الغوص في أساسيات ريولوجيا اللدائن الحرارية

علم الريولوجيا هو علم دراسة تدفق المواد وتشوهها المتجذر في قوانين المرونة واللزوجة التي اقترحها هوك ونيوتن في أواخر القرن^{السابع عشر}. تُستخدم ذوبان البوليمر بالحرارة على نطاق واسع في العديد من العمليات الصناعية الحديثة لتصنيع العديد من الأشياء. تُستخدم البوليمرات لأنها رخيصة نسبيًا لتشكيلها في أشكال معقدة في الحالة المنصهرة. ومع ذلك، نحتاج إلى فهم كيفية تدفقها عند معالجتها [1].

العوامل المؤثرة على سلوك تدفق البوليمر

البوليمرات مواد معقدة لتوصيفها من الناحية الريولوجية لأن هناك العديد من العوامل التي تؤثر على خصائص تدفقها. قد تشمل الأمثلة على العوامل التي تؤثر على سلوك التدفق درجة حرارة المعالجة، ومعدل التدفق، وزمن المكوث، وما إلى ذلك.

علاوة على ذلك، تقع الخواص الريولوجية للبوليمرات بين خواص السائل والصلب. وهذا يؤدي إلى الاعتماد على الوقت لخصائص التدفق وغيرها من الخصائص المهمة، والتي نناقش بعضها أدناه [1].

الخصائص الانسيابية المهمة للبوليمرات

من المعروف أناللزوجة الذائبة تعتمد بشكل حاسم على درجة الحرارة. من خلال خفض درجة حرارة القالب حتى يصبح الجزء الذي يتم إنتاجه غير لامع، يمكن لمهندس المعالجة معرفة درجة الحرارة الدنيا (وبالتالي اللزوجة القصوى للراتنج) التي يمكن عندها تشغيل العملية دون أن تظهر عيوب السطح. إن تقليل درجة حرارة القالب يوفر الطاقة ويمكن أن يقلل من زمن الدورة، وبالتالي فإن فهم اعتماد درجة حرارة لزوجة الذوبان مفيد للغاية.

من المعروف أن ذوبان البوليمر يُظهر انتفاخًا في القالب عند البثق. وتكشف هذه الظاهرة عن نفسها كزيادة في قطر المادة المبثوقة بعد خروجها من القالب. ويرتبط مقدار انتفاخ القالب بمقدار التشوه المرن للمادة عند مدخل القالب. هناك حقيقة أخرى يجب أخذها في الاعتبار وهي أن درجة انتفاخ القالب (بشكل صحيح أكثر انتفاخ البثق) تعتمد على طول القالب عندما يتم بثق المادة بإنتاجية ثابتة. وبعبارة أخرى، يُظهر ذوبان البوليمر اعتمادًا على الوقت حيث تنسى المادة التشوه المرن المطبق عند مدخل القالب، وكلما زاد الوقت الذي تقضيه المادة داخل القالب قل انتفاخ القالب.

يمكن أن يكونلمرونة الذوبان أيضًا آثار عميقة على العديد من عمليات البوليمر الأخرى مثل:

• التشكيل بالنفخ حيث تعتمد سماكة جدار المكوّن المنفوخ على درجة الانتفاخ التي حدثت أثناء عملية البثق قبل إغلاق القالب.
• التشكيل بالتفريغ أو التشكيل الحراري حيث يجب أن يحافظ البوليمر على درجة من المرونة لمنع ترهل المادة قبل سحبها بالتفريغ فوق قالب التشكيل البارد. إذا لم يكن للمادة درجة مرونة كافية، فمن المحتمل أن تتلامس مع القالب المبرد قبل تطبيق التفريغ أو الضغط [1].

كيفية توصيف سلوك تدفق البوليمر الذائب

تعتمد خواص معالجة البوليمر أيضًا على تركيز مواد التشحيم والملدنات والمواد المالئة والمكونات الأخرى في المركب الذي تتم معالجته. من هذه المقدمة الموجزة، يمكن للمرء أن يدرك أن التوصيف السليم لسلوك تدفق البوليمر الذائب من المرجح أن يتطلب أجهزة متطورة ومتعددة الاستخدامات.

من وجهة نظر أخصائي الريولوجي، يمكن فصل سلوك تدفق البوليمر بسهولة إلى ثلاثة مكونات: تدفقات القص والتمدد، والتي تتميز باللزوجة المقابلة والسلوك المرن، والذي يتميز بقياس المعامل أو نسب الانتفاخ [1].

الأجهزة الصحيحة هي المفتاح

لتوصيف مادة ما بشكل كامل، يلزم وجود أجهزة لديها القدرة على استخراج هذه البارامترات على نطاق من درجات الحرارة ومعدلات القص/التمدد. ويمكن تقسيم أجهزة الاختبار الانسيابية المختبرية الحديثة إلى فئتين عريضتين هما أجهزة قياس الان سيابية الدورانية من كينكسوسوأجهزة قياس الانسيابية الشعرية من روزاند. وعلاوةً على ذلك، تتيح أجهزة التحليل الحراري مثل المسح الحراري التفاضلي للقياس الحراري والتحليل الميكانيكي الديناميكيوالتحليل الميكانيكي الحراري أيضاً رؤى قيمة في خصائص المواد.

في المقالة التالية، سوف تتعلم كيف يمكن استخدام مقياس الريومتر الدوراني Kinexus الخاص بنا لتوصيف اللدائن الحرارية.

المصدر

[1] اختبار الانسيابية للبوليمرات وتحديد الخواص باستخدام مقاييس الانسيابية الدورانية ومقاييس الانسيابية الشعرية (azom.com)

الشكر للدكتور بوب مارش (الموظف السابق في مالفيرن باناليتيكال) باعتباره المؤلف الأصلي لهذا المقال!