مقدمة
تُستخدم رقائق البوليمر البلاستيكية الحرارية على نطاق واسع في مختلف القطاعات الصناعية نظرًا لمزاياها من حيث فعالية التكلفة وخفة الوزن والمرونة والخصائص الفيزيائية والكيميائية الفريدة. تشمل التطبيقات، على سبيل المثال لا الحصر، التغليف والملصقات وتغليف الكابلات القابلة للتقلص بالحرارة والطلاءات ورقائق المكثفات والبطاريات الفاصلة.
في الحالات التي تكون فيها خصائص الرقائق بعد البثق غير كافية للاستخدام، يمكن تمديد الرقائق لتحسين خصائصها. وتتراوح فوائد هذه المعالجة من تحسين الخواص الميكانيكية - عن طريق زيادة قوة الخضوع أو معامل يونغ إلى تحسين الخواص البصرية المتعلقة بشفافية الرقائق، أو خفض نفاذية الرطوبة، أو زيادة جهد الانهيار في التطبيقات الكهربائية.
ويمكن تصنيف إنتاج هذه الرقائق إلى بثق الرقائق المنفوخة أو المصبوبة. وعلاوة على ذلك، واعتمادًا على المعالجة المؤثرة على الرقائق المبثوقة، يمكن التمييز بين البوليمرات ثنائية المحور أو أحادية المحور (BO). بالنسبة للحالة الأخيرة، يمكن تحقيق ذلك إما عن طريق التمدد المتسلسل أو المتزامن للرقائق [1]. تحدث عملية (عمليات) التمدد اللاحقة فوق درجة حرارة الانتقال الزجاجي، ولكن أقل بكثير من درجة حرارة انصهار البوليمر. تتم عملية الاستطالة في اتجاه الماكينة (MD)، أي على طول اتجاه حركة الرقائق، عن طريق سحب الرقاقة بين لفات تدور بسرعات مختلفة. وبالتالي، تدور المجموعة الثانية من اللفائف أسرع من المجموعة الأولى [1]. في حالة السحب المتتابع، يتم نقل الرقائق بعد ذلك إلى فرن حيث يتم شد الرقائق على إطار تينر. وهنا يتم إمساك المشابك بحافة الرقاقة وسحب الرقاقة عن طريق تحريكها تدريجيًا [1].
يمكن أن تؤدي عمليات التمدد هذه إلى الحصول على رقائق بسماكة أقل من ميكرومتر. وتؤدي هذه العمليات إلى توجيه جزيئي تفضيلي لسلاسل البوليمر في الرقاقة. وهذا الاتجاه التفضيلي هو الذي يؤدي إلى ميل معين نحو انكماش الرقائق أثناء التسخين. ويمكن أن يصبح هذا الأمر مهمًا عند تعرض الرقائق لدرجات حرارة أعلى، مما قد يؤدي إلى سلوك غير متوقع للمنتج، أو في أسوأ الحالات، إلى فشل المنتج أثناء الخدمة.
الانكماش الحراري وقوى استعادة قوى التمددرقائق البوليمر
إذا كانت الرقائق الممدودة ذات الاتجاه التفضيلي غير مقيدة بأي شروط حدية مكانية، فسوف تتقلص عند التسخين فوق عتبة معينة. وتغطي هذا الإجراء المعايير الدولية مثل ASTM D1204 و ASTM D2732. ومع ذلك، غالبًا ما تستخدم الرقائق مع مواد أخرى. في هذه الحالة، يتم تقييد الرقاقة من جانب واحد على الأقل وإعاقة انكماشها. ولذلك، فإن تطور قوة الاستعادة، أو بالأحرى الضغوط داخل رقائق البوليمر ذات أهمية.
وبمساعدة جهاز NETZSCH DMA 303 Eplexor® ، يمكن توصيف هذا السلوك لبرنامج درجة الحرارة/الوقت المختار حسب الطلب من خلال إجراء قياسات في ظل تشوه ثابت.
تجريبي
تم فحص البولي بروبيلين الموجه ثنائي المحور (BO-PP) باستخدام حامل عينة الشد الفولاذي (الموضح في الشكل 1) من NETZSCH DMA 303 Eplexor®. كانت سماكة العينة الاسمية 6 ميكرومتر. قُطعت الرقائق بعرض 10 مم. تم قياس طول العينة باستخدام نظام الكشف الأوتوماتيكي لطول العينة الخاص بجهاز DMA 303 Eplexor®.
أُجريت قياسات العينات المقطوعة على طول الاتجاه العرضي (MD) والاتجاه العرضي (TD، 90 درجة بالنسبة إلى MD). قبل إجراء القياسات، تم تعريض الرقاقة لقوة ساكنة قدرها 0.01 نيوتن لضمان عدم انتفاخ العينة. مع بداية القياس، تم ضبط تشوه العينة على 0 مم وأزيلت القوة الساكنة المطبقة. بعد ذلك، تم تسخين العينات من درجة حرارة بداية 30 درجة مئوية بمعدل تسخين مستهدف قدره 20 كلفن/الدقيقة إلى درجات الحرارة المتساوية المطلوبة وهي 60 درجة مئوية و90 درجة مئوية و110 درجات مئوية. تم تنفيذ الجزء المتساوي الحرارة كمسح استرخاء. خلال كلا الجزأين، تم تسجيل قوة وإجهاد العينة على التوالي كدالة للزمن.
أثناء التسخين، لا يمكن إهمال التمدد الحراري للمادة في هذه الأنواع من القياسات. وبالتالي، كما هو موضح هنا، يجب إجراء التجارب بشكل متساوي الحرارة لتجنب أي تراكب للتمدد الحراري وقوى الاستعادة التي تحدث أثناء التسخين المستمر.
يلخص الجدول 1 نظرة عامة على المعلمات المستخدمة في سلسلة القياس هذه.
الجدول 1: نظرة عامة على المعلمات المستخدمة في سلسلة القياس هذه: يتم تفصيل المعلمات التي تم تعديلها في برنامج القياس للجزأين (قياس مسح درجة الحرارة وقياس الاسترخاء/الزحف) بشكل منفصل.
| المعلمة | القيمة |
| وضع القياس | التوتر |
| أبعاد العينة | 6 ميكرومتر سمك × 10 مم عرض × 21 مم طول |
| مسح درجة الحرارة | |
| معدل التسخين | 20 كلفن/دقيقة إلى درجة الحرارة المستهدفة |
| قوة التلامس | 0.010 ن ± 0.005 ن |
| نوع الحمل الساكن | التشوه |
| القيمة المضبوطة | 0 مم (حد 40 نيوتن) |
| نوع الحمل الديناميكي | القوة |
| القيمة المستهدفة | 0 نيوتن (حد 100 %) عند 1 هرتز |
| قياس الاسترخاء/التأخر | |
| درجة الحرارة | متساوي الحرارة عند 60 درجة مئوية أو 90 درجة مئوية أو 110 درجة مئوية |
| نوع الحمل الساكن | التشوه |
| القيمة المستهدفة | 0 مم (حد 40 نيوتن) |
نتائج القياس
في الشكل 2، يظهر الإجهاد المحسوب لعينات MD كدالة للزمن لدرجات الحرارة المتساوية المختلفة 60 درجة مئوية (منحنى أسود) و90 درجة مئوية (منحنى أحمر) و110 درجة مئوية (منحنى أزرق). بعد فترة حضانة معينة، يبدو أن تراكم الإجهاد يستمر بطريقة أسية حتى يصل إلى قيمة مستقرة للقياسات عند 90 درجة مئوية و110 درجة مئوية. يحدث تراكم الإجهادات مع الرقائق بشكل أسرع في درجات الحرارة الأعلى. عند درجات حرارة 60 درجة مئوية أو أقل، لا يمكن اكتشاف زيادة إجهاد قابلة للقياس. خلال مدة 2 ساعة، لم تُلاحظ زيادة كبيرة في الإجهاد.
في حالة رقائق TD (الموضحة في الشكل 3)، لا يمكن ملاحظة أي سلوك أسي كبير في منحنى الإجهاد لأي من درجات الحرارة المتساوية الثلاثة المختلفة. بالنسبة للقياس عند درجة حرارة 110 درجة مئوية، قد تشير الزيادة الطفيفة إلى تراكم small للإجهاد. ومع ذلك، فإن زيادة الإجهاد small مقارنة بقياسات رقائق MD عند نفس درجة الحرارة.
الخاتمة
يؤدي تمدد الرقاقة أثناء عملية التصنيع إلى توجيه تفضيلي لسلاسل البوليمر على طول اتجاهات الرسم. وبينما ينتج عن ذلك العديد من الخصائص المحسنة في الرقائق، إلا أنه قد يؤدي إلى قيود في قابلية الاستخدام في درجات الحرارة الأعلى. ونظرًا لأن التكوين الأكثر استقرارًا لسلاسل البوليمر هو التوزيع متساوي الخواص للتوجهات (وبالتالي زيادة الانتروبيا إلى أقصى حد وخفض الطاقة الحرة لجيبس للنظام)، ستبدأ سلاسل البوليمر في العودة إلى هذه الحالة عند إعادة التسخين.
بالمقارنة مع رقائق TD، تُظهر رقائق MD ضغوطًا تصل إلى 1.4 ميجا باسكال أثناء القياسات عند 110 درجة مئوية. لم يتم اكتشاف قوة استعادة كبيرة في رقائق TD.
وهذا يتوافق مع عدم وجود سحب في رقائق TD أثناء تصنيع الرقائق، وبالتالي لم يتم اكتشاف أي إجهادات في هذا الاتجاه.