نکاتی درباره پلاستیک و مواد تشکیل دهنده آن
پلاستیک یک واژه ی آشنا بوده و ماده ای است که غالباً هم در مهندسی و هم در زندگی روزمره استفاده می شود. به دلیل اینکه این ماده تقریباً در تمام عرصه زندگی روزمره ی ما استفاده می شود، به یک ماده ی ضروری تبدیل شده است. اگرچه ما از این ماده به صورت روزمره استفاده می کنیم اما اکثر مردم مجبورند قبول کنند که در واقع در مورد خود ماده دانش کمی دارند.
برنامه ریزان و تولیدکنندگان در زمینه های ساخت لوله، مهندسی مکانیک و تولید قطعات ویژه نیز به طور فزایندهای با مواد پلاستیکی روبه رو می شوند. بدین صورت است که سوالات مشابه زیر مطرح می شوند:
پلاستیک چیست؟ چگونه با ماده کار کنم؟ این ماده چه مزیت هایی نسبت به مواد مرسوم مانند بتن، آهن شکل پذیر، … دارد؟
برای کم کردن مقدمه ی پلاستیک، ما مهمترین اطلاعات مربوط به ماشین آلات پردازش پلاستیک و پلیمر را گردآوری کرده ایم.
۱-۱ دسته بندی پلاستیک ها
پلاستیک ها به سه گروه بزرگ تقسیم می شوند. شکل ۱-۱ دید کلی از گروه های پلیمر ارائه می دهد و شکل ۱-۲ مدل های ساختاری آنها را نشان می دهد.
پلاستیک یک واژه ی آشنا بوده و ماده ای است که غالباً هم در مهندسی و هم در زندگی روزمره استفاده می شود. به دلیل اینکه این ماده تقریباً در تمام عرصه زندگی روزمره ی ما استفاده می شود، به یک ماده ی ضروری تبدیل شده است. اگرچه ما از این ماده به صورت روزمره استفاده می کنیم اما اکثر مردم مجبورند قبول کنند که در واقع در مورد خود ماده دانش کمی دارند.
برنامه ریزان و تولیدکنندگان در زمینه های ساخت لوله، مهندسی مکانیک و تولید قطعات ویژه نیز به طور فزایندهای با مواد پلاستیکی روبه رو می شوند. بدین صورت است که سوالات مشابه زیر مطرح می شوند:
پلاستیک چیست؟ چگونه با ماده کار کنم؟ این ماده چه مزیت هایی نسبت به مواد مرسوم مانند بتن، آهن شکل پذیر، … دارد؟
برای کم کردن مقدمه ی پلاستیک، ما مهمترین اطلاعات مربوط به ماشین آلات پردازش پلاستیک و پلیمر را گردآوری کرده ایم.
۱-۱ دسته بندی پلاستیک ها
پلاستیک ها به سه گروه بزرگ تقسیم می شوند. شکل ۱-۱ دید کلی از گروه های پلیمر ارائه می دهد و شکل ۱-۲ مدل های ساختاری آنها را نشان می دهد.
ترموستها و الاستومرها
ترموست ها و الاستومرها در ساخت لوله ی پلاستیکی تقریباً نقش دوم را بازی می کنند و در نتیجه در این کتاب راهنمای مشخصات تنها به صورت خلاصه بررسی می شوند.
شکل 2-1
پلاستیک های ترموست داراری ساختار شبکه ای نزدیک درشت مولکول دارند (شکل ۱-۲). در نتیجه، این پلاستیک ها معمولاً سخت، شکننده و غیر قابل ذوب می باشند. به این دلیل، تولیدکننده ها جرم ذوبشده را با پرکننده هایی مخلوط می کنند که تنها کاربرد پرکنندگی (یعنی ذخیرهی ماده) بلکه اصولاً برای بهبود خواص ماده افزوده می شوند.
مهندسی نیروگاه، حوزهی کاربرد مربوط به ساخت لوله می باشد (ظروف، فلانژها و … فایبرگلاس تقویت شده).
الاستومرها (معروف به لاستیک ولکانیزه شده) توسط واکنش هم زنجیر کردن (ولکانیزاسیون) از لاستیک طبیعی یا مصنوعی ساخته می شوند. ولکانیزاسیون لاستیک یک شبکه ی عریض، درهمرفته ی سست ایجاد می کند که به ماده کیفیت معمولی لاستیک تحت شرایط عادی کاربرد آن را میدهد. الاستومرها در ساخت لوله به عنوان آببندها (ارینگ ها، درزگیرهای تخت،…) میان المان های متصل مورد استفاده قرار میگیرند.
ترموست ها و الاستومرها در ساخت لوله ی پلاستیکی تقریباً نقش دوم را بازی می کنند و در نتیجه در این کتاب راهنمای مشخصات تنها به صورت خلاصه بررسی می شوند.
شکل 2-1
پلاستیک های ترموست داراری ساختار شبکه ای نزدیک درشت مولکول دارند (شکل ۱-۲). در نتیجه، این پلاستیک ها معمولاً سخت، شکننده و غیر قابل ذوب می باشند. به این دلیل، تولیدکننده ها جرم ذوبشده را با پرکننده هایی مخلوط می کنند که تنها کاربرد پرکنندگی (یعنی ذخیرهی ماده) بلکه اصولاً برای بهبود خواص ماده افزوده می شوند.
مهندسی نیروگاه، حوزهی کاربرد مربوط به ساخت لوله می باشد (ظروف، فلانژها و … فایبرگلاس تقویت شده).
الاستومرها (معروف به لاستیک ولکانیزه شده) توسط واکنش هم زنجیر کردن (ولکانیزاسیون) از لاستیک طبیعی یا مصنوعی ساخته می شوند. ولکانیزاسیون لاستیک یک شبکه ی عریض، درهمرفته ی سست ایجاد می کند که به ماده کیفیت معمولی لاستیک تحت شرایط عادی کاربرد آن را میدهد. الاستومرها در ساخت لوله به عنوان آببندها (ارینگ ها، درزگیرهای تخت،…) میان المان های متصل مورد استفاده قرار میگیرند.
۱-۳ ترموپلاستیک ها
ترموپلاستیک ها برای ساخت لوله بسیار حائز اهمیت می باشند. پلاستیک غالبا در ساخت لوله، پولیولفین می باشد که مهمترین نمونه های آن پلیاتیلن و پلیپروپیلن می باشد. این مواد به دسته ای از ترموپلاستیک های شبه کریستالی تعلق دارند. به عنوان یک قانون، ترموپلاستیک ها به وسیله ی یکی از سه فرایند زیر تولید می شوند:
-پلیمریزاسیون
-چند افزایشی
-بسپارش تراکمی
فرایندهای مختلف، پلاستیک های مختلف با خواص متفاوت ایجاد می کنند. در هر فرایند تولید، روندهای خاصی وجود دارد که ظاهر و ویژگی های پلاستیکهای ویژه را تحت تاثیر قرار می دهند. ترموپلاستیک ها می توانند به دو گروه دیگر نیز تقسیم شوند: میان ترموپلاستیک های آمورف و شبه کریستالی تفاوتی به وجود می آید. باید دقت شود که پلاستیک ها به ندرت به شکل خالص خود مورد استفاده قرار می گیرند اما معمولاً به صورت مخلوط استفاده می شوند که به عنوان مخولط ها یا ترکیب ها شناخته می شوند. ترکیب پلاستیک ها به هدف و حوزه ی کاربرد آنها بستگی دارند. مخلوط ها امکان تولید ویژگی های (خواص مکانیکی، فیزیکی یا شیمیایی) جدید یا تغییر ویژگی ها را فراهم می کنند.
با این حال نمی توان هر نوع پلاستیک را با نوع دیگر ترکیب کرد. اکثراً برای ایجاد هر پیوند به عوامل پیوندی یا دیگر افزدودنی ها نیاز است.
ترموپلاستیک ها برای ساخت لوله بسیار حائز اهمیت می باشند. پلاستیک غالبا در ساخت لوله، پولیولفین می باشد که مهمترین نمونه های آن پلیاتیلن و پلیپروپیلن می باشد. این مواد به دسته ای از ترموپلاستیک های شبه کریستالی تعلق دارند. به عنوان یک قانون، ترموپلاستیک ها به وسیله ی یکی از سه فرایند زیر تولید می شوند:
-پلیمریزاسیون
-چند افزایشی
-بسپارش تراکمی
فرایندهای مختلف، پلاستیک های مختلف با خواص متفاوت ایجاد می کنند. در هر فرایند تولید، روندهای خاصی وجود دارد که ظاهر و ویژگی های پلاستیکهای ویژه را تحت تاثیر قرار می دهند. ترموپلاستیک ها می توانند به دو گروه دیگر نیز تقسیم شوند: میان ترموپلاستیک های آمورف و شبه کریستالی تفاوتی به وجود می آید. باید دقت شود که پلاستیک ها به ندرت به شکل خالص خود مورد استفاده قرار می گیرند اما معمولاً به صورت مخلوط استفاده می شوند که به عنوان مخولط ها یا ترکیب ها شناخته می شوند. ترکیب پلاستیک ها به هدف و حوزه ی کاربرد آنها بستگی دارند. مخلوط ها امکان تولید ویژگی های (خواص مکانیکی، فیزیکی یا شیمیایی) جدید یا تغییر ویژگی ها را فراهم می کنند.
با این حال نمی توان هر نوع پلاستیک را با نوع دیگر ترکیب کرد. اکثراً برای ایجاد هر پیوند به عوامل پیوندی یا دیگر افزدودنی ها نیاز است.
۱-۳-۱ ترموپلاستیک های آمورف
آرایش پیوند مولکلولی به چندین فاکتور بستگی دارد. ساختار شیمیایی مولکول زنجیره (یا ساختار درشت مولکول) به صورت ویژه مهم می باشد. یک ساختار فضایی منظم با زنجیره های جانبی طویل و سنگین جلوگیری می شود. به دلیل اینکه پیوند مولکولی در میان مقداری تا نامنظمی کامل وجود دارد، ساختار مانند ساختار یک لوله ی پنبهای می شود. بهترین نمونه ی این گروه عبارتند از:
-پلی استرین (PS)
-پلی کربنات (PC)
-پلی متیل متاکریلات (PMMA->plexiglas)
-پلی وینیل کلرید (PVC)
در حالت بدون رنگ، ترموپلاستیک های آمورف به شفافی شیشه می باشند.
۱-۳-۲ ترموپلاستیک های شبه کریستالی
ترموپلاستیک های شبه کریستالی نواحی یکنواخت شیمیایی و ساختار هندسی را توسعه می دهند (شکل ۱-۲)، که به این معناست که در آن نواحی وجود دارد که کریستال ها شکل می گیرند. کریستال ها به عنوان گروه های موازی بخش های مولکولی یا چین هایی در زنجیره های مولکولی شناخته می شوند. درنتیجه، برخی مولکول های زنجیری تا حدودی از نواحی کریستالی و آمورف عبور می کنند یا حتی می توانند به صورت همزمان به چند کریستالیت تعلق داشته باشند. ترموپلاستیک های شبه کریستالی به رنگ سفید می باشند. به دلیل آرایش متراکم مولکولها در در پیوندهای کریستالی، کریستالیت ها نور را منعکس می کنند.
آرایش پیوند مولکلولی به چندین فاکتور بستگی دارد. ساختار شیمیایی مولکول زنجیره (یا ساختار درشت مولکول) به صورت ویژه مهم می باشد. یک ساختار فضایی منظم با زنجیره های جانبی طویل و سنگین جلوگیری می شود. به دلیل اینکه پیوند مولکولی در میان مقداری تا نامنظمی کامل وجود دارد، ساختار مانند ساختار یک لوله ی پنبهای می شود. بهترین نمونه ی این گروه عبارتند از:
-پلی استرین (PS)
-پلی کربنات (PC)
-پلی متیل متاکریلات (PMMA->plexiglas)
-پلی وینیل کلرید (PVC)
در حالت بدون رنگ، ترموپلاستیک های آمورف به شفافی شیشه می باشند.
۱-۳-۲ ترموپلاستیک های شبه کریستالی
ترموپلاستیک های شبه کریستالی نواحی یکنواخت شیمیایی و ساختار هندسی را توسعه می دهند (شکل ۱-۲)، که به این معناست که در آن نواحی وجود دارد که کریستال ها شکل می گیرند. کریستال ها به عنوان گروه های موازی بخش های مولکولی یا چین هایی در زنجیره های مولکولی شناخته می شوند. درنتیجه، برخی مولکول های زنجیری تا حدودی از نواحی کریستالی و آمورف عبور می کنند یا حتی می توانند به صورت همزمان به چند کریستالیت تعلق داشته باشند. ترموپلاستیک های شبه کریستالی به رنگ سفید می باشند. به دلیل آرایش متراکم مولکولها در در پیوندهای کریستالی، کریستالیت ها نور را منعکس می کنند.
درجه ی کریستالی شدن، خواص و شفافیت پلاستیک را در حالت بدون رنگ خود به شدت تحت تاثیر قرار می دهد. استفاده از یک نرخ خنک سازی شتاب یافته تمایل کریستالی شدن ماده را به صورت چشمگیری تحت تاثیر قرار میدهد. مهمترین انواع ترموپلاستیک های شبه کریستالی عبارتند از :
-پلی اتیلن (PE)
-پلی پروپیلن (PP)
-پلی اکسی متیلن (POM)
۱-۴ مشخصات ترموپلاستیک های آمورف و شبه کریستالی
مقایسه ی ترمپلاستیک های آمورف با شبه کریستالی چندین خاصیت متمایز را آشکار می سازد. مهمترین تمایزهای کیفی در زیر مقایسه شده اند.
برخلاف ترموپلاستیک های شبه کریستالی، ترموپلاستیک های آمورف:
-استحکام بیشتر
-صلبیت بیشتر
-سختی سطح بیشتر
-کیفیت سطح بهتر
-انبساط حرارتی کمتر
–اعوجاج کمتر
از خود نشان میدهند.
-پلی اتیلن (PE)
-پلی پروپیلن (PP)
-پلی اکسی متیلن (POM)
۱-۴ مشخصات ترموپلاستیک های آمورف و شبه کریستالی
مقایسه ی ترمپلاستیک های آمورف با شبه کریستالی چندین خاصیت متمایز را آشکار می سازد. مهمترین تمایزهای کیفی در زیر مقایسه شده اند.
برخلاف ترموپلاستیک های شبه کریستالی، ترموپلاستیک های آمورف:
-استحکام بیشتر
-صلبیت بیشتر
-سختی سطح بیشتر
-کیفیت سطح بهتر
-انبساط حرارتی کمتر
–اعوجاج کمتر
از خود نشان میدهند.
برخلاف ترمپلاستیک های آمورف، ترموپلاستیکه ای شبه کریستالی:
-قابلیت ارتجاع بیشتر
-حساسیت به ضربه ی کمتر
-انعطاف پذیری و الاستیسیته ی بیشتر
از خود نشان میدهند.
۱-۵ ماشین های فرآوری پلاستیک
ماشین های فرآوری پلاستیک برای تبدیل پلاستیک خام (عمدتاً به صورت دانهای) به محصولات نیمه کاره استفاده می شوند. بخش زیر به طور خلاصه مهمترین ماشین های فرآوری پلاستیک را ترسیم کرده و توابع و کاربردهای آنها را به صورت عبارات ساده تشریح می کند. ماشین هایی که برای تولید لوله ها و اتصالات پلاستیکی مهم می باشند تاکید خواهند شد.
-قابلیت ارتجاع بیشتر
-حساسیت به ضربه ی کمتر
-انعطاف پذیری و الاستیسیته ی بیشتر
از خود نشان میدهند.
۱-۵ ماشین های فرآوری پلاستیک
ماشین های فرآوری پلاستیک برای تبدیل پلاستیک خام (عمدتاً به صورت دانهای) به محصولات نیمه کاره استفاده می شوند. بخش زیر به طور خلاصه مهمترین ماشین های فرآوری پلاستیک را ترسیم کرده و توابع و کاربردهای آنها را به صورت عبارات ساده تشریح می کند. ماشین هایی که برای تولید لوله ها و اتصالات پلاستیکی مهم می باشند تاکید خواهند شد.
۱-۵-۱ اکسترودر
اکسترودرها برای تولید لوله ها در کنار سنبه ها، واحدهای خنک سازی، واحدهای استخراج کننده و برش دهنده ها مورد استفاده قرار می گیرند. به دلیل افزایش استانداردهای کیفیت، اکنون یک تاسیسات اکستروژن مدرن شامل سیستم های اندازه گیری درون خطی می شود (به عنوان مثال سنجش گر ضخامت دیواره) که امکان پاسخ های فوری به بی قاعدگی ها را در حین فرایند تولید فراهم می کند. اصول کاربردی اکسترودر شامل ذوب (یعنی نرم کردن) ماده ی خام (یعنی دانه ها) و شکل دادن آنها به یک فرم جدید از طریق فشردن یک سنبه متصل به واحد خنک سازی میشود.
اکسترودرها برای تولید لوله ها در کنار سنبه ها، واحدهای خنک سازی، واحدهای استخراج کننده و برش دهنده ها مورد استفاده قرار می گیرند. به دلیل افزایش استانداردهای کیفیت، اکنون یک تاسیسات اکستروژن مدرن شامل سیستم های اندازه گیری درون خطی می شود (به عنوان مثال سنجش گر ضخامت دیواره) که امکان پاسخ های فوری به بی قاعدگی ها را در حین فرایند تولید فراهم می کند. اصول کاربردی اکسترودر شامل ذوب (یعنی نرم کردن) ماده ی خام (یعنی دانه ها) و شکل دادن آنها به یک فرم جدید از طریق فشردن یک سنبه متصل به واحد خنک سازی میشود.
یک اکسترودر (شکل ۱-۴) میتواند به یک، دو یا چندین ماردون (معروف به شفت های حلزونی) مجهز شود. بسته به موادی که فرآوری می شوند و محصول نیمه تمام تولیدی، برای تامین نیازهای فرایند تولید باید اکسترودرهای ویژه ساخته شوند. به خصوص برای فرآیندهای پلاستیکی کردن واقعی (یعنی ذوب کردن ماده ی خام فراهم شده)، ماردون ها، هندسه ی ماردون و دمای سلیندرهای گرما داده شده حائز اهمیت می باشند. به دلیل نیروی برشی در ماده، ماده در دما و فشار افزایشی مربوطه ی سیلندر توسط هندسه ی ماردون اکسترودر و سنبه نرم شده (پلاستیکی شده) و سپس در امتداد کانال های ماردون منتقل می شود. ماده های که باید نرم شود (ذوب شود) به داخل اکسترودر خورانده می شود، معمولاً به شکل دان های. اغلب ماردون های سه بخشی در اکسترودرهای استاندارد شده ی تک ماردون در کنار جداسازهای ماردون مورد استفاده قرار می گیرد. ماده پلاستیکی شده از طریق سنبه فشرده شده و در یک بخش اندازه دهی و خنکسازی، سرد می شود. اتصالات (به عنوان مثال لوله، پروفیل، میله ی صلب) در واحد اندازه دهی ثابت می شوند. در نتیجه ی این فرایند، پلاستیک به خصوص زنجیره های درشت مولکلول به یک چیدمان و توازن در می آیند. این امر در عبارات تکنیکی، “جهت گیری” نامیده می شود. اکستروژن شامل فرایندی متوالی می شود (یعنی فرایند بدون تداخل بوده مگر اینکه ماشین خاموش شود یا برای آن ماده فراهم نشود).