جمع‌شدگی پلاستیک

پدیده جمع‌شدگی پلاستیک چیست؟

جمع‌شدگی در لغت به معنای انقباض حجم می‌باشد و در فرآیند قالب‌گیری تزریقی رخ می‌دهد. این پارامتر معرف مقدار انقباض قطعه پس از سرد شدن در قالب، نسبت به ابعاد قالب است. رسیدن از دمای فرآیند به دمای محیط منجر به جمع شدن پلیمر می‌شود که ناشی از اختلافی ست که بین چگالی پلیمر در حالت آمورف و حالت کریستالی وجود دارد. در این شرایط زنجیره‌های مولکولی آرایش منظم پیدا می‌کنند و حجم پلیمر کاهش پیدا می‌کند.

تاثیرات منفی پدیده جمع‌شدگی چیست؟

تغییر ابعاد و جمع‌شدگی پلیمر هم به صورت طولی و هم به صورت عرضی در قطعه رخ می‌دهد. جمع‌شدگی معمولا برحسب درصد بیان می‌شود و در بیشتر موارد زیر 2 درصد است. اگر جمع‌شدگی در قطعات پلیمری نایکنواخت باشد، ترک‌های ریزی روی سطح قطعه پدید خواهد آمد و این موضوع منجر به تخریب قطعه در آینده خواهد شد. تاب برداشتن قطعه، اعوجاج، ایجاد حفره و ایجاد فرو رفتگی نیز از دیگر ضایعاتی‌ست که جمع‌شدگی ایجاد می‌کند. به همین دلیل بسیار مهم است که در زمان طراحی و مهندسی قطعه، مقدار جمع‌شدگی به طور دقیق پیش‌بینی شود. جمع‌شدگی در بعضی کاربردها بسیار حیاتی‌تر است، برای مثال در قطعاتی که ممکن است دارای بردهای الکتریکی باشند، جمع‌شدگی می تواند منجر به آسیب به بردها شود.

لازم است که قبل از تولید قطعه، در زمان طراحی و مهندسی مقدار دقیق جمع‌شدگی پیش‌بینی شود. بدین منظور باید از استانداردهای مختلف استفاده کرد. استانداردهای ASTM D955،ISO 294-4  و  ISO 2577 از جمله استانداردهای تعیین‌کننده جمع‌شدگی هستند.

جمع‌شدگی به چه دلیل رخ می‌دهد؟

از جمله دلایلی که می‌تواند منجر به جمع‌شدگی بیش از حد شود می توان به فشار تزریق کم، استفاده از رنگدانه‌های معدنی و آلی، مدت زمان کوتاه خنک کاری، نامتقارن بودن شکل هندسی قطعه، قالب گیری پلیمرهای پر نشده، دمای بسیار بالای مذاب پلیمر، سرد شدن غیر یکنواخت قطعه و قالب، افزایش ضخامت قطعه، دمای بالای قالب و کم بودن فشار اشاره کرد.

• ساختار پلیمر تشکیل دهنده

پلیمرهای نیمه بلوری، مانند پلی اتیلن، پلی پروپیلن و …، جمع شدگی بالاتری نسبت به پلیمرهای آمورف (پلی کربنات، پلی متیل متاکریلات، آکریلونیتریل بوتادین استایرن و…) از خود نشان می دهند.

لازم به ذکر است اگر ترکیب کاملا آمورف باشد تقریبا هیچ جمع‌شدگیی مشاهده نمی‌شود.

• وجود زنجیره‌های جانبی در ساختار مولکولی

درهم تنیدگی و گره خوردگی بالای زنجیره ها در پلیمرهایی با شاخه های زیاد سبب جلوگیری از تبلور می شود و جمع‌شدگی را کم می کند. برای مثال پلی کربنات به دلیل وجود زنجیره های جانبی در ساختار مولکولی، از آرایش یافتگی و بلورینگی پلیمر جلوگیری می کند.

• وزن مولکولی

پلیمرهایی با وزن مولکولی بالا، ویسکوزیته بالایی دارند و در نتیجه نیاز به فشار تزریق بالاتری برای پرکردن قالب در فرایند تزریق است. فشار مذاب پایین منجر به جمع‌شدگی و جمع شدگی بیشتر در محصول نهایی خواهد شد.

• فیلر (پرکننده) و الیاف

فیلرها معمولا برای اصلاح بعضی خواص مکانیکی مانند مدول یا سفتی، خزش و … به پلیمر ها اضافه می شوند. اکثر فیلرها و الیاف، دارای ضریب انبساط حرارتی نسبتا پایینی هستند، پس در هنگامی که خنک می شوند، به مقدار کمی شرینک می کنند و جمع‌شدگی کل محصول به غلظت این مواد وابسته است. در واقع سرعت سرد شدن مذاب افزایش میابد و میزان کریستالیزاسیون کاهش.

• رنگدانه ها

رنگدانه ها به طور کلی سبب افزایش جمع‌شدگی پلاستیک ها میشوند. در واقع رنگدانه ها سبب افزایش جمع شدگی یا جمع‌شدگی با عمل کردن به عنوان عوامل هسته زا می شوند. در واقع در پلیمرهای نیمه بلوری سبب افزایش قابل توجهی خواهند شد.

• مهاجرت مواد به سطح

از دست دادن مواد فرار و سیال در محصول نیز باعث افزایش جمع شدگی می شود. مثلا مهاجرت مواد نرم کننده به سطح.

• ضخامت محصول

هرچه ضخامت محصول بیشتر باشد، مرکز مواد فرصت بیشتری برای جمع شوندگی خواهد داشت و دیرتر سرد میشود لذا هرچه ضخامت محصول کمتر باشد میزان جمع‌شدگی به نسبت کاهش می‌یابد ، هرچند یک پدیده قطعی نیست و به فاکتورهای مختلف فرآیند وابسته می باشد.

• درجه حرارت قالب و دمای مذاب

بالا بودن حرارت قالب باعث انتقال دمای بیش از حد به درون قالب می‌شود و در نتیجه مواد پلیمری فرصت بیشتری برای آرایش یافتگی و رسیدن به شرایط تثبیت دمایی و رطوبت خواهند داشت و در نتیجه باعث افزایش جمع‌شدگی می گردد.

دمای مذاب بالا هم دقیقا تاثیرات دمای بالای قالب را دارد و فرصت کریستالی شدن بیشتری را مهیا کرده و نتایج مشابهی را خواهد داشت.

• سرعت خنک سازی

زمان خنک سازی تاثیر مستقیم بر سرعت کریستالی شدن مواد دارد و هر چه سرعت خنک سازی بیشتر باشد درجه تبلور پایین آماده و ساختار زنجیره ها زمان کمتری برای کریستالیزاسیون خواهند داشت و در نتیجه درصد شیرینکیج کاهش می یابد.

مقدار جمع‌شدگی در چند پلیمر تجاری در جدول زیر آمده است: