مقدمة
يشير مصطلح «كسر الذوبان» إلى الظاهرة التي يتعرض فيها البوليمر المنصهر لعدم استقرار سطحي أثناء عملية التشكيل بالبثق عندما تتجاوز معدلات القص عتبة حرجة. ويؤدي ذلك إلى خشونة سطح المادة المبثوقة، وظهور تشوهات مثل «جلد القرش»، أو التفاوتات، أو الأنماط الشبيهة بالخيزران، أو التشوهات الحلزونية. يمكن أن يؤثر كسر الذوبان بشكل خطير على جودة المنتج وكفاءة الإنتاج.
باعتباره جهاز اختبار ريولوجي من نوع " classic "، يتيح مقياس الريولوجيا الشعري دراسة ظاهرة كسر الذوبان عبر نطاق واسع من معدلات القص ودرجات الحرارة لمختلف المواد.
لذلك، في هذه الدراسة، تم استخدام مقياس ريولوجيا شعري من طراز Rosand RH10 من شركة NETZSCH (الشكل 1) لدراسة تأثيرات درجة الحرارة وزاوية مدخل القالب ونسبة الطول إلى القطر للقالب على كسر الذوبان في مواد البولي إيثيلين (PE) بشكل منهجي. يهدف هذا البحث إلى توجيه تقنيات معالجة البولي إيثيلين في الإنتاج الفعلي، ومنع حدوث كسر الذوبان، وبالتالي تعزيز كفاءة الإنتاج وجودة منتجات البولي إيثيلين.
شروط القياس وطريقة الاختبار
يُوجز الجدول 1 شروط القياس.
الجدول 1: شروط القياس
| الجهاز | NETZSCH Rosand RH10 |
| العينات | البولي إيثيلين |
| محول الضغط | 10000 psi |
| درجة حرارة الاختبار | 180 درجة مئوية/220 درجة مئوية/250 درجة مئوية |
| نطاق معدل القص | من 50 إلى 1000/ثانية |
مواصفات القالب | |
طول القالب، القطر و زاوية الدخول |
|
بعد تركيب القوالب أسفل الأسطوانة اليسرى، والانتظار حتى تستقر درجة الحرارة، أُضيفت حبيبات البولي إيثيلين ببطء إلى الأسطوانة، وتم ضغطها مسبقًا إلى 1 ميجا باسكال، ثم تم تسخينها مسبقًا عند درجة حرارة ثابتة لمدة 5 دقائق. بعد ذلك، أجرى الجهاز الاختبار تلقائيًا وفقًا لجدول معدلات القص المحدد وسجل معلومات ضغط الذوبان ولزوجة القص ودرجة الحرارة.
نتائج الاختبار والمناقشة
تأثير درجة حرارة المعالجة على ظاهرة كسر الذوبان في البولي إيثيلين (PE)
يُظهر الشكل 2 منحنياتاللزوجة الظاهريةللقص¹ مقابلمعدل القصالظاهري² لعينات البولي إيثيلين (PE) عند درجات حرارة مختلفة. وكما هو موضح، تنخفض اللزوجة الظاهرية للقص لعينات البولي إيثيلين (PE) تدريجيًا مع زيادة معدل القص في جميع ظروف درجات الحرارة، مما يُظهر سلوكًا نموذجيًا لتخفيف اللزوجة بالقص. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن قوى القص داخل القالب الشعري تعطل التشابكات بين سلاسل جزيئات البولي إيثيلين، مما يقلل من التفاعلات بين الجزيئات ويؤدي بالتالي إلى انخفاض اللزوجة الظاهرية للقص. علاوة على ذلك، مع ارتفاع درجة الحرارة، يتوسع الحجم الحر لمادة البولي إيثيلين المنصهرة، مما يعزز حركة أجزاء السلاسل ويضعف القوى بين الجزيئات. ونتيجة لذلك، تزداد سيولة مادة البولي إيثيلين المنصهرة. ولذلك، بالنسبة لنفس معدل القص الظاهري، تنخفض اللزوجة الظاهرية للقص لعينات البولي إيثيلين مع ارتفاع درجة الحرارة.
1اللزوجة الظاهرية للقص هي اللزوجة المحسوبة مباشرةً دون تصحيح لتأثيرات مجال التدفق أو المدخل.
2معدل القص الظاهري هو معدل القص المحسوب مباشرةً دون تصحيح لمجال التدفق.
يُظهر الشكل 3 صورًا لمورفولوجيا سطح ذوبان البولي إيثيلين (PE) الذي تم بثقه عبر قالب شعري عند درجات حرارة ومعدلات قص مختلفة. وكما يتضح من الشكل، عند معدلات قص منخفضة نسبيًّا (لا تتجاوز 300 س-¹)، تظل أسطح منتجات البثق المصنوعة من البولي إيثيلين ناعمة نسبيًّا. ومع ذلك، مع زيادة معدل القص، تبدأ تقلبات غير منتظمة في الظهور على سطح المنتجات المبثوقة. وعلى وجه التحديد عند درجة حرارة 200 درجة مئوية، يحدث كسر في المادة المنصهرة في المنتج المبثوق من البولي إيثيلين عند معدل قص يبلغ 300 ثانية⁻¹. وعند رفع درجة الحرارة إلى 220 درجة مئوية، يرتفع معدل القص الظاهري الحرج لبدء حدوث كسر الذوبان إلى 500 ثانية⁻¹. وتؤدي الزيادة الإضافية في درجة الحرارة إلى 250 درجة مئوية إلى تأخير حدوث كسر الذوبان حتى الوصول إلى معدل قص ظاهري يبلغ 800 ثانية⁻¹.
يمكن أن يُعزى هذا السلوك إلى الحركة الحرارية المتزايدة للسلاسل الجزيئية عند درجات الحرارة المرتفعة، والتي تعمل على موازنة تأثيرات التوجيه وفك التشابك التي تفرضها قوى القص الخارجية. ومع ارتفاع درجة الحرارة، تؤدي الحركة المتزايدة للسلاسل الجزيئية إلى رفع معدل القص الحرج المطلوب لحدوث كسر المادة المنصهرة. لذلك، شريطة الحفاظ على قوة ذوبان كافية، فإن زيادة درجة حرارة المعالجة أثناء عملية البثق يمكن أن تحسّن بشكل فعال جودة سطح منتجات البولي إيثيلين.
تأثير زاوية دخول القالب على ظاهرة تكسر المادة المنصهرة في منتجات البولي إيثيلين
يوضح الشكل 4 الشكل السطحي للمواد المنصهرة من البولي إيثيلين (PE) التي تم بثقها عبر قوالب شعرية بزوايا دخول مختلفة عند درجة حرارة 220 درجة مئوية وبمعدلات قص متنوعة. وكما هو موضح في الشكل، تظل أسطح المواد المبثوقة ناعمة نسبيًا عند معدلات القص الظاهرية المنخفضة (التي لا تتجاوز 500 ثانية-1). ومع ذلك، مع زيادة معدل القص، تبدأ تقلبات غير منتظمة في الظهور على السطح. وعلى وجه التحديد، عندما تكون زاوية مدخل القالب 180 درجة، يحدث كسر الذوبان عند معدل قص ظاهري يبلغ 500 ثانية⁻¹.
في المقابل، عند استخدام قالب بزاوية مدخل تبلغ 90 درجة، يرتفع معدل القص الظاهري الحرج لبدء حدوث كسر المادة المنصهرة إلى 800 ثانية⁻¹. ويمكن أن تُعزى هذه الظاهرة إلى الانكماش المفاجئ لخطوط انسياب المادة المنصهرة أثناء تدفق البوليمر من الأسطوانة إلى قالب ذي زاوية دخول أصغر، مما يؤدي إلى ظهور مكون تدفق استطالي كبير. وفي ظل الاستطالة عالية السرعة، تصبح سلاسل جزيئات البولي إيثيلين (PE) شديدة التوجيه، مما يؤدي إلى تعزيز الاستعادة المرنة بعد خروجها من القالب. وينتج عن ذلك زيادة في انتفاخ القالب. وفي الوقت نفسه، قد يؤدي تركيز إجهادات الشد بسهولة إلى حدوث كسر الذوبان. ولذلك، فإن تقليل زاوية مدخل القالب يمكن أن يسهم في الحصول على منتجات البولي إيثيلين (PE) ذات سطح أكثر نعومة.
تأثير نسبة طول القالب إلى قطره على ظاهرة تكسر المادة المنصهرة للبولي إيثيلين (PE)، مما يساهم في الحصول على منتجات PE أكثر نعومة
يُظهر الشكل 5 صورًا لمورفولوجيا سطح ذوبان البولي إيثيلين (PE) المبثوق عبر قوالب شعرية ذات نسب طول إلى قطر (L/D) مختلفة وبمعدلات قص ظاهرية متنوعة. وكما يمكن ملاحظته، عند معدلات القص الظاهرية المنخفضة نسبيًا (التي لا تتجاوز 300 ثانية-1)، تظل أسطح منتجات البولي إيثيلين المبثوقة ناعمة. ومع ذلك، مع زيادة معدل القص، تبدأ التقلبات غير المنتظمة في الظهور. وعلى وجه التحديد، عندما تكون نسبة L/D 8:1، يحدث كسر الذوبان عند معدل قص ظاهري يبلغ 300 ثانية-1. في المقابل، عند استخدام نسب L/D تبلغ 16:1 أو 32:1، يرتفع معدل القص الحرج لبدء حدوث كسر الذوبان إلى 500 ثانية⁻¹.
ومع ذلك، عند فحص الصور المكبرة لمورفولوجيا المادة المبثوقة عند معدل قص يبلغ 500 ثانية⁻¹، يتبين أن سطح المادة المبثوقة التي تم إنتاجها بنسبة L/D تبلغ 32:1 أكثر نعومة من تلك التي تم إنتاجها بنسبة 16:1. ويُعزى هذا السلوك إلى حقيقة أن انخفاض نسبة L/D في القالب يؤدي إلى تقصير زمن الاسترخاء لسلاسل جزيئات البولي إيثيلين داخل الأنبوب الشعري. ونتيجة لذلك، لا يمكن إطلاق الطاقة المرنة المخزنة أثناء التدفق بالكامل، مما يجعل المادة المنصهرة أكثر عرضة للكسر. لذلك، يمكن أن يكون تعديل نسبة L/D للقالب أيضًا طريقة فعالة لتحسين جودة سطح منتجات البولي إيثيلين.
الخلاصة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في التغيرات المورفولوجية لمواد البولي إيثيلين (PE) المبثوقة عند معدلات قص مختلفة وفي درجات حرارة متنوعة، وزوايا دخول القالب المختلفة، ونسب طول القالب إلى قطره، وذلك باستخدام مقياس اللزوجة الشعري Rosand RH10 من شركة « NETZSCH ». وتحت عتبة معينة لمعدل القص الحرج، أظهرت المواد المبثوقة أسطحًا ناعمة. وعندما تجاوز معدل القص هذه القيمة الحرجة، أصبح سطح منتجات البولي إيثيلين المبثوق خشنًا وحدث كسر في المادة المنصهرة. ولوحظ أن زيادة درجة حرارة المعالجة، وتقليل زاوية مدخل القالب، واستخدام نسبة طول القالب إلى قطره أكبر، كلها عوامل ساهمت في الحد من ظاهرة كسر المادة المنصهرة. علاوة على ذلك، ونظرًا لأن مورفولوجيا سطح منتجات البولي إيثيلين (PE) المبثوقة لم تُفحص إلا بقيم منفصلة لمعدل القص، يُوصى بإجراء دراسة أكثر تفصيلًا باستخدام وضع اختبار كسر الذوبان لتحديد معدل القص الحرج بدقة لبدء حدوث كسر الذوبان.