چه رابطه‌ای بین دمای انتقال شیشه‌ای پلاستیک‌ها و عملکرد عامل سفت‌کننده پلاستیک وجود دارد؟

اگر تا به حال یک بطری آب نرم و منعطف را در دست گرفته‌اید که پس از افتادن به عقب برمی‌گردد، یا یک قاب گوشی سفت و سخت که هنگام لیز خوردن ترک نمی‌کند، شاهد کار دو عامل مهم در عملکرد پلاستیک بوده‌اید: دمای انتقال شیشه (Tg) و عوامل سفت‌کننده پلاستیک. به‌عنوان تامین‌کننده این راه‌حل‌های سخت‌کننده، من سال‌ها با تولیدکنندگان کار کرده‌ام تا این دو متغیر را تنظیم کنم، و تعادل بین آنها جایی است که جادوی پلاستیک‌های کاربردی اتفاق می‌افتد. بیایید این رابطه را به صورت ساده و کاربردی بشکنیم - نه فقط برای مهندسان، بلکه برای هر کسی که تا به حال فکر کرده است که چرا یک پلاستیک به این شکل عمل می کند.

ابتدا، بیایید خودمان را در مورد اینکه Tg در واقع چیست، بسنجیم. برای پلاستیک‌ها، Tg مانند یک کلید مولکولی است: در زیر این دما، زنجیره‌های پلیمری سفت و سخت هستند، توسط نیروهای بین مولکولی قوی در جای خود قفل می‌شوند و پلاستیک را سخت، شکننده می‌کنند و در هنگام استرس مستعد شکستن می‌شوند. در بالای Tg، آن زنجیره‌ها انرژی کافی برای حرکت و خم شدن به دست می‌آورند و مواد را لاستیکی و بادوام‌تر می‌کنند. برای زمینه، پلاستیک های مهندسی سفت و سخت معمولی مانند پلی کربنات (PC) دارای Tg در حدود 150 درجه سانتیگراد هستند - بنابراین در دمای اتاق (حدود 25 درجه سانتیگراد)، در حالت شیشه ای خود محکم می نشینند، به همین دلیل است که از آنها برای عینک ایمنی یا پنجره های مقاوم در برابر ضربه استفاده می شود. اما این استحکام زمانی مشکل ساز می شود که به قطعه ای نیاز دارید تا در برابر سقوط های مکرر، ارتعاشات یا ضربه های ناگهانی مقاومت کند: پلاستیک شیشه ای را از نقطه شکست خود عبور دهید، و بدون شکستگی، شکاف می خورد. اینجاست که عوامل سفت کننده پلاستیک وارد می شوند.

مواد سفت کننده افزودنی هایی هستند - اغلب الاستومرها یا مواد لاستیک مانند - که برای دخالت در ساختار مولکولی پلاستیک طراحی شده اند تا از گسترش آن ترک های شکننده جلوگیری کنند. رایج ترین نوع آن با تشکیل ذرات ریز و مجزا که در سراسر ماتریس پلاستیکی پراکنده شده اند، کار می کند. وقتی پلاستیک تحت فشار قرار می‌گیرد، این ذرات تغییر شکل می‌دهند، انرژی را جذب می‌کنند که در غیر این صورت به شکستن زنجیره‌های پلیمری منجر می‌شود و حفره‌های کوچکی ایجاد می‌کنند که نوک ترک‌ها را قبل از اینکه رشد کنند، صاف می‌کنند. ساده به نظر می رسد، درست است؟ اما چالش واقعی در تطبیق این مواد افزودنی با Tg پلاستیک نهفته است، زیرا در اینجاست که بسیاری از تولیدکنندگان اشتباه می کنند.

بیایید یک مثال از دسته محصولی که من به خوبی می شناسم در نظر بگیریم: پلاستیک های مهندسی. چند سال پیش، مشتری با یک مشکل به ما مراجعه کرد: آنها یک قطعه داخلی خودرو از پلی پروپیلن (PP) سفارشی داشتند. PP دارای Tg در حدود -10 درجه سانتیگراد است، بنابراین در دمای اتاق، از قبل نسبتاً انعطاف پذیر است، اما قسمت آنها در سرمای شدید ترک خورده بود، مانند زمستان مینه سوتا، زمانی که دما به زیر 20 درجه سانتیگراد کاهش یافت. آنها سعی کردند یک عامل سفت کننده استاندارد ساخته شده برای پلاستیک های کم Tg اضافه کنند، اما این ماده فقط باعث نرم تر شدن قطعه شد، نه سخت تر در دمای زیر صفر. موضوع؟ Tg خود عامل سفت کننده خیلی بالا بود. این افزودنی به گونه ای طراحی شده بود که در دمای اتاق لاستیک بماند، اما زمانی که دما به زیر Tg آن کاهش یافت، سفت شد، بنابراین جذب انرژی ضربه را متوقف کرد. وقتی آنها را به یک عامل سفت کننده مناسب برای کار با Tg PP تغییر دادیم - ماده ای که در دمای -30 درجه سانتیگراد لاستیکی باقی می ماند - مقاومت قطعه در برابر ضربه دو برابر شد و سفتی خود را در دمای عملیاتی معمولی حفظ کرد. این هسته رابطه است: یک عامل سفت کننده باید Tg حداقل 20-30 درجه سانتیگراد کمتر از Tg پلاستیک داشته باشد تا همانطور که در نظر گرفته شده عمل کند.

بیایید عمیق تر به دلیل اهمیت این شکاف بپردازیم. برای ماتریس پلاستیکی با Tg 120 درجه سانتیگراد (مانند PC)، عامل سفت کننده به Tg زیر 90 درجه سانتیگراد نیاز دارد. اگر بالاتر باشد، ذرات همراه با ماتریس شیشه ای می شوند، بنابراین نمی توانند برای جذب انرژی تغییر شکل دهند. در عوض، آنها به عنوان اجزای سفت و سخت عمل می کنند که در واقع نقاط تنش بیشتری ایجاد می کنند و پلاستیک را شکننده تر می کنند. اگر کمتر باشد - مثلاً 0 درجه سانتیگراد - عامل در تمام دماهایی که پلاستیک با آن مواجه می‌شود کاملاً لاستیکی باقی می‌ماند، بنابراین همیشه آماده است تا ترک‌ها را بدون کاهش سفتی ماتریس بالاتر از Tg خود کاهش دهد. اندازه و پراکندگی ذرات نیز مهم است، اما Tg نقطه شروع غیرقابل مذاکره است. به عنوان مثال، در پلاستیک‌های شفاف، جایی که نمی‌توانید ذرات بزرگی داشته باشید که مواد را کدر می‌کنند، از مواد سفت‌کننده در اندازه نانو با مقادیر Tg دقیقا تنظیم شده استفاده می‌کنیم. ما اخیراً روی یک فیلم محافظ رایانه شخصی شفاف برای صفحه نمایش گوشی های هوشمند کار کردیم: Tg فیلم 145 درجه سانتیگراد است، بنابراین عامل سفت کننده ما Tg 10- درجه سانتیگراد دارد. ذرات نانو به قدری کوچک هستند که شفافیت را تحت تأثیر قرار نمی‌دهند و شکاف Tg به این معنی است که آنها لاستیکی می‌مانند و ضربه قطره‌ها را جذب می‌کنند بدون اینکه فیلم آنقدر نرم شود که خراشیده یا تغییر شکل دهد.

این فقط در مورد عملکرد دمای پایین نیست. برای پلاستیک های مورد استفاده در محیط های گرم، Tg حتی مهم تر می شود. پلاستیک های مهندسی مورد استفاده در قطعات خودروهای زیر کاپوت را در نظر بگیرید، جایی که دما می تواند به 120 درجه سانتی گراد برسد. اگر ماتریس دارای Tg 130 درجه سانتیگراد باشد، Tg عامل سفت کننده باید حدود 100 درجه سانتیگراد باشد. اگر Tg عامل بسیار کم باشد، مثلاً 20- درجه سانتیگراد، در دمای کار بالای 100 درجه سانتیگراد، عامل بیش از حد نرم می شود و قطعه استحکام ساختاری خود را از دست می دهد. یک مشتری در فضای کشاورزی این را به سختی یاد گرفت: آنها قطعات فروغ خوراک را از نایلون با دمای بالا (Tg ~ 75 درجه سانتیگراد) ساختند و از یک عامل سفت کننده عمومی استفاده کردند. در تابستان، فرورفتگی‌ها زیر وزن خوراک تاب می‌خوردند، زیرا عامل سخت‌کننده نرم نمی‌توانست شکل قطعه را در دمای محیط 90 درجه سانتی‌گراد حفظ کند. جابجایی به یک عامل سفت کننده با Tg 50 درجه سانتیگراد، شکاف را بسته است، بنابراین به اندازه کافی سفت باقی می ماند تا شکل قطعه را حفظ کند و در عین حال تاثیرات ناشی از برخورد دام به داخل فرورفته را جذب کند.

این رابطه عامل تشدید کننده Tg نیز برای همه یکسان نیست. برخی از برنامه ها نیاز به متعادل کردن Tg و سخت شدن به روش های غیرمنتظره دارند. به عنوان مثال، در رشته های پرینت سه بعدی، سازندگان اغلب از پلاستیک های با Tg بالا (مانند PETG، Tg ~80 درجه سانتی گراد) برای قطعات مقاوم در برابر حرارت استفاده می کنند، اما این قطعات پس از چند بار استفاده مستعد ترک خوردن هستند. افزودن یک عامل سفت کننده با Tg بسیار کم، فیلامنت را برای چاپ سه بعدی بسیار انعطاف پذیر می کند، در حالی که عاملی با Tg بسیار نزدیک به Tg ماتریس، چقرمگی را افزایش نمی دهد. نقطه شیرینی که ما پیدا کردیم عاملی با Tg حدود 50 درجه سانتیگراد است - به اندازه ای کم که وقتی قسمت چاپ شده تحت فشار قرار می گیرد، لاستیکی باقی بماند، اما به اندازه ای زیاد است که رشته را در طول اکستروژن خیلی نرم نکند.

یکی دیگر از اشتباهات رایج این است که فرض کنیم عامل سفت کننده بیشتر برابر با چقرمگی بهتر است. در واقع، افزودن بیش از حد می تواند Tg کلی ماتریس را کاهش دهد، زیرا ذرات الاستومری بسته بندی زنجیره های پلیمری را مختل می کند. اگر 20 درصد از یک عامل کم Tg را به پلاستیکی با Tg 100 درجه سانتیگراد اضافه کنید، Tg مخلوط ممکن است به 70 درجه سانتیگراد کاهش یابد و پلاستیک را برای عملکرد در محیط مورد نظر خود بسیار نرم کند. به عنوان یک تامین کننده، ما با مشتریان کار می کنیم تا مقادیر Tg را در بارگذاری های مختلف افزودنی آزمایش کنیم، با استفاده از تکنیک هایی مانند تجزیه و تحلیل مکانیکی دینامیکی (DMA) برای اندازه گیری نحوه تغییر Tg با محتوای عامل سخت کننده. یک مشتری که دستگیره‌های ابزار صنعتی می‌سازد، به مقاومت بالایی در برابر ضربه در دمای اتاق نیاز داشت، اما همچنین باید در برابر استریلیزاسیون اتوکلاو (که قطعات را در معرض بخار 121 درجه سانتی‌گراد قرار می‌دهد) مقاومت کند. ما بارگذاری عامل سفت کننده آنها را به جای 18 درصد اولیه روی 12 درصد تنظیم کردیم - به اندازه کافی برای بالا نگه داشتن مقاومت ضربه ای، اما نه آنقدر که Tg مخلوط به زیر دمای استریلیزاسیون کاهش یابد. دستگیره ها 1000 چرخه استریلیزاسیون را بدون ترک پشت سر گذاشتند، در حالی که نسخه بیش از حد بارگذاری شده پس از 50 چرخه منحرف شد.

اکنون، بیایید در مورد مواد خاصی که این را نشان می دهند صحبت کنیم. بسیاری از شرکای صنعتی ما با پلاستیک های مهندسی کار می کنند، و یکی از افزودنی هایی که به خوبی با آنها جفت می شود، یک عامل سفت کننده مبتنی بر سولفید روی است که برای پراکندگی یکنواخت در ماتریس های پلاستیکی با کارایی بالا طراحی شده است. در اینجا می توانید اطلاعات بیشتری در مورد این محلول تخصصی کسب کنید: مهندسی پلاستیک سولفید روی. Tg این محصول طوری تنظیم شده است که 30 درجه سانتیگراد زیر پلاستیک های مهندسی معمولی مانند PC و نایلون قرار گیرد، بنابراین به طور مداوم چقرمگی را بدون تغییر Tg ماتریس از محدوده مورد نیاز ارائه می دهد. چیزی که این عامل مبتنی بر سولفید روی را منحصر به فرد می کند این است که فقط ذرات ایجاد نمی کند، بلکه با زنجیره های پلیمری پلاستیک پیوند می خورد و یک رابط یکپارچه بین ماتریس و فاز سخت شدن ایجاد می کند. این پیوند مانع از جدا شدن ذرات از ماتریس تحت تنش می‌شود، که یک نقطه شکست رایج با افزودنی‌های کمتر منطبق است.

برای بیان این رابطه به طور خلاصه: Tg خط پایه برای عملکرد پلاستیک است که مشخص می کند چه زمانی یک ماده سفت یا انعطاف پذیر است. عوامل سخت‌کننده آن خط پایه را با معرفی حوزه‌های جذب‌کننده انرژی تغییر می‌دهند، اما آنها تنها در صورتی می‌توانند کار خود را به طور مؤثر انجام دهند که Tg خودشان برای قرار گرفتن زیر Tg ماتریس کالیبره شده باشد. شکاف خیلی کوچک است و عامل با ماتریس سفت می شود و ضربه را جذب نمی کند. یک شکاف بسیار بزرگ است و عامل بیش از حد نرم می شود و یکپارچگی ساختاری پلاستیک و Tg را به خطر می اندازد. این یک خط ظریف است، اما هنگامی که به درستی متعادل شود، پلاستیک های شکننده و شیشه ای را به مواد بادوام و کاربردی تبدیل می کند که برای همه چیز از قاب گوشی گرفته تا قطعات خودرو و تجهیزات پزشکی کار می کنند.

به عنوان تامین کننده مواد سفت کننده پلاستیک، کار ما فقط فروش مواد افزودنی نیست، بلکه کمک به تولیدکنندگان برای یافتن این تعادل است. هر برنامه دارای الزامات دمایی منحصر به فرد، نیازهای عملکردی و محدودیت های مواد است، بنابراین هیچ ترکیب جهانی Tg و عامل سخت کننده وجود ندارد. چه در حال توسعه یک قطعه جدید برای سرمای شدید، گرمای زیاد یا استفاده شفاف باشید، نقطه شروع همیشه Tg پلاستیک است، سپس عاملی را انتخاب کنید که بدون تحت الشعاع قرار دادن آن، آن را تکمیل کند. اگر روی پروژه‌ای کار می‌کنید که در آن تلاش می‌کنید تا این تعادل را به دست آورید - چه قطعات شما در حال ترک خوردن، تاب برداشتن یا از کار افتادن در دماهای شدید باشد - بیایید برای بحث درباره نیازهای خاص شما و یافتن راه‌حل سفت‌کننده مناسب برای برنامه‌تان، وصل شویم.

مراجع

1. کرافورد، RJ (1998). مهندسی پلاستیک (ویرایش دوم). باترورث-هاینمن.
2. وو، اس (1982). ساختار و خواص مخلوط های پلیمری وایلی-اینترساینس.
3. اشبی، ام اف، و جونز، DRH (2012). مواد مهندسی 2: مقدمه ای بر ریزساختارها، پردازش و طراحی (ویرایش چهارم). باترورث-هاینمن.
4. هارپر، کالیفرنیا، و پتری، EM (2003). کتابچه راهنمای پلاستیک مدرن (ویرایش دوم). مک گراو هیل.
5. اولابیسی، او.، رابسون، ال ام، و شاو، ام تی (1979). قابلیت امتزاج پلیمر-پلیمر مطبوعات دانشگاهی.