20.07.2023 by Prof. Dr. Ing. Sascha Englich
الريوكيناميكيات - سلوك المعالجة بالتدفق الخاص بالعملية لمركبات التشكيل بالحرارة
يُستخدم مصطلح الحركية الحرارية لوصف السلوك الانسيابي المعتمد على التفاعل للمواد المتصلدة بالحرارة، وهو أمر ذو أهمية كبيرة في معالجة مركبات الصب بالحرارة (القولبة بالحقن، والقولبة بالنقل) على سبيل المثال.
البروفيسور الدكتور إنغ ساشا إنغليش هو أستاذ هندسة البلاستيك في جامعة شتاينبيس في برلين. كجزء من سلسلة المدونات الجديدة لتحسين قولبة حقن راتنجات الإيبوكسي عن طريق المسعر بالمسح التفاضلي وعلم الريولوجيا، قدم بالفعل تقارير عن: صب الحقن بالحقن بالحرارة في القوالب بالحرارة في التنقل الإلكتروني،وراتنجات الإيبوكسي - البوليمرات التفاعلية كأساس للمركبات القابلة للحقن القابلة للقولبة،وتحليل DSC على المواد الحرارية. يدور الجزء الرابع من سلسلة مدوناتنا حول الحركية.
يستخدم مصطلح حركية التدفق لوصف السلوك الانسيابي المعتمد على التفاعل للمواد المتصلدة بالحرارة، وهو أمر ذو أهمية كبيرة في معالجة مركبات التشكيل بالحرارة (القولبة بالحقن، والقولبة بالنقل) على سبيل المثال. عادةً ما يعتمد الرصد الكلاسيكي المبسط لسلوك المعالجة بالتدفق على ما يسمى بمنحنى "U" اللزوجة/قابلية التدفق، والذي يهدف إلى تمثيل العلاقة بين الانخفاض الأولي في اللزوجة بسبب زيادة درجة الحرارة والزيادة اللاحقة في اللزوجة بسبب الارتباط الجزيئي التدريجي (الشكل 1).
نبذة عن سلوك المعالجة بالتدفق لمركب التشكيل بالحرارة
عند تطبيقه على عملية تصنيع حقيقية، يؤدي هذا التفاعل الكيميائي الفيزيائي إلى عملية أكثر تعقيدًا. يصور الشكل 2 مخططًا تخطيطيًا لسلوك المعالجة بالتدفق لمركب صب بالحرارة (على سبيل المثال، راتنجات الإيبوكسي أو راتنجات الفينول) عن طريق دورة قولبة بالحقن. تُظهر صلابة المادة (المقابلة للّزوجة في الحالة المنصهرة) منحنيات مميزة في مراحل العملية الفردية. أثناء التلدين، يتم زيادة درجة حرارة الكتلة بشكل منهجي عن طريق سخان البرميل والاحتكاك (دوران البرغي) حتى يتم تجاوز نطاق الانتقال الزجاجي للراتنج غير المتبلور (الشكل 2، الرسم البياني الأصفر). تكون المادة الآن في الحالة المنصهرة. من الناحية المثالية، يتم اختيار/تعديل درجة الحرارة إلى درجة لزوجة منخفضة قدر الإمكان، مع تجنب المعالجة أيضًا (راجع مقالة المدونة "تحليل DSC على المواد الحرارية - تطبيق منهجية القياس المناسبة لأنواع الراتنجات المختلفة").
حالات العملية أثناء عملية القولبة بالحقن
أثناء مرحلة الحقن، بينما تتدفق المادة عبر فوهة الماكينة، يؤدي الاحتكاك إلى تسخين المادة إلى درجة حرارة المعالجة ذات الصلة في وقت قصير. لذلك، يحدث التشابك الجزيئي بمعدل متسارع من هذه النقطة فصاعدًا (الشكل 2، المنحنى الأزرق). وفي الوقت نفسه، يؤدي ارتفاع درجة الحرارة هذا إلى انخفاض كبير في اللزوجة. وتعد مرحلة العملية القصيرة نسبيًا هذه مهمة لكفاءة العملية وجودتها لأنها تحدد ملء القالب(الريولوجيا) بالإضافة إلى وقت المعالجة (ديناميكيات التفاعل). خلال مرحلة ما بعد الضغط، تستمر اللزوجة في البداية في الانخفاض بسبب زيادة درجة الحرارة (تسخين القالب بما في ذلك تفاعل التشابك الطارد للحرارة)، وتزداد في النهاية مع تقدم التشابك، مع عودة المادة إلى الحالة الصلبة (مرحلة المعالجة). يتم إخراج المادة/المكون من القالب في حالة صلبة ساخنة. يتم الوصول أولاً إلى عتبة درجة حرارة الانتقال الزجاجي الخاص بالتشابك المتشابك أثناء التبريد.
تعتبر النظرة الثاقبة لسلوك المعالجة بالتدفق الخاص بالمواد ذات أهمية أساسية لتصميم المكونات والعمليات. على سبيل المثال، يتطلب تغليف المكونات الإلكترونية ملء القالب بضغط منخفض من أجل عدم إتلاف الأجزاء الإلكترونية الحساسة. وفي الوقت نفسه، غالبًا ما يجب ملء الفجوات الضيقة جدًا بشكل كامل (الشكل 4). وهذا يتطلب مواد ذات لزوجة منخفضة بشكل خاص أثناء ملء القالب (معظمها مركبات راتنجات الإيبوكسي الخاصة) فيما يتعلق بالتصميم المناسب للقالب والعملية.
النقطة المهمة الأخرى التي تلعب فيها الخصائص الحركية دورًا مهمًا هي تكوين بنية الحشو، على سبيل المثال اتجاه الألياف. يتم تشكيل اتجاهين مختلفين للطبقات (الشكل 5). هناك طبقتان على الحافة، حيث تكون الألياف موجهة بشكل أساسي موازية لاتجاه التدفق (مناطق القص)، وطبقة أساسية واحدة تكون فيها الألياف موجهة بشكل أساسي عموديًا على اتجاه التدفق (منطقة الامتداد الجانبي). تؤثر النسب المقابلة للطبقات الموجهة فوق المقطع العرضي بشكل كبير على الخواص الميكانيكية في اتجاهات التحميل المختلفة. وتتأثر هذه الخواص بسلوك المواد الحركية بالإضافة إلى تصميم القالب والعملية.
طرق محاكاة المعالجة
يوضح كلا السيناريوهين التطبيقيين المذكورين أعلاه أهمية الحصول على نظرة ثاقبة للسلوك الحركي لمركبات التشكيل بالحرارة من أجل تنفيذ الاختيار الأمثل للمواد وتصميم القالب والعملية. كما أن استخدام طرق محاكاة المعالجة (الشكل 6) مهم أيضًا لتجنب اختبارات التجربة والخطأ التجريبية. ولذلك، يجب تحديد سلوك المواد الانسيابية عن طريق مزيج من قياس DSC وقياس الانسيابية، وإتاحته من خلال النماذج الرياضية في برامج محاكاة المعالجة "كأساس حسابي".
ويتمثل أحد الخيارات في القياس الريولوجي في استخدام الدوران/التذبذب، وهي الميزة الخاصة التي سيتم عرضها بالتفصيل أثناء تحليل مركبات التشكيل بالحرارة في المقالة التالية.
أحد الخيارات في قياس الانسيابية هو استخدام الدوران/التذبذب، الميزة الخاصة، والتي سيتم عرضها بالتفصيل أثناء تحليل مركبات التشكيل بالحرارة في المقالة القادمة. ترقبوا!
