عملکردها و ابعاد جدیدی به فیلم‌های پلیمری معمول می‌افزایند.

با این حال معمولاً اضافه کردن نانولوله‌های کربنی با هزینه‌هایی همراه است. مثلاً در مواد نورافشان، حضور نانولوله‌های کربنی موجب کاهش نشر نور از کامپوزیت می‌شود؛ این امر به دلیل کاهش فعالیت حاملان بار در نانولوله‌های کربنی است که عموماً برای نانولوله‌های کربنی چنددیواره طبیعت فلزی دارند. این کاهش فعالیت موجب کاهش بهره نشر نور از این ابزارها می‌شود.

محققان موسسه فناوری پیشرفته در دانشگاه سوری با همکاری محققان چینی و آمریکایی نشان داده‌اند که این اثرکاهندگی یک مشکل غیرقابل اجتناب نیست. در حقیقت آنها ثابت کرده‌اند که با افزودن نانولوله‌های کربنی چنددیواره به یک پلیمر نایلونی، نشر نور توسط آن صد برابر افزایش می‌یابد.

این افزایش نشر نور زمانی اتفاق افتاد که نانولوله‌های کربنی را قبل از مخلوط نمودن با پلیمر در معرض اسید قرار دادند. آنان پیشنهاد می‌کنند که این افزایش فعالیت به دلیل مکنیسم جدید انتقال بار از سطح آسیب‌دیده نانولوله به به محل‌های نشر در پلیمر می‌باشد. علاوه بر این، مطالعات آنها نشان می‌دهد که نانولوله‌های کربنی چنددیواره موجب افزایش پایداری پلیمر در برابر تجزیه ناشی از نور می‌شود.

دکتر سیمون هنلی یکی از محققان اصلی این پژوهش توضیح می‌دهد: «این مطالعات نشان می‌دهد که نانولوله‌های کربنی قابلیت بسیار بالایی برای استفاده در ابزارهای اپتوالکترونیک آینده دارند و امکان استفاده از این ترکیبات را به عنوان جاذب‌های نور در پیل‌های خورشیدی همراه با افزایش استحکام آنها، تقویت می‌کند».

پروفسور راوی سیلوا مدیر موسسه فناوری پیشرفته می‌گوید: «این حقیقت محض که حال ما می‌توانیم یک کامپوزیت هیبریدی آلی-نانولوله قابل پیش‌بینی با ویژگی‌های بهبودیافته داشته باشیم، راه را برای کاربردهای بسیاری هموار می‌کند. بهبود خواص لومینسانس نشانه‌ای از نسل جدیدی از ابزارهای آلی است که قابلیت رسیدن به بازار و تولید انبوه را دارا می‌باشند. ما از این نتایج اولیه بسیار هیجان‌زده هستیم».

پلیمر آنتی باكتریال

یكی از گسترده ترین كاربردهای كامپوزیت نانوسید، استفاده از آن برای ایجاد انواع پلیمر آنتی باكتریال می باشد. پلیمرهایی كه آنتی باكتریال ضد قارچ و ضد ویروس هستند و هیچگونه ضرری برای محیط زیست ندارند و برای تركیب كامپوزیت نانوسید با انواع پلیمر مانندABS ، PET ، PP ، PE و ... بهترین راه بكارگیری مستربچ مناسب با پلیمر می باشد كه به میزان 20-10رصد با كامپوزیت نانوسید اختلاط میشود . این امر برای بكار گیری مستربچ به همراه گرانولهای خام در دستگاههای اكسترودر یا تزریق برای رسیدن به یك اختلاط كاملا یكنواخت در درصدهای اختلاط 5/0-1/0 میباشد. پلیمرهای میكس شده دارای كاربردهای مختلف صنعتی و خانگی و بیمارستانی می باشند. از جمله بدنه داخلی یخچال ، انواع **********های آب و هوا ، ظروف پلاستیكی و ...

كاربرد نانوسید
روش اختلاط كامپوزیت نانوسیلور با انواع پلیمر

بهترین روش ایجاد مستربچ و استفاده از آن در دستگاههای اكسترودر می باشد. برای ایجاد مستربچ می توان از خود دستگاههای اكسترودری كه دارای گرانول ساز هستند استفاده نمود در غیر اینصورت بایستی سفارش ساخت مستر بچ به مراكز مربوطه داده شود.

نكته 1: اگر شرایط استفاده از اكسترودر دو مار پیچه وجود داشته باشد نیازی به ساخت مستر بچ نیست و مرحلهMix بصورت Continous ضمن ساخت محصول انجام می گیرد. همچنین اگر اكسترودر یك مار پیچه باشد و نسبت طول به قطر آن بیشتر از 40 باشد نیز می توان Mix را بدون مستربچ انجام داد.

نكته 2 : در سیستمهای تزریقی نیز با ایجاد گرانولها قبل از استفاده به صورت مستر بچ می توان مواد نانو سید را با پلیمر Mix كرد و اگر این شرایط وجود نداشته باشد باید سیستم Mix به همراه تزریق چند بار تكرار شود.
__________________
روش های تولید ماشینی کاپوزیت ها

روش های مختلفی جهت تولید قطعات کامپوزیتی پایه پلیمری وجود دارد که به طور کلی به سه دسته تقسیم می شوند :

1- روش های تولید ساده لایه چینی دستی و پاششی که شامل روش های تولید با قالب باز هستند . تیراژ دراین نوع تولید ، محدود یک الی سه قطعه در روز است و کیفیت محصول به اپراتور بستگی دارد .

2- روش های تولید خاص پالتروژن ، پیچش الیاف و لایه نشانی پیوسته که جهت تولید قطعات خاص مانند لوله ، پروفیل ، ورق و غیره مورد استفاده قرار می گیرند .

3- روش تولید قطعات صنعتی SMC ، BMC ، RTM ، GMT ، LFT و ... که روش های LFT و GMT مربوط به گرمانرم ها و روش های RTM ، BMC و SMC مربوط به گرما سخت ها هستند .

بازار تولید قطعات صنعتی در اروپا در سال 1999 معادل 352 هزارتن بوده که سهم هریک از این روش ها به صورت زیر است :

SMC : 190 هزارتن معادل 54 درصد

BMC : 90 هزارتن معادل 6/25 درصد

LFT و GMT : 42 هزارتن معادل 9/11 درصد

RTM : 30 هزارتن معادل 5/8 درصد

1- روش تولید SMC

Sheet Moulding Compoundیا SMC ترکیبی از خانواده گرما سخت های تقویت شده با الیاف شیشه بین 60- 20 درصد است که معمولا ً از پنج ماده اصلی زیر تشکیل شده است :

- رزین پلی استر غیر اشباع ویژه SMC که دارای یک پیک گرمازا بین 290-220 درجه سانتی گراد است .

- افزودنی LS , LP

- الیاف شیشه معمولا ً از نوع رووینگ

- پر کننده کربنات کلسیم ، کائولن و هیدروکسید آلومینیوم

فرآیند تولید قطعه SMC شامل سه مرحله است :

تهیه ورق یا لایه SMC ، تولید قطعه قالب گیری و عملیات تکمیلی . تهیه ورق SMC به این شکل است که ابتدا مواد اولیه مطابق فرمولاسیون درون مخلوط کن و با دور بالا مخلوط می شوند . پس از آن که خمیر حاصله به گرانروی مناسب رسید ، غلیظ کننده Thickener به آن اضافه می شود . خمیر حاصل به وسیله پمپ ، به دستگاه تولید ورق SMC منتقل و بر روی دو لایه فیلم پلی اتیلنی ، به عنوان فیلم حامل Carrier ، ریخته می شود . میزان خمیر به وسیله دو تیغه قابل تنظیم است . سپس الیاف شیشه به طول 25 میلی متر 50-12 میلی متر بریده شده و به صورت منظم بر روی خمیر ریخته می شود . لایه حاصل همراه با فیلم دیگر که فقط شامل خمیر است و فاقد الیاف است تشکیل یک لایه را می دهند . پس از عبور از یک سری غلتک ، الیاف به صورت کامل با خمیر آغشته می شود ، سپس ورق بسته بندی می شود . پس از حدود سه الی پنج روز محصول آماده عملیات قالب گیری است . لایه های SMC برش خورده ، درون قالب گرم فولادی قرار می گیرند و پرس طی دو مرحله بسته شده و دو مرحله فشار اعمال می شود . در نهایت ضمن عملیات پخت قطعه درون قالب محصول تولید می شود .

تجهیزات مورد نیاز عبارتند از : پرس هیدرولیک با قابلیت Close speed دردو مرحله مرحله اول mm/s 250-100 و مرحله دوم mm/s 20-5/2 و قابلیت اعمال فشار در دو مرحله و قالب از جنس فولاد با قابلیت گرم شدن به وسیله الکتریسیته یا روغن .

مزایای این روش ، تولید در حجم زیاد ، امکان ساخت قطعات ساده و پیچیده ، تولید قطعه با کیفیت سطحی A ، هزینه بسیار کم نیروی انسانی به ازای واحد محصول ، قیمت پایین محصول تمام شده و مشخصات مکانیکی یکنواخت با تلرانس 6 درصد بوده و معایب آن ، نیاز به سرمایه گذاری زیاد ، عملیات پیچیده تر بازیافت نسبت به گرمانرم ها است . روش SMC به طور گسترده ای در صنایع الکتریکی به کار می رود . میزان مصرف اروپا در سال 1999 معادل 82 هزار تن تابلوهای برق ، قطعات الکتریکی ، محفظه چراغ بزرگراه و اتوبان بوده است . علت استفاده از SMC در صنایع الکتریکی ، نارسانایی الکتریکی ، پایداری در حرارت بالا ، عدم نیاز به رنگ آمیزی ، مقاومت در برابر شرایط آب و هوایی ، مقاومت مکانیکی زیاد ، مقاومت شیمیایی ، پایداری ابعادی ، قابلیت بازیافت و آزادی عمل در طراحی است .

این روش در صنعت حمل و نقل نیز کاربردهای فراوانی دارد . میزان مصرف آن در اروپا در سال 1999 معادل 67 هزار تن شامل بدنه خودرو ، قطعات با استحکام زیاد ، بدنه قطارهای سریع السیر ، قطعات کامیون و اتوبوس بوده است . علت استفاده از SMC در صنایع حمل و نقل وزن کم محصول ، پایداری ابعادی ، آزادی عمل در طراحی ، توانایی تولید قطعه با کیفیت سطحی A ، هزینه کم سرمایه گذاری نسبت به تولید قطعه فلزی ، سرعت عمل در مونتاژ ، مقاومت در برابر شرایط آب و هوایی و تولید قطعه با ضخامت های متغیر است .

روش SMC در صنعت ساختمان نیز به کار گرفته شده است . به طوری که میزان مصرف آن در اروپا در سال 1999 معادل 41 هزارتن شامل ساخت پانل های ساختمانی ، حمام آماده ، صندلی ، میز و سایر موارد بوده است .

2- روش تولید BMC

Bulk Moulding Compound یا BMC ترکیبی از خانواده گرما سخت های تقویت شده با الیاف شیشه است که طول الیاف در آن 6 میلی متر 12-4 میلی متر و میزان الیاف در خمیر بین ده تا حداکثر بیست درصد است . فرآیند تولید قطعه BMC شامل سه مرحله است . تهیه خمیر BMC ، تولید قطعه قالب گیری و عملیات تکمیلی . تهیه خمیر BMC بدین شکل است که ابتدا مواد اولیه مطابق فرمولاسیون درون مخلوط کن با دور بالا مخلوط و پس از این که خمیر به دست آمده به گرانروی مناسب رسید به مخلوط کن دیگری از نوع دو باز و با تیغه Z پمپ می شود . سپس به آن غلیظ کننده Thickener و الیاف شیشه به طول 6-4 میلی متر اضافه و مخلوط می شوند . خمیر حاصل درون فیلم پلی اتیلنی بسته بندی می شود و پس از حدود سه الی پنج روز ، محصول آماده عملیات قالب گیری است . تکه های BMC آماده درون قالب گرم فولادی قرار می گیرند و پرس طی دو مرحله بسته و دو مرحله فشار اعمال می شود . در نهایت ضمن عملیات پخت درون قالب ، قطعه تولید می شود .

تجهیزات مورد نیاز عبارتند از : پرس هیدرولیک با قابلیت Close speed در دو مرحله مرحله اول mm/s 250-100 و مرحله دوم mm/s 20-5/2 و قابلیت اعمال فشار در دو مرحله و قالب از جنس فولاد با قابلیت گرم شدن بوسیله الکتریسیته یا روغن .

مزایای این روش عبارتند از : تولید در حجم زیاد ، امکان ساخت قطعات ساده و پیچیده ، تولید قطعه با کیفیت سطحی A ، هزینه بسیار کم نیروی انسانی به ازای واحد محصول و بهای کم محصول تمام شده و معایب آن شامل نیاز به سرمایه گذاری زیاد در عملیات پیچیده بازیافت نسبت به گرمانرم ها است .

3- روش تولید GMT

Glass Mat reinforced Thermoplastic یا GMT ترکیبی از خانواده گرمانرم های معمولا ً پلی پروپیلن تقویت شده با الیاف شیشه اند که در آن الیاف شیشه به صورت مت یا تک جهته استفاده می شود . فرآیند تولید قطعه GMT شامل چهار مرحله است : تهیه الیاف مت مخصوص GMT ، تهیه ورق GMT ، تولید قطعه قالب گیری و عملیات تکمیلی . در این روش یک blank GMT گرمانرم PP درون کوره قرار داده شده و جهت آماده سازی عملیات قالب گیری گرم می شود . سپس با قرار دادن آن درون قالب و بسته شدن پرس طی دو مرحله و اعمال فشار در یک مرحله ، قطعه تولید می شود .

تجهیزات مورد نیاز عبارتند از : پرس هیدرولیک با قابلیت Close speed در دو مرحله مرحله اول mm/s 500-200 ، مرحله دوم mm/s 20-10 و قابلیت اعمال فشار دریک مرحله ، قالب از جنس فولاد یا آلومینیوم با قابلیت تثبیت درجه حرارت و کوره از نوع هوای گرم یا مادون قرمز .

مزایای روش GMT عبارتند از : تولید در حجم زیاد ، امکان ساخت قطعات ساده و پیچیده ، هزینه بسیار کم نیروی انسانی به ازای محصول ، قابلیت بازیافت ، تنوع در محصولات ، قیمت متوسط محصول و امکان استفاده از ربات جهت اتوماسیون کامل تولید و معایب آن شامل نیاز به سرمایه گذاری زیاد ، عدم توانایی تولید محصول با کیفیت سطحی A و قابلیت اشتعال است .

4- روش تولید LFT

روش های مختلفی وجود دارد که اساس همگی آنها ترکیب زمینه پلی پروپیلن یا انواع دیگر گرمانرم ها با الیاف شیشه بلند درون اکسترو در طی دو مرحله و سپس آماده سازی آن و قرار دادن ورق آماده درون پرس ، بسته شدن پرس طی دو مرحله و اعمال فشار در یک مرحله است .

تجهیزات مورد نیاز عبارتند از : اکسترودر ، پرس هیدرولیک و قالب از جنس فولاد یا آلومینیوم با قابلیت تثبیت درجه حرارت .

مزایای روش LFT عبارتند از : تولید در حجم زیاد ، امکان ساخت قطعات ساده و پیچیده ، هزینه بسیار کم نیروی انسانی به ازای محصول ، قابلیت بازیافت ، تنوع در محصولات ، قیمت کم محصول ، امکان استفاده از ربات جهت اتوماسیون کامل تولید و معایب آن شامل نیاز به سرمایه گذاری زیاد ، عدم توانایی تولید محصول با کیفیت سطحی A و قابلیت اشتعال است .

5- روش تولید RTM

تزریق رزین به داخل یک قالب بسته معمولا ً قالب کامپوزیتی که الیاف شیشه ویژه این روش قبلا ً درون آن قرار گرفته است .

تجهیزات مورد نیاز این روش عبارتند از : قالب بسته معمولا ً از جنس کامپوزیت ، دستگاه تزریق رزین ، دستگاه خلأ ، بالابر و لوازم مناسب برش و یا شکل دهی الیاف .

از مزایای روش RTM می توان به ساخت قطعات با ابعاد بزرگ ، نیاز به سرمایه گذاری اولیه کم قالب و تجهیزات ، قابلیت تولید قطعه با کیفیت سطحی A و مشخصات مکانیکی مناسب و از معایب آن به عدم قابلیت تولید قطعات پیچیده ، قیمت تمام شده متوسط جهت محصول ، عملیات پیچیده تر بازیافت نسبت به گرمانرم ها اشاره کرد .
قالب گیری فشاری

قالب گیری فشاری ،یكی از قدیمی ترین فرآیندهای قالب گیری شناخته شده است. در این قالبها ماده پلاستیكی در محفظه قالب قرار گرفته وبا حرارت و فشار شكل می گیرد. در این قالبها ،معمولا از تركیبات گرما سخت(ترموست)،بصورت عمده واستفاده میشودولی از محصولات گرما نرم (ترمو پلاستیك)در برخی موارد وبه ندرت استفاده میشود. موادی كه بعنوان شارژ اینگونه قالبها بكار می رود،دارای اشكالی بصورت پودر ،ساچمه ای ،لایه ای وپیش فرم میباشد.

قالبهای فشاری عمدتا دارای یك عیب میباشند بطوریكه ،در اثر فشار زیاد موجود در داخل قالب پین های ضعیف ودیوارهای نازك دفرمه میشوند ، بنابراین طراحان این گونه قالبها به منظور كم رنگ كردن این عیب ،از فرایند قالب گیری انتقالی كمك گرفته اند . سال 1909توسط آقای لئو بكلند ،جهت تولید پوسته رادیو پیدایش یافت.
فرایند قالب گیری انتقالی، در زمان جنگ جهانی دوم شناخته شد بطوریكه در ابتدا كاربرد عمده ای در صنایع نظامی داشت.

مراحل كلی فرآیند قالب گیری فشاری

در صورت لزوم قالب را تمییز و مواد آزاد كننده را داخل قالب می ریزیم.

قالب را شارژ می كنیم.

قالب توسط پرس بسته میشود.

قبل از ایتكه قالب بطور كامل بسته شود ،قالب را كمی بازكرده تا گازهای محبوس از قالب خارج شود(تنفس قالب).

حرارت وفشار را اعمال كرده تا عمل قالبگیری تثبیت شود(در كاربرد فشار قبل از بسته شدن كامل قالب باید اندكی درنگ شود بطوریكه گازها بتوانند از محفظه قالب خا رج شوند).

قالب را باز نموده و قطعه داغ را در فیكسچر خنك كننده قرار میدهیم.

معرفی روشهای قالب گیری

قالبگیری فشاری قالبگری انتقالی

قالبگیری تحت فشار پیستون

قالبگیری بصورت ریخته گی

قالبگیری پرسی

لازم به ذكر است كه دو روش اول بصورت عمده برای تولید قطعات پلاستیكی اعم از مواد ترمو پلاستیكی وترمو ستی میباشد.

شرح فرآیند قالبگری فشاری

در ابتدا قالب توسط شا بلن بار ریز كه روی دستگاه پرس قرار دارد ،شارژ شده و قالب شروع به بسته شدن میكند ،بطوریكه سنبه قسمت روئی قطعه را فرم داده و قسمت زیرین قطعه تا سطح جدایش قالب در داخل محفظه پائینی فرم میگیرد.

در این قالبها دمائی در حدود 130تا200 درجه سانتی گراد توسط دو المنت گرم كننده حاصل میشود ، ولی عمدتا دمای نیمه فوقانی قالب كمتر از نیمه تحتانی میباشد بطوری كه معمولا قسمت فوقانی تا دمای 145درجه سانتی گراد گرم شده و قسمت تحتانی تا دمای 155درجه سانتی گراد گرم میشود. فشار لازم در حدود 100تا500تن می باشد ،البته این فشار با توجه به سطح تماس قطعه با قالب تعیین می شود.

شرح فرایند قالبگیری انتقالی

همانطور كه در قسمت چكیده به آن اشاره شد ، این فرایند قالبگیری به منظور بر طرف كردن عیب قالبگیری فشاری از این روش قالبگیری استفاده میشود.

در واقع عملكرد این روش قالبگیری به این صورت است كه ابتدا مواد شارژ فالب بصورت سرد یا نیمه گرم داخل كانال بار ریز وارد و توسط یك سنبه فشار دهنده مواد از طریق روزنه هایی در سیستم ر اهگاهی ،به حفرهای اصلی قالب هدایت می شود.

قالبهایی كه با این روش طراحی می شوند غالبا چند حفره ای میباشند،به خاطر اینكه از نظرهزینه مقرون بصرفه شوند.

انواع روشهای قالبگیری فشاری از نظر ساختمان قالب

قالب فلاش دار (قی) flash die

قالب سنبه ای كفی یا پله ای flat die

قالب مثبت positive die

قالب نیمه مثبت semi positive die

لازم به به توضیح است كه این قالبها بر مبنای اجازه ی ورود مواد به كانال فلاش دسته بندی شده اند كه در اسلایدهای بعدی توضیح اضافی داده میشود .

قالبهای فلاش دار

در این قالب در اثر فشار حاصل از طرف پرس ،به مواد اضافی اجازه داده میشود كه به راحتی به كانال فلاش راه پیدا كند . در این روش قالبگیری ، فلاش معمولا به صورت افقی است .

در این روش قلبگیری لازم است، علاوه بر هزینه طراحی و ساخت،هزینه ای برای سنگ زدن پلیسه حاصل شده در اطراف قطعه در نظر بگیریم .

در واقع یكی از معایب اینگونه قالبها ،همین هزینه اضافی می باشد.

مزیت این گونه قالبها در ارزان بودن و ساده بودن آنها است .

كاربرد این قالبها برای تولید قطعاتی از مواد پلاستیكی با ضریب بالك پایین و قطعاتی كه رعایت ضخامت یكنواخت دیوارهای آن مهم نباشد،البته یكنواختی ضخامت دیوارها تا حد زیادی به دقت میله های راهنمای قالب بستگی دارد .

تعریف ضریب بالك: حاصل تقسیم حجم مواد فرم نگرفته به مواد فرم گرفته را ضریب بالك گویند.

قالب های سنبه ای كفی یا پله ای

این قالبها شبیه قالبهای فلاش دار میباشند ، با این تفاوت كه در اینجا یك محفظه بار دهی به مجموعه قالب اضافه شده است .

پله ی كفی عموما 16/3 اینچ عرض دارد به منظور خروج مواد اضافی كه از بین سنبه و محفظه نشت میكند.

این قالبها ،قطعات را با چگالی یا دانسیته بیشتری نسبت به نوع فلاشدار می سازند.

قطعات با پین های كوچك و مقاطع ظریف از این راه قابل ساخت هستند.

در این گونه قالبها نیز همانند قالبهای فلاشدار سنگ زنی فلاش یا پلیسه با مقدار كمتری نسبت به قبل لازم است.

قالبهای مثبت

در این قالبها فضای خیلی كمتری نسبت به دو نوع قبل برای خروج مواد اضافی به داخل كانال فلاش تعبیه شده است .

سنبه در محفظه فالب دارای انطباق كاملا جذب بوده و تلرانس در هر طرف 3 هزارم اینچ میباشد .

این قالبها برای قالبگیری مواد با فیلر پارچه ای و قطعات عمیق مانند محفظه رادیو بكار میرود و از هر قالبی برای قالبگیری مواد با فیلر پارچه ای مناسب تر هستند .

مزیت این قالبها در این است كه پلیسه یا فلاش بصورت عمودی میبا شد و به سادگی بر طرف میشود.

مهمترین عیب این قالبها خراشیدگی محفظه ی قالب توسط سنبه است كه مستقیما اثر آن روی قطعه مشاهده میشود .

قالبهای نیمه مثبت

این قالبها متشكل از یك قالب سنبه ای پله دار و یك قالب مثبت هستند .

از این قالبها برای ساخت قطعات با عمق زیاد ، قطعاتی كه در ته آنها مقاطع بزرگ و قطعا تی كه در برخی از مقاطعشان اختلاف ضخامت وجود دارد بكار میروند.پلیسه یا فلاش ایجاد شده به راحتی توسط سنگ بر طرف می شوند.

معمولا برای فرم دادن ملامینها و تركیبات اوره ای از این نوع قالبها كمك می گیرند .

لقی بین سنبه و ماترس 1هزارم اینچ در هر طرف است .

معمولا این گونه قالبه را بصورت چند محفظه ای با محفظه ی باردهی مشترك می سازند

بطوریكه به آنها قالبهای ویژه اطلاق میشود زیرا گاهی حتی بیشتر از یكصد محفظه درآنها تعبیه شده است.

نكته

مكانیزم تولید قطعه در قالبهایی كه در اسلاید قبل توضیح داده شد برای تولید قطعاتی بود كه در دیواره ی جانبی آنها هیچ گونه حفره یا سوراخ وجود نداشت ،حال اگر بخواهیم قطعاتی را كه دیوا ه ی آنها دارای حفره یا سوراخ می باشد را تولید كنیم لازم است كه این قالبها را بصورت تكه ای با سنبه ی ماهیچه جانبی و متحرك بسازد.

علاوه بر این مكانیزم با توجه به نیاز از مكانیزم صفحه ی بیرون انداز بجای پینهای بیرون انداز و مكانیزم فنری نیز استفاده میشود

انواع روشهای قالبگیری انتقالی از نظر ساختمان

1. قالبهای لوله راهگاهی

2. قالبهای پیستونی

لازم به ذكر است كه این تقسیم بندی توسط انجمن مهندسین امریكا صورت گرفته است.

قالبهای لوله راهگاهی

در این قالب ها پلا ستیك ها بر اثر نیروی وزن خود، از طریق لوله راهگاه به داخل قالب هدایت میشوند.

قالبهای پیستونی

در این قالب ها مواد پلاستیكی وارد شده به كانال بارریز توسط پیستون فشرده شده ، تا حدی كه به سطح جدایش قالب فشار وارد میشود.

اجزاء ساختمانی پلاستیكها (شامل ترموستهاوترمو پلاستیكها)

رزین: عنصر چسباننده

نرم كننده:این ماده آلی برای بهبود سختی ، مقاومت ،قابلیت ارتجاعی قطعه وسهولت در امر قالبگیری به پلاستیك اضافه میشود.

عنصر فیلر:این عنصر نقش پر كننده گی دارد و جنس آن میتواند از گرد چوب، پارچه،سفال وغیره با شد.

رنگ:برای بهبود شكل ظا هری محصولات پلاستیكی،به آنها اضافه میشود.

لازم به توضیح است كه ترموستها كلا دارای رزین پلاستیك و عنصر پر كننده بوده وترموپلاستیك ها دارای رزین پلاستیك و رنگ می باشند،البته ماده ی نرم كننده در هر دو نوع پلاستیك استفاده میشود.

كاربرد قالبهای انتقالی

تولید قطعات با مقاطع پیچیده ویا با ما هیچه های جانبی مشگل

تولید قطعات با مغزیهای نازك و پیچیده

تولید قطعات با سوراخهای كوچك و عمیق

تولید قطعات با چگا لی یكسان تری نسبت به روش قالبگیری فشاری

تولید قطعات دقیق

تولید قطعات با پلیسه كمتر(خصوصا برای مواد ترموست با فیبرپارچه ای )

تولید قطعات با وزن سنگینتر مثلا مواد ترموست از جنس ملا مین ،فرم آلدئید وقطعات با فیبر الیاف نساجی.

تجهیزات مورد نیاز در فرایند قالبگیری فشاری وانتقالی

برای تولید قطعات به روش فشاری نیاز به پرسهایی داریم كه :

تناژ بالا داشته باشند(معمولا250 تن).

به شابلن بار ریز مجهز باشند یا قابلیت نسی این قسمت راد اشته باشند.

به سیستم محركه هیدرولیكی مجهز باشند(بمنظور تنظیم سرعت حركت پرس).

در فرایند قالبگیری انتقالی علاوه بر موارد فوق به پرسهایی با تناژ كمتر و مخصوص نیاز داریم.

پرسهای مخصوص به پرسهایی اطلاق می شود كه بتوانند هم عمل بستن صفحات قالب را انجام داده وعمل بارریزی،فشار وحرارت را تواما بوجود بیاورند.

مزایای فرآیند قالبگیری فشاری

ضایعات كم است(در این قالبها لوله راهگاه و كانال هدایت مواد وجود ندارد).

هزینه تجهیزاتی نسبتا اندك است.

عملیات می تواند بصورت خودكار یا دستی انجام بگیرد.

محصول تولید شده كامل می باشد.

جریان مواد در زمان كوتاه انجام شده در نتیجه تنش در قطعه و سائیدگی در قالب كم است.

قطعه دارای انسجام و یك پارچگی ساختار ی می باشد.

قطعات طویل به راحتی با این روش تولید می شوند.

معایب فرایند قالبگیری فشاری

قالبگیری قطعات پیچیده دشوار می باشد.

در این قالبها به قسمتهای داخلی قالب مثل پین های بیرون اندز براحتی آسیب وارد میشود.

ممكن است برای تولید برخی قطعات سیكل زمانی از حد استاندارد(2الی4دقیقه)به طور چشمگیری زیاد شود.

محصولات معیوب در این روش مجددا قابل باز یابی نیستنند.

مزایای فرایند قالبگیری انتقالی

در این فرایند نسبت به روش قبل به فشار كمتری نیاز است ،بنابراین میتوان از پرسهایی با تناژ كمتر استفاده كرد.

بعلت فشار كمتر هیچ گونه صدمه ای به قالب و اجزاء داخلی آن وارد نمی شود.

در این روش میتوان ابتدا مادهی اولیه را گرم كرد و سپس آن را به داخل قالب تزریق نمود كه نتیجه آن بهبودتوزیع دما در ماده اولیه و تشكیل شبكهای عرضی ملكولی بطور سریع میباشد .

زمان گردش عملیات كاهش یافته كه نتیجتا از عیوب قطعات می كاهد.

از طرفی بهبود در جریان مواد در این قالب ها ،توانایی تولید اشكال پیچیده را فراهم می آورد.

معایب فرایند قالبگیری انتقالی

بعلت اینكه این قالبها معمولا چند حفره ای میباشند، هزینه تولید آنها زیاد است.

اینگونه قالبها بخاطر داشتن كانال بارریز جدا گانه به امكانات ویژه نظیر پرسهای مخصوص نیاز دارند.

نتیجه گیری

با توجه به مزایا و معایب قالبهای فشاری به این نتیجه می رسیم كه فرایند قالبگیری فشاری یك روش كاملا مناسب برای تولید قطعات فشرده،طویل وقطعاتی كه دقت زیادی ندارند ، میباشد.از طرفی از این فرایند بطور عمده برای تولید قطعات ترمو ستی استفاده میشود.

بخاطر اینكه در این روش قطعاتی با ساختاری فشرده تولید میشود،امروزه استفاده از این روش برای تولید قطعات حساس همچون چرخ اتومبیل روبه افزایش است.