جهت‌گیری پلیمرها

هنگام جریان پلیمر در کویته قالب تزریق پلاستیک مولکولهای پلیمری خود را در جهت جریان همسو می کنند. میزان این جهت گیری (Orientation) به دمای مذاب و سرعت برشی (Shear Rate) که ماده در معرض آن قرار می گیرد بستگی دارد. هنگامی که جریان مواد متوقف می شود، جهت گیری مولکولی القا شده در مواد با سرعتی که توسط دمای مذاب و شرایط طراحی سیستم خنک کاری قالب تعیین میشود، دوباره به حالت پایدار اولیه (Relaxation) بر خواهد گشت. حال  اگر قبل از کامل شدن فرآیند برگشت به حالت اولیه پلیمر مذاب خنک شود، در اصطلاح جهت گیری در آن نیز یخ میزند. این پدیده باعث ایجاد تنش پسماند در محصول شده و باعث تغییر در میزان انقباض (Shrinkage) محصول نهایی و تابیدگی (Warpage) آن میشود. همچنین ذات جهت گیری پلیمری باعث تغییر در خواص مکانیکی و استحکامی مجصول میشود که در این مقاله به طور مختصر به شرح این دو موضوع خواهیم پرداخت.

تأثیر جهت گیری در تغییر خواص فیزیکی:

جهت جریان مواد هنگام قالب گیری به روش تزریق می تواند تأثیر بسزایی در تعیین بسیاری از خواص فیزیکی محصولات تولیدی توسط این روش از جمله استحکام، سفتی، شکل پذیری و هدایت الکتریکی داشته باشد. به منظور بهبود و تقویت بسیاری از این ویژگی ها به پلیمر ادتیو رشته های فیبری (Additive Fiber) نیز اضافه میکنند.

محصولات پلاستیکی معمولا هنگام اعمال نیروی کششی (Tensile Load) در جهت موازی با جهت جریان مواد مقاوم تر هستند و نیز هنگامیکه نیروی خمش (Flexural Load) به آنها وارد میشود در جهت عمود بر جریان مواد استحکام بیشتری دارند.

 

تأثیر جهت گیری بر میزان انقباض و تابیدگی محصول:

همانطور که در بالا نیز اشاره شد، جهتگیری و یا به بیانی صحیح تر یخ زدگی جهتگیری پلیمرها در محصول باعث شکلگیری تنش پسماند در مواد مذاب شده و این امر در نهایت موجب انقباض خارج از کنترل و ناخواسته محصول و تابیدگی آن میشود. اما چه پارامترهای از جهتگیری، چگونه و به چه اندازه میتواند در این امر دخیل باشد سوالی است که در ذیل به بررسی پاسخ آن خواهیم پرداخت.

 

 

• بزرگی جهت گیری پلیمر و جهتگیری ادتیوها:

به دلیل آنکه در بعضی از پلیمرها میزان انقباض در جهت موازی و عمود بر جهت جریان متفاوت است، وجود جهت گیری های متنوع میتواند موجب بروز انقباض های نا متقارن در محصول شود. هر چه تعداد این جهت گیری ها بیشتر باشد ، تنوع بیشتری نیز در انقباض ایجاد می شود. عدم تقارن در میزان انقباض محصول میتواند منجر به تابیدگی محصول شود.
تنش برشی بالا ، که معمولا با انجام آنالیز پر شدن قالب قابل محاسبه است ، علت اصلی بالارفتن مقدار بزرگی جهت گیری است. لازم به ذکر است که در فرآیند تزریق پلاستیک نقاط نزدیک به گیت ها و نیز آخرین مناطقی که در قالب پر میشوند در معرض بیشترین مقادیر تنش برشی هستند. افزایش دمای بدنه قالب میتواند باعث افزایش زمان برگشت جهت مولکولهای مواد به حالت اولیه و کاهش میزان یخ زدگی جهت گیری و در نهایت کاهش تنش پسماند در محصول شود.

• جهت جریان:

یک جریان با جهت گیری ناهمسان و متنوع میتواند منجر به بروز انقباض های پیچیده در محصول شود. یک محصول دیسکی شکل را در نظر بگیرید که گیت در مرکز آن قرار گرفته است. جریان پلیمر در آن دایره ای شکل 360 درجه است که این موضوع باعث بروز جهت گیری بسیار متنوعی در محصول میشود. این جهت های متضاد جریان منجر به این می شود که مواد در جهت های بی نهایت متغیر در اطراف منقبض شوند.

همین شرایط را برای قطعه ای باریک در نظر بگیرید که گیت در ابتدای آن قرار گرفته و جهت نمودار جریان در آن کاملا یکدست و همسو است. انقباض در سرتاسر محصول به شکلی یکدست، قابل پیش بینی و قابل محاسبه اتفاق خواهد افتاد.

• نوع جریان:

الگوی جریان پیشرو (Flow Front Pattern)، مشخصا نمایشگر جهت گیری مولکولی در لایه های بیرونی محصول نهایی است. اما جهت گیری لایه های میانی کاملا متفاوت است. جهت گیری در لایه های میانی تحت تاثیر نوع جریان و جریان گذرا تعیین میشود. نوع جریان می تواند خطی ، واگرا یا همگرا باشد. جریانهای خطی و همگرا باعث می شود که لایه های میانی در جهت جریان اولیه همسو شوند. اما واگرایی بودن جبهه های جریان باعث به جود آمدن یک نیروی گسترده ای بر خلاف جهت جریان میشود. این نیرو باعث جهت گیری لایه های میانی در جهت عمود بر جریان اولیه میشود و همین تفاوت در جهت گیری لایه های خارجی و میانی باعث انقباض های متفاوت در سطح مقطع محصول و ایجاد تنش پسماند در آن میگردد.