کریستال‌های اکستروژن پلاستیک چیستند؟ ۴ روش برای آموزش کنترل آسان بلورینگی و کیفیت بلورینگی پلاستیک‌ها!

ترکیب پلاستیک‌ها مجموعه‌ای از بسیاری از ترکیبات پلیمری خطی و کشیده است. درجه تبلور (کریستالینیتی) با درجه چیدمان منظم مولکول‌ها اندازه‌گیری می‌شود و درجه تبلور را می‌توان با بازتاب اشعه ایکس اندازه‌گیری کرد. ساختار ترکیبات آلی پیچیده است و ساختار پلاستیک‌ها حتی پیچیده‌تر است و ساختار زنجیره‌های مولکولی (خطی، پیازی، تا شده، مارپیچی و غیره) بسیار متفاوت است، بنابراین ساختار آنها نیز بسته به شرایط تشکیل بسیار متفاوت است.

پلاستیکی با درجه بلورینگی بالا، یک پلاستیک بلوری است و نیروهای گرانشی بین مولکول‌ها به راحتی با هم تعامل دارند و آن را به یک پلاستیک قوی تبدیل می‌کنند. برای بلوری شدن و تراز شدن مناسب، حجم کوچکتر می‌شود و انقباض و انبساط حرارتی قالب بیشتر می‌شود. بنابراین، هرچه بلورینگی بیشتر باشد، شفافیت آن کمتر است، اما استحکام آن بیشتر است.

پلاستیک‌های کریستالی نقطه ذوب (Tm) مشخصی دارند و وقتی جامد هستند، مولکول‌ها به طور منظم چیده می‌شوند، قوی‌تر و در کشش قوی‌تر می‌شوند. هنگام ذوب شدن، حجم به شدت تغییر می‌کند و پس از پخت، انقباض آن آسان‌تر است، تنش داخلی به راحتی آزاد نمی‌شود، محصول نهایی شفاف نیست، اتلاف گرما در شکل‌دهی کند است، انقباض پس از تولید قالب‌های سرد بیشتر و انقباض پس از تولید قالب‌های گرم کمتر است.
در مقابل پلاستیک‌های کریستالی، نوع دیگری از پلاستیک غیرکریستالی وجود دارد که نقطه ذوب مشخصی ندارد، مولکول‌ها در حالت جامد به طور نامنظم چیده شده‌اند، حجم مخصوص هنگام ذوب شدن تغییر چندانی نمی‌کند، پس از پخت به راحتی جمع نمی‌شود، محصول نهایی شفاف است، هرچه دمای ماده بالاتر باشد، زردتر است و گرما در حین قالب‌گیری به سرعت پراکنده می‌شود.

ویژگی‌های پلاستیک‌های کریستالی به شرح زیر است:


۱. روش کنترل دما
الف) هرچه دمای ذوب پایین‌تر باشد، دمای ذوب پایین‌تر، تشکیل هسته‌های همگن را تسهیل می‌کند و نقطه رشد بلور را افزایش می‌دهد که می‌تواند بلورینگی را بهبود بخشد، اما همچنین می‌تواند اندازه بلور را کاهش دهد. بنابراین، در فرآیند پردازش خاص برای اطمینان از فرضیه پلاستیسیته، دمای ذوب کمی پایین‌تر است که برای بلورینگی مفید است.
ب. دمای خنک‌کننده: دمای خنک‌کننده بیشترین تأثیر را بر درجه تبلور و کیفیت تبلور دارد و مؤثرترین عامل برای کنترل تبلور است. خنک‌کننده آهسته می‌تواند باعث شود پلاستیک در ناحیه تبلور مدت بیشتری بماند، به طوری که درجه تبلور بالاتر باشد، اما خنک‌کننده آهسته اما به راحتی کریستال‌های درشت تولید می‌کند، که چقرمگی منجر به سفتی و سختی نمی‌شود. خنک‌کننده سریع، از یک طرف، به پلاستیک اجازه می‌دهد تا به سرعت از ناحیه تبلور عبور کند و در نتیجه درجه تبلور را کاهش می‌دهد. از طرف دیگر، به دلیل زمان رشد کوتاه کریستال، اندازه تبلور را نیز ریزتر می‌کند که منجر به بهبود شفافیت و چقرمگی می‌شود. در عمل، اینکه خنک‌کننده آهسته یا سریع اتخاذ شود، به نیازهای عملکرد محصول بستگی دارد. اگر شفافیت محصول زیاد باشد، باید به سرعت خنک شود. اگر سفتی و سختی محصول زیاد باشد، باید به آرامی خنک شود.

۲. روش کنترل عامل هسته‌زا
عامل هسته‌زا عمدتاً برای افزایش هسته‌زایی ناهمگن، افزایش نقطه رشد کریستال، افزایش بلورینگی و ریزتر کردن ذرات کریستال اضافه می‌شود تا استحکام ضربه، استحکام تسلیم و براقیت بهبود یابد.
سه نوع عامل هسته‌زا وجود دارد: معدنی، آلی و پلیمری:
الف) عامل هسته‌زای معدنی، عامل هسته‌زای معدنی به تالک، شامل: CaCO3، میکا، رنگدانه‌های معدنی و غیره. این عوامل هسته‌زا بر شفافیت پلاستیک‌ها تأثیر می‌گذارند و بنابراین باید در مقدار محصولات شفاف محدود شوند.
ب. عوامل هسته‌زای آلی عوامل هسته‌زای آلی عبارتند از: سدیم، منیزیم، آلومینیوم، تیتانیوم و سایر کربوکسیلات‌های آروماتیک فلزی، فسفات‌های آلی، آنزیم‌های اسید سوربیک و غیره.
ج. عامل هسته‌زای پلیمر آلی. عامل هسته‌زای پلیمر آلی برای برخی از پلیمرها با نقطه ذوب بالا، مانند وینیل سیکلوآلکان‌ها که فقط می‌توانند در PP باشند و غیره.
شایان ذکر است که اخیراً مشخص شده است که عوامل هسته‌زا نه تنها می‌توانند اندازه کریستال را کوچک کنند، بلکه نوع خاص کریستال را نیز تعیین می‌کنند.

۳. روش کنترل کشش
کششفیلم پلاستیکیو محصولات ورقی که کریستالیزه شده‌اند می‌توانند باعث تجزیه کریستال‌ها و تشکیل کریستال‌های کوچکتر شوند و یک سری کریستال در امتداد جهت کشش تشکیل دهند که می‌تواند چقرمگی محصولات را بهبود بخشد و استحکام کششی، براقیت، سختی، ظرفیت بازدارندگی و سایر خواص را به طور قابل توجهی افزایش دهد. روش کشش که می‌تواند کیفیت کریستالی پلاستیک را تغییر دهد، می‌تواند کریستالی بودن آن را نیز بهبود بخشد.

۴. روش کنترل عملیات حرارتی
عملیات حرارتی از یک طرف می‌تواند تبلور را بیشتر تقویت کرده و بلورینگی را افزایش دهد؛ از طرف دیگر می‌تواند کیفیت تبلور را بهبود بخشد، به طوری که نقص‌های تبلور ناشی از تبلور شتاب‌زده را می‌توان به طور کامل ترمیم کرد.
عملیات حرارتی همچنین می‌تواند باعث تبلور انواع مختلف تبدیل متقابل شود. مانند محصولات PP حاوی β بلوری، عملیات حرارتی بالاتر از نقطه ذوب، همه ذوب می‌شوند، تبلور مجدد، به α بلوری تبدیل می‌شود، در حالی که بلور شش ضلعی پیشنهادی در دمای 70 درجه سانتیگراد بالاتر از عملیات حرارتی می‌تواند به α بلوری تبدیل شود.

به عنوان مثال، PA6 را در نظر بگیرید، پس از عملیات حرارتی محصولات آن، خواص مختلف آن به شرح زیر تغییر می‌کند:
الف) استحکام کششی در دمای عملیات حرارتی ۱۲۰'۱۸۰ ℃ و زمان نگهداری ۱۰'۱۲۰ دقیقه، استحکام کششی با افزایش دمای عملیات و زمان نگهداری و با افزایش این افزایش، حداکثر تغییر می‌تواند به حدود ۱۰٪ برسد.
ب. استحکام ضربه در زمان نگهداری ۴ ساعت، دمای عملیات از ۱۲۰ درجه سانتیگراد به ۱۴۰ درجه سانتیگراد، استحکام ضربه تقریباً ۶۰٪ کاهش یافت. با این حال، پس از افزایش دما از ۱۴۰ درجه سانتیگراد، این کاهش به آرامی انجام شد. در دمای ۱۸۰ درجه سانتیگراد، هنگامی که زمان نگهداری از ۱۰ دقیقه به ۳۰ دقیقه افزایش یافت، استحکام ضربه نیز ۶۰٪ کاهش یافت. پس از افزایش زمان نگهداری از ۳۰ دقیقه، این کاهش یکنواخت می‌شود.
ج) سختی در یک محدوده خاص، با افزایش دمای عملیات حرارتی و افزایش زمان نگهداری، سختی به آرامی افزایش یافته است که بیشترین افزایش حدود 10٪ بوده است.
د. عملیات حرارتی تبلور می‌تواند تبلور ثانویه را افزایش دهد و بنابراین می‌تواند تبلور را بهبود بخشد. در عایق 4 ساعته با افزایش دمای عملیات حرارتی، تبلور افزایش می‌یابد؛ شروع کمی سریع‌تر، بیش از 140 ℃، کمی کندتر. در دمای عملیات حرارتی 180 ℃، با افزایش زمان عایق‌بندی، تبلور شروع می‌شود؛ اما عایق وقتی بیش از 120 دقیقه باشد، تبلور به سرعت افزایش می‌یابد.

چگونه بلورینگی را در پلاستیک‌ها تعیین کنیم؟
سه روش رایج وجود دارد: روش چگالی، روش پراش XRD و روش DSC.
روش DSC رایج‌تر و دقیق‌تر است و پس از آن روش XRD قرار دارد که علاوه بر اندازه‌گیری بلورینگی، می‌تواند محتوای هر نوع بلور را نیز طبق طیف تعیین کند؛ روش چگالی بیشترین خطا را دارد و عموماً فقط برای مقایسه بلورینگی نسبی همان ماده استفاده می‌شود.
علاوه بر این سه روش، روش طیف‌سنجی مادون قرمز نیز وجود دارد که مبتنی بر محاسبه ساده توسط نرم‌افزار طیف‌نگار است و به ندرت مورد استفاده قرار می‌گیرد.