شکست مذاب در محصولات پلیمری

شکست مذاب یک اعوجاج شدید محصولات اکسترود شده است که می تواند اشکال مختلفی داشته باشد: مارپیچ، نخل، موج معمولی، شکست تصادفی و غیره که در شکل زیر نشان داده شده است:

شکست مذاب مانند پوست کوسه یک نقص سطحی نیست. بلکه، با کل توده مذاب اکسترود شده مرتبط است. با این حال، بسیاری از محققین بین پوست کوسه و شکست مذاب تمایز قائل نمی‌شوند، اما تمام این ناپایداری‌های جریان را تحت عنوان شکست مذاب با هم جمع می‌کنند. مقالات زیادی در مورد شکست مذاب وجود دارد . با وجود تعداد زیادی از مطالعات در مورد شکست مذاب، توافق روشنی در مورد علت و مکانیسم دقیق آن وجود ندارد. کاملاً ممکن است که مکانیسم‌ها برای پلیمرهای مختلف و/یا هندسه‌های کانال جریان متفاوت یکسان نباشد . پلیمرهای خطی تمایل به ایجاد ناپایداری در طول قالب را دارند، در حالی که پلیمرهای شاخه دار تمایل به ایجاد ناپایداری در ناحیه همگرا کانال جریان قالب را دارند. با این حال، توافق نسبتاً یکنواختی وجود دارد که شکست مذاب زمانی ایجاد می‌شود که تنش برشی بحرانی دیواره، در حد 0.1 تا 0.4 مگاپاسکال (15 تا 60 psi)، در قالب بیش از مقدار ماکسیمم باشد.

تعدادی مکانیسم برای توضیح شکست مذاب پیشنهاد شده است. برخی ازمهم ترین آنها عبارتند از:

• تغییر شکل الاستیک بحرانی در ناحیه ورودی
• کرنش الاستیک بحرانی
• جریان لغزشی در قالب

اهمیت طراحی منطقه ورودی توسط بسیاری از محققین نشان داده شده است. به طور کلی، هرچه زاویه ورودی کوچکتر باشد، نرخ تغییر شکلی که در آن ناپایداری رخ می دهد، بیشتر می شود. گلیسل کرنش الاستیک بحرانی را که با کرنش قابل بازیابی اندازه گیری می شود به عنوان یک معیار پیشنهاد کرده است. بر اساس اندازه گیری انجام شده از یازده سیال، او وجود یک مقدار بحرانی را به صورت نسبت اولین تفاوت تنش نرمال به تنش برشی پیشنهاد کرد. مقدار متوسط ​​4.63، با انحراف معیار حدود 5٪ برای یازده سیال بسیار متفاوت بدست آمد. تفاوت های بسیار بزرگتری در تنش برشی بحرانی پلیمرها مشاهده شد. میانگین 3.7 بار با انحراف معیار حدود 55٪ بود. در سال 1961، Benbow، Charley و Lamb مکانیسم لغزش چسبناک یا ایستایی را برای توضیح ناپایداری جریان و اعوجاج اکسترود معرفی کردند. بیش از یک تنش بحرانی خاص، اعتقاد بر این است که مذاب پلیمری به دلیل عدم چسبندگی بین مذاب و دیواره قالب، لغزش متناوب را تجربه می کند. تصور می شود که این لغزش انرژی تغییر شکل بیش از حد جذب شده در نتیجه جریان از طریق قالب را کاهش می دهد. تعداد زیادی از محققین با تکنیک های مختلف این لغزش را مشاهده کرده اند.

کار جدیدتر Utracki و Gendron در مورد نوسانات فشاری که در طول فرآیند اکستروژن پلی اتیلن ها رخ می دهد  آنها را به این نتیجه رساند که به نظر نمی رسد نوسان فشار به کشش یا لغزش مربوط باشد. بلکه پارامتری که بیشترین ارتباط را با نوسانات فشار دارد،مقدار کرنش بحرانی (Hencky) مذاب است. برای پلی اتیلن خطی با چگالی کم کمتر از 3 (LLDPE)،  برای پلی اتیلن با چگالی بالا کمتر از 2 (HDPE)، در حالی که برای پلی اتیلن با چگالی کم کمتر از 3.5 (LDPE)،به نظر می رسد ناپایداری به ناتوانی مذاب پلیمر در حفظ سطوح کرنش بزرگتر از کرنش بحرانی مربوط می شود.ساده کردن هندسه کانال جریان، تمایل به شکست مذاب را در پلیمرهای شاخه دار کاهش می دهد. افزایش دما، به ویژه در دیواره طول قالب، نرخ فرآیند اکستروژن را تا حد ممکن افزایش می دهد، در حالی که از شکست مذاب نیز جلوگیری می کند. به نظر می رسد که تنش برشی بحرانی دیواره نسبتاً مستقل از طول قالب، شعاع و دما باشد. به نظر می رسد تنش بحرانی با وزن مولکولی نسبت عکس دارد و مستقل از MWD است. پلیمرهای خاصی یک ناحیه ابراکستروژن[1] را در بالای محدوده شکست مذاب نشان می دهند که در آن اکسترود اعوجاج ندارد . فرآیند ابر اکستروژن به ویژه برای پلیمرهایی که با سرعت نسبتاً پایین شکسته می شوند مانند FEP سودمند است. در ابراکستروژن، اعتقاد بر این است که مذاب پلیمری به طور نسبتاً یکنواختی در امتداد دیواره قالب می لغزد. وقوع لغزش در قالب های اکسترودر توسط تعدادی از محققین مورد مطالعه قرار گرفته است  با این حال، هنوز مشخص نیست که آیا لغزش -ایستایی یا چسبناک ، از دست دادن تماس واقعی بین مذاب پلیمر و دیواره فلزی یا شکست یک لایه پلیمری نازک بسیار نزدیک به سطح فلز است.

مشکل شکست مذاب را می توان با ساده کردن قالب، افزایش دما در طول قالب، کارکردن در سرعت های پایین تر، کاهش وزن مولکولی یا ویسکوزیته مذاب پلیمر، افزایش سطح مقطع کانال جریان خروجی، یا با استفاده از روان کننده های خارجی کاهش داد. یک روان کننده خارجی در برخی موارد، مشکل شکست مذاب را می توان با رفتن به  سطح فرآیند ابراکستروژن حل کرد. این فرآیند اغلب در صنعت پوشش سیم استفاده می شود که در آن سرعت بالای خط برای تولید اقتصادی بسیار مهم است.

هوشیار حیدری

منبع: onlinepolymer.com-آنلاین پلیمر

کپی از  این مطلب با ذکر منبع بلامانع است.