دانه های فوم پلیمری و فوم سازی دانه ها

دسته: مقالات منتشر شده در 22 خرداد 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 1195

تحولات گذشته و حال در فناوری دانه های فوم پلیمری و فوم سازی دانه ها

فناوری فوم سازی دانه های پلیمری به دلیل دستبابی موفقیت آمیز در تولید ترکیبات فومی با چگالی کم و ساختار هندسی پیچیده، بازار فوم پلاستیکی را گسترش داده است. این بررسی پیشرفت های اخیر در فرآوری، رفتار پخت و خواص فرآورده های دانه های فوم را بیان می کند که دارای مزایای منحصر به فردی من جمله مقاومت بالا در برابر،جذب انرژی، عایق بندی، مقاومت در برابر حرارت و شناورسازی هستند. خواص کلیدی همچون خواص مکانیکی در دانه های فوم تجاری موجود که پلی استایرن منبسط شده EPS و پلی پروپیلن منبسط شده EPP نام دارند، ارائه شده است. علاوه براین، پیشرفت های اخیر انواع جدیدی از دانه های فوم با پایۀ بیوپلیمر همچون اسید پلی لاکتید منبسط شده EPLA و ترموپلاستیک مهندسی همچون پلی یورتان ترموپلاستیک منبسط شده ETPU و پلی بوتیلن ترفتالات EPBT بحث شده است.

 

قطعات تولید شده از دانه های فوم پلیمری از ذرات فوم زیادی تشکیل شده اند که با هم در سه محصول با ابعاد سه بعدی 15 تا 120 گرم/لیتر جوش داده میشوند. بطور کلی، خواص مشابه فوم های اکسترود شده با همان دامنۀ تراکم را باتوجه به خواص مکانیکی (بعنوان جذب انرژی بالا در زمان ضربه)، هدایت حرارتی کم و عایق صوتی نشان میدهند. درمقایسه با فوم های اکسترود شده، مزیت اصلی آنها این است که میتوان قطعات بسیار سبک با هندسه های پیچیده با ابعاد بالا تولید کرد. درحقیقت، دانه هایفومتن ها فوم های مرکب از شکل نسبتآ آزاد با چگالی بسیار کمتر از 2 درصد از فوم پلیمر نشده هستند. بنابراین، آنها نه تنها در بسته بندی بعنوان مثال دستگاه های الکترونیکی استفاده میشوند بلکه در عایق بندی و مبلمان نیز هم کاربرد دارند. علاوه براین، اخیرآ به دلیل ترکیب منحصر به فردشان با چگالی کم و داشتن شکل آزاد در صنعت خودروسازی بسیار مورد توجه هستند و همچنین گزینه مناسب در بخش هایی محسوب میشوند که بایستی تنش های نسبتآ کوچک را تحمل کنند؛ برای مثال آفتاب گیر در اتومبیل. علاوه براین، استفاده از آنها به دلیل جذب بالای انرژی در اثر ضربه در صنعت خودروسازی همانند ضربه گیرهای سپر بسیار مورد توجه است. امروزه، نیروی محرکۀ استفادۀ روزافزون از دانه های فوم سبک وزن مستقیمآ با صرفه جویی در مصرف سوخت و مواد در ارتباط است. درحال حاضرعلاوه بر سیستم های اختلاط، میتوان EPS، EPE و EPP را دانه های فوم ساخته شده از سه پلیمر پایه بعنوان دانه های منبسط شده/ قابل انبساط در بازار نام برد. EPS قدیمی ترین محصول از دانه های فومی است که در سال 1949 اختراع شد و در سال 2011، تقاضای جهانی آن در یک سال به 5.8 میلیون تن رسید. در دهه 1980، EPE و به دنبال آن، EPP نیز در اوایل 1980 به بازار عرضه شدند. از آنجا که هر پلیمری نمی تواند نیازهای دانه فوم من جمله جوش خوردن (یا رفتار پخت) را تأمین کند، علم بر اصلاح این مواد با هدف مناسب سازی هرچه بیشتر پلیمرها در دانه هایفوم و جوش خوردن متمرکز شده است. برای مثال، تولید دانه های فوم ساخته شده از پلیمرهای زیستی همچون PLA زمینۀ اصلی برای پیشرفت را فراهم می کند. همچنین بهبود خواص مکانیکی و بویژه پایداری حرارتی در دانه های فوم قابل استفاده در محفظۀ موتور اتومبیل مطلوب است.

بر همین اساس، استفاده از دانه هایفوم برای محفظۀ موتور و ساخت محفظۀ بخار با حرارت بالا برای دانه های فوم ساخته شده از ترموپلاستیک فنی بسیار مهم است. روند دیگر برای پردازش مؤثرتر این دانه ها، بهینه سازی فرایند قالب گیری محفظۀ بخار است. این مقاله عمدتآ به بررسی خواص منحصر به فرد و پردازش EPS و EPP می پردازد اما همچنان به بحث درمورد مواد مختلف و جایگزین علاوه بر بررسی اجمالی از چشم انداز فناوری فوم سازی دانه ای در آینده ادامه میدهد. علاوه بر پلیمرهای ترموپلاستیک کالایی ذکر شده در بالا، پردازش دانه هایفوم و تولیدات پلیمری و بیوپلیمری بیشتر مورد توجه است که در این اینجا نیز به بحث درمورد آنها پرداخته شده است.

 

اصول فوم سازی

به منظور درک توسعۀ مورفولوژی دانه هایفومو تکنیک های پردازش آنها، داشتن دانش کلی از فوم سازی بسیاری ضروری است. این مطلبی در بسیاری از نشریات تفسیر شده است، بنابراین در اینجا آن را فقط بطور خلاصه بیان می کنیم. فرایند فوم سازی را میتوان به چهار مرحله تقسیم کرد:

 

1. تهیۀ مخلوط پلیمر/ گاز همگن

2. هسته سازی سلول ها

3. رشد سلول

4. تثبیت سلول

 

در مرحله اول، همگن سازی پلیمر با مادۀ دمنده عمدتآ توسط فرایند انتقال جرم تعیین میشود؛ همچنین عامل دمنده بایستی به داخل مواد مذاب یا دانۀ جامد پخش شده و در محلول پلیمر- گاز باقی بماند. قانون دوم معروفِ فیک میتواند وابستگی زمانی و فضایی این انتقال را تفسیر کند. علاوه بر دما، نفوذ به فشار و غلظت گاز در پلیمر نیز بستگی دارد. بنابراین، به زمان و مکان بستگی دارد. برای انتشار، حجم آزاد پلیمر مهم است زیرا با افزایش حجم آزاد میزان نفوذ نیز افزایش می یابد. در مقابل انتشار، حلالیت گاز در پلیمر نیز به شدت به فشار وابسته است. قانون هنری غلظت وابسته به فشار عامل دمنده در مذاب پلیمری را توصیف می کند. وابستگی به درجه حرارت حلال بصورت منفی نشان داده میشود: با حلالیت دمای بالاتر کاهش می یابد. علاوه براین، نرخ برش زیاد باعث کاهش حلالیت عامل دمنده در مذاب پلیمر میشود که علت آن نیز کاهش حجم آزاد ناشی از همسو شدن زنجیره های پلیمری است. در مرحله دوم، هستۀ سلول در پلیمر بایستی ایجاد شود که پس از افت فشار بعنوان مثال در سیستم گندله سازی زیر آب یا اتوکلاو، بعنوان مرکزی برای رشد سلول عمل می کند. افت ناگهانی فشار باعث کاهش حلالیت (اشباع شدن مذاب) و ایجاد نیروی محرکه برای کاهش محتوای گازی در اختلاط گاز- پلیمر میشود. متناوبآ با جهش دما میتوان به افت ناگهانی حلالیت دست یافت. هسته سازی میتواند همگن یا ناهمگن باشد. مکانیسم اخیر بر روند هسته سازی غلبه دارد؛ اگر فاز جامد دومی وجود داشته باشد (برای مثال یک ذره یا سطح تجهیزات پردازش)، گاز در این سطح به میکروحفره ها پخش شده و یک حباب ایجاد می کند. طبق تئوری هسته سازی، هسته از خوشه های مولکول های گاز داخل مذاب شروع میشود. آن فضاهای خالی بعنوان مکان های هسته دار عمل می کنند. سرعت هستۀ همگن به شدت به افت فشار بستگی دارد، افت فشار زیاد نیز به سرعت زیاد هسته منجر میشود. ازطرفی، مواد نیز به کشش سطحی بین مذاب پلیمر و گاز بستگی دارد. فرایند هسته سازی دیگر، تنش هم در کشیدگی و هم در برش است. فشار کششی در اطراف سلول های درحال رشد علت به وجود آمدن نوسانات فشار است که آن نیز باعث کاهش حلالیت و درنتیجه فوق اشباع میشود. با کمک برش میکروحفره هایی ایجاد میشود که باعث افزایش طول حباب های موجود میشوند. بطور کلی میتوان گفت که این مکانیسم ها منجر به افزایش سرعت هسته و تراکم سلول های بالاتر میشوند. مرحله سوم رشد سلول است که در طی آن، گاز ذخیره شده از مذاب به هسته انتشار می یابد. نیروی محرکۀ این فرایند فوق اشباع به وجود آمده از افت فشار یا افزایش دما است. بنابراین، فاکتورهای تعیین کننده در این فرایند دما، که نفوذ را تحت تأثیر قرار میدهد، سرعت افت فشار و فشار واقعی هستند. عوامل مهم دیگر در فوم سازی را میتوان خواص ویسکو الاستیک مذاب نام برد زیرا در زمان رشد حباب، مذاب دچار تغییر شکل کششی میشود. برای به دست آوردن فومهایی با اندازۀ سلولی مطلوب، توزیع اندازۀ سلول و درنتیجه خواص خوب (برای مثال خواص انتقال حرارتی و رفتار مکانیکی) و مورفولوژی بایستی تثبیت شده و رشد سلولی متوقف شود؛ در غیر این صورت، درشت سازی یا ادغام سلول انجام شده و مورفولوژی نهایی فوم را تخریب می کند. عامل اصلی تثبیت کاهش دمای پلیمر است که براساس آن ویسکوزیتۀ مذاب افزایش می یابد. همانطور که عامل دمنده از پلیمر پخش میشود، ویسکوزیته حتی بیشتر هم میشود زیرا گاز محلول در پلیمر بعنوان مادۀ پلاستیکی عمل می کند. در زاویۀ کشیدگی بالا سخت شدن فشار بسیار مهم است؛ به دلیل کشش زنجیره ها، ویسکوزیتۀ طولی را از مقدار خطی بالاتر می برد. به دلیل سخت تر شدن کرنش، بخش های نازک دیوارۀ سلولی نسبت به ضخامت های ضخیم تر گسترش می یابند (بخشهای نازک تر تحت فشارهای بالاتر قرار می گیرند و درنتیجه، زنجیره ها به درجۀ بالاتری می رسند). با این حال، بخش های ضخیم ترجیحآ گسترش می یابند که اصطلاحآ خود ترمیمی نامیده میشود. سخت شدن کرنش را میتوان با انشعاب زنجیره بلند، همراه با مواد افزودنی نانو با نسبت ابعاد بالا یا اختلاط های مورفولوژی فیبریل ایجاد کرد. اثرات مقابله با تثبیت سلول ایجاد شکاف در اثر تغییر شکل های بزرگ و سریع و همچنین پارگی دیواره های سلول است.

 

در این مقاله اقدامات انجام شده در فوم سازی دانه ای ازلحاظ صنعتی و علمی مشخص شده و همچنین روندها و چشم اندازهای پیشرفته ترین مواد و ماشین آلات، علاوه بر تحولات جدید بیان شده است. در حال حاضر، EPS پرکاربردترین فوم است که در مصارف کالایی که به تولید قطعات مقرون به صرفه در مقادیر زیاد بعنوان بسته بندی و عایق نیاز دارند مورد استفاده قرار می گیرد. برعکس، EPE و EPP دو فوم دانۀ گران قیمت هستند که علیرغم کاربرد معمولی شان، کشش بسیار بالایی دارند و برای بسته بندی کالاهای حساس مناسب تر هستند. بویژه اینکه، EPP علاوه بر موارد سنتی که در مواد ساختاری یافت میشود، به دلیل کاربردهای جدید بیشتر مورد توجه است؛ بطوریکه امروزه از آن در تولید مبلمان یا ترکیبات چند ماده ای استفاده میشود. اخیرآ پیشرفت هایی در ETPU صورت گرفته است، زیرا پلی یورتان ترموپلاستیک یکی از الاستیک ترین مواد قابل پردازش ترموپلاستیک محسوب میشود. فوم دانه های ساخته شده از این ماده دارای کشش فوق العاده ای هستند و گزینۀ مناسبی در میرایی ضربه های شدید در کف کفش محسوب میشوند. ازطرفی، این فوم دانه ها زمینه های تولیدی جدیدی را به وجود می آورند زیرا فوم سازی سختی TPU را بدون استفاده از پلاستیک کننده را کاهش میدهد. با این حال، تمام پیشرفته ترین فوم دانه های بطور مشترک دارای درجه حرارت کمتری هستند. بنابراین تحولات فعلی با آماده سازی ترموپلاستیک های فنی مانند FBT در فوم سازی به بررسی این مسئله می پردازند. فوم دانه های ساخته شده از پلیمر زیستی مانند PLA نیز یکی از محورهای اصلی در تحقیقات حاضر است. علاوه بر تحقیقات درمورد مواد جدید یا بهینه سازی آنها، بر پردازش فوم دانه ها نیز تمرکز شده است. فرایندهای صنعتی نشان میدهند که دستگاه های قالب گیری محفظۀ بخار برای انواع جدیدی از فوم دانه هایی که به درجه حرارت بخار بالا نیاز دارند آماده شده اند؛ که در آنجا قالب، محفظه بخار و انژکتورهایی که بایستی فشار بخار بسیار بیشتری را تحمل کنند بسیار مهم است. بهینه سازی برای مصرف کمتر انرژی با هدف تسهیل تولید مؤثر مقادیر زیادی از قطعات فوم دانه ای نیز برای اطمینان از تولید کارآمد همچنان یک چالش است. چرخه های بخاردهی و خنک کنندگی کارآمدتر از خواص اصلی دستگاه های قالب گیری قفسۀ سینۀ بخار هستند. اگرچه فوم دانه ها براساس زمان ورود به بازار، کاملآ بالغ هستند؛ اما همچنان بسیاری از سؤالات علمی درمورد تأثیر مورفولوژی منحصر به فرد آنها بر خواص شان، پدیده های فیزیکی در هنگام قالب گیری محفظۀ بخار و نحوۀ دستیابی به خواص جوش خوردن مناسب بدون پاسخ مانده اند.