پلی ­اتیلن سنگین

بخش سوم-مفهوم فرایندپذیری در سیلندر و ماردون

در دو بخش قبلی شاخص­ هایی که برای تعریف ریزساختار پلی ­اتیلن استفاده می­شوند تشریح شد که عبارت از طول مولکلول و مقدار شاخه هستند. برای اینکه بدانیم یک گرید مشخص از پلی­ اتیلن سنگین برای چه فرایند شکل­ دهی مناسب است یا اینکه آیا خواص مورد نظر ما را فراهم می­ آورد یا نه لازم است بدانیم که چه ارتباطی بین ریزساختار و این ویژگی­ها وجود دارد. این مبحث با ارتباط الزامات فرایندهای شکل­دهی با ریزساختار آغاز  می­شود.

پلی­ اتیلن در طی فرایندهای شکل­ دهی از گرانول­ های جامد به مذاب یکدستی تبدیل شده که با عبور از دای یا تزریق شدن داخل قالب شکل نهایی خود را گرفته و در نهایت خنک می­شود. پس، فرایندهای شکل­ دهی شامل  اکستروژن و در ادامه قالبگیری یا عبور از دای هستند.

در بخش اکستروژن مواد که معمولا به شکل گرانول هستند توسط حرکت ماردون داخل سیلندر به جلو هل داده شده و تحت تأثیر گرمایش از بدنه بیرونی سیلندر و نیز حرارت ناشی از اصطکاک مالشی مواد به هم و به بدنه دستگاه به مذاب تبدیل می­شوند. آنچه قابلیت فرایند در اکسترودر را تعیین می­کند فشار مذاب در سر اکسترودر یا آمپری است که موتور اکسترودر می­کشد. فشار مذاب کمتر یا آمپر پایین­تر موتور ضمن کاهش فشار وارده بر دستگاه و در نتیجه استهلاک کمتر، به کاهش مصرف انرژی کمک کرده و اینکه به کاربر اجازه می­دهد تا دورهای بالاتر ماردون را برای تولید مواد در فرایندهای اکستروژنی بکار گیرد.

این مهم زمانی اتفاق می­افتد که مقاومت مذاب در برابر حرکت کمتر باشد. این ویژگی که به آن ویسکوزیته می­گویند به سادگی با شاخص MFI قابل ارتباط است. بطور کلی هر چه MFI اندازه­گیری شده در وزنه ۲.۱۶ یا ۵.۰ کیلوگرم بالاتر باشد مقاومت در برابر حرکت مذاب یا ویسکوزیته آن کمتر بوده و ماده فرایندپذیرتر است. همانطور که در بخش اول از این سری مطالب عنوان شد MFI معیاری از طول مولکول بوده و با آن رابطه عکس دارد. یعنی MFI بالاتر معادل مولکول­ های کوچکتر بوده و این به معنی سهولت حرکت مذاب داخل سیلندر و ماردون می­باشد.

اگر چه MFIهای بالا برای تسهیل فرایند شکل­ دهی یک مزیت است ولی از طرف دیگر محصولی که با آن تولید می­شود از خواص به حد کافی بالایی برخوردار نیست (ارتباط خواص و ریزساختار در بخش ­های آتی بحث می­شود). شاخص دیگری که برای این منظور استفاده می­شود اختلاف طول مولکول­ها یا به عبارت دیگر توزیع طول مولکول­هاست که با نسبت MFI اندازه­گیری شده در وزنه­های ۲۱.۶ به ۵ یا ۲.۱۶ کیلوگرم بدست می­آید. هر چه اختلاف طول مولکول­ها بیشتر باشد یا به عبارت دیگر هر چه نسبت MFIها بزرگتر باشد مذاب از مقاومت کمتری برای حرکت داخل سیلندر و ماردون برخوردار بوده یا ویسکوزیته کمتر بوده که این به معنی فرایندپذیری بهتر است.

پس برای اینکه از مزیت MFI پایین برای خواص مناسب بتوانیم استفاده کنیم لازم است نسبت MFIهای بالاتر داشته باشیم تا بتوان سهولت فرایندپذیری را برای این مواد ایجاد کرد.

میزان سهولت یا سختی عبور مذاب از داخل دای نیز با همین فرمول قابل ارزیابی است: MFIهای بالاتر و یا نسبت MFIهای بزرگتر موجب کاهش ویسکوزیته مذاب و در نتیجه تسهیل عبور مواد از داخل دای می­شوند.

در فرایند شکل­ دهی تزریق یک محدودیت برای توزیع طول مولکول ­ها وجود دارد و آنهم این است که برای سرد شدن یکدست مواد و جلوگیری از بروز تاب برداشتن قطعات لازم است از موادی استفاده شود که توزیع طول مولکول­های آن باریک باشد. به عبارت بهتر این مواد باید نسبت MFIهای کوچکتری داشته باشند. پس برای بهبود فرایندپذیری در گرید تزریق لازم است تکیه بر افزایش MFI باشد و نمی­توان برای این منظور روی افزایش نسبت MFIها حساب کرد.

بخش اول:

ریزساختار شامل تعریف طول مولکول

پلی­ اتیلن یکی از مهم­ترین پلاستیک­ های تجاری در تولید انواع محصولات متداول در فرایندهای شکل­ دهی متفاوت است. چنین طیف وسیعی از کاربردها یا خواص پلی ­اتیلن از تنوع در ریزساختار آن ناشی می­شود. مشخصات ریزساختار پلی­ اتیلن شامل طول مولکول از یک سو و شکل مولکول یعنی حالت خطی یا شاخه­ دار می­باشد (شکل ۱).

شکل ۱- مشخصات ریزساختاری شامل طول (سمت راست) و شکل (سمت چپ) در مولکول پلی اتیلن

تولید کنندگان مواد اولیه با بهره ­گیری از تکنولوژی مناسب و کنترل شرایط تولید قادرند تا این مشخصات ریزساختاری را روی مقادیر معینی تنظیم کرده و در نتیجه خواص دلخواه را در قالب گونه­های مختلف پلی­ اتیلن ایجاد نمایند.

اما در تولید این ماده هر چقدر هم دقت به خرج داده شود ولی بدلیل ماهیت فرایند، مولکول­های پلی­ اتیلن ساخته شده از نظر مشخصات ریزساختاری به هیچ وجه یکسان نمی­شوند. این یعنی از نظر طول مولکول و شکل آن تنوع وجود دارد. مثلا در مورد طول مولکول تعداد کمی از مولکول­ها بسیار بزرگ همین طور کوچک و تعداد زیادی اندازه بینابینی دارند. به عبارت دیگر یک توزیع در طول مولکول ­ها وجود دارد (شکل ۲). در این صورت برای بیان طول مولکول با یک عدد چه باید کرد؟ علم آمار به کمک آمده و متوسط­ ها را برای این منظور معرفی کرده است.

سه نوع متوسط برای بیان مقدار طول مولکول پلی­ اتیلن وجود دارد که عبارتند از متوسط عددی، متوسط وزنی و متوسط z (زد). متوسط عددی یک میانگین معمولی از طول مولکول­ های پلی­ اتیلن است، درست همانطور که معدل چند نمرات درسی بدست می ­آید. پس در این نوع میانگین ­گیری تمام مولکول­ ها بدون توجه به طولشان یک درجه مشابه از اهمیت دارند. با این حال در این روش طول­ های کوچک مولکول بر مقدار متوسط محاسبه شده بسیار موثرتر از طول­های بزرگتر می­باشد همانطور که وقتی یک دانش آموز نمره درسی کمتر از ۱۰ گرفته باشد یا اصطلاحا تجدید شده باشد به شدت معدلش را کم می­کند. در متوسط ­گیری وزنی هر چه طول مولکول بزرگتر باشد اثرش روی مقدار متوسط بزرگتر است. در این نوع متوسط بر خلاف متوسط عددی طول­ های بزرگ زنجیر تأثیر بیشتری در مقدار محاسبه شده برای متوسط وزنی دارد. در متوسط­ گیری z اهمیت طول زنجیر حتی از متوسط وزنی هم بیشتر شده بطوریکه مقدار محاسبه شده عمدتا از طول مولکولی­ های بسیار بزرگ تأثیر می­گیرد.

شکل ۲- نمودار توزیع طول مولکول پلی اتیلن

بنابراین بطور کلی مولکول­های کوچک روی متوسط عددی، مولکول­ های با طول بینابینی روی متوسط وزنی و مولکول­ های بسیار بزرگ روی مقدار متوسط z موثرند. آنچه که ما بعنوان شاخص جریان مذاب یا MFI می­شناسیم ارتباط تنگاتنگی با متوسط وزنی دارد. نسبت شاخص جریان مذاب در وزنه­ های ۲۱.۶ به ۲.۱۶ یا ۵.۰ کیلوگرم که تحت عنوان FRR نیز شناخته می­شود ارتباط مستقیمی با نسبت متوسط­های وزنی به عددی دارد. متوسط z علیرغم اینکه با روش های معمول مثل MFI قابل اندازه­ گیری نیست ولی هر جا موضوع استحکام مذاب مطرح است مثل پایداری حباب فرایند فیلم دمشی یا کش آمدن روده در فرایند قالبگیری دمشی تحت تأثیر آن می­باشد

درباره ژئوتکستایل ها:

ژئوتکستایل ها( Geotextile) منسوجاتی بر اساس الیاف مصنوعی و  نفوذپذیر هستند که توانایی جداسازی، فیلتر کردن، تقویت، حفاظت یا تخلیه در هنگام استفاده همراه با خاک، را دارند در نام ژئوتکستایل پیشوند ژئو یعنی زمین و تکستایل یعنی پارچه، به این ترتیب آن را منسوج با قابلیت پوشاندن زمین(خاک) ترجمه می‌کنند. ژئوتکستایل‌ها که بر پایه پلی استر و پلی پروپیلن و ترکیبی از سایر مواد پلیمری با گرماژ و ابعاد گوناگون تولید و از کنارهم قرارگرفتن الیاف ریز پلیمری و در هم تنیدن تشکیل می‌شوند که با روش‌های گوناگون نظیر سوزنکاری (Needle Punching)، حرارتی (Heat Bonding) یا شیمیائی (Resin Bonding)، تولید میگردند و دارای ساختاری نمدگونه و بدون تاروپودهای مشخص (بدون بافت) است.

ساختار متخلخل باعث وجود خواص مطلوبی نظیر موئینگی و جذب آب، آبگذری، تحمل فشار و ضربات، جذب قیر و از همه مهمتر امکان عبور انتخابی یعنی عبور دادن سیالات در حالی که ذرات خاک اجازه عبور ندارند میگردد.

ژئوتکستایل‌ها بر پایه پلی استرها (PES/PET) و پلی پروپیلن‌ها (P.P) به دو صورت بافته (Woven) و نبافته (Non woven) وجود دارد.در صورتی که الیاف ساخته شده از این پلیمرها توسط ماشین‌های بافندگی و به صورت دو مجموعه نخ عمود بر هم بافته شده باشد ژئوتکستایل بافته شده Woven واگر الیاف تصادفی و نامنظم به روش سوزنکاری کنار هم قرار گرفته شده باشند، بافته نشده NonWoven هستند.

کنترل کیفیت ژئوتکستایل ها:

با توجه به گستره ی کاربرد ژئوتکستایل ها و همچنین مزایای استفاده از آنها که شامل ساخت و نصب سریع، صرفه اقتصادی، مقاومت شیمیایی، دوام زیاد، کاهش میزان حفاری و … میباشد، موضوع کنترل کیفیت این محصولات جهت بهره مندی حداکثری از این مصالح  بسیار حایز اهمیت میگردد چرا که کاربرد مصالح جدید و به ویژه پوشش های مصنوعی در پروژه های بزرگ، ممکن است با ریسک پذیری بالایی مواجه بوده و به همین دلیل مشاوران و طراحان با احتیاط با این موضوع برخورد مینمایند که یکی از قابل توصیه ترین اقدامات در چنین شرایطی، بهره گیری از خدمات آزمون و مقایسه با استانداردهای تعریف شده است. از استانداردهای متداول جهت کنترل کیفیت این نوع از ژئوسنتتیک ها میتوان به استاندارد های GT12  و ZTV اشاره کرد.

خصوصیات ژئوتکستایل ها همانند سایر محصولات مورد استفاده در فعالیت های مهندسی، به مواد به کار برده شده در تولید آنها، چگونگی ساخت و خواص محصول نهایی بستگی دارد . طبقه بندی های متفاوتی برای ویژگی های فنی این تولیدات ارائه شده است، لیکن خصوصیات اصلی آنها را می توان در سه گروه شامل :

• خصوصیات فیزیکی: جرم مخصوص، جرم واحد سطح، ضخامت، انعطاف پذیری.
• خصوصیات مکانیکی: دوام، مقاومت کششی، مقاومت به سوراخ شدگی و شکافتگی، مقاومت به گسیختگی، خواص اصطکاکی .
• خصوصیات هیدرولیکی: اندازه خلل و فرج، نفوذ پذیری ، قابلیت انتقال تقسیم بندی کرد

  از روی این خصوصیات و با توجه به شرایط و محل استفاده، می توان نوع ژئوتکستایل مناسب را جهت هر فعالیت مهندسی تعیین و انتخاب نمود.

آزمایشات متداول جهت کنترل کیفیت ژئوتکستایل هابه شرح زیر می باشد :

۲.۱. BS – EN 965 -1995 : Geotextiles and geotextile–related productss – determination of mass per unit area .

۲.۲. EN –ISO -10319-2008 : Geotextiles , wide – width tensile test .

۲.۳.ASTM D4632 -2008 : Standard test method for grab breaking load and elongation of geotextiles .

۲.۴. BS – EN –ISO -12236-2006 : Geotextiles and geotextile–related products – static puncture test ( cbr – test ).

۲.۵. BS – EN -13433-2007 : Geotextiles and geotextiles related products – dynamic perforation test (cone drop – test).

۲.۶.BS– EN – ISO – ۱۱۰۵۸ -۲۰۱۰ : Geotextile and geotextile – related products – determination of water permeability characteristics normal to the plane , without load.

۲.۷. DIN–EN–ISO–۱۰۳۲۰-۱۹۹۹ : Geotextile and geotextile – related products identification on site.

۲.۸ .ASTM D – ۴۵۳۳ -۲۰۱۱ : Standard test method for trapezoid tearing strength of geotextile.

۲.۹ . DIN – EN – ۱۴۰۳۰ -۲۰۰۳ : Geotextile and geotextile – related products– screening test method for determining the resistance to acid and alkaline liquids .

۲.۱۰ . BS – EN – ۹۶۴ – ۱– ۱۹۹۵ : Geotextile and geotextile – related products– determination of thickness at specified pressures single layers.

موسسه اندیشه برتر میران به عنوان آزمایشگاه همکار بزرگترین پروژه عمرانی اجراشده با محصولات ژئوسنتتیک(دریاچه چیتگر) با بیش از ده سال سابقه ی فعالیت دراین حوزه، کلیه آزمون های مورد نیاز در این خصوص را به مشتریان خود ارائه میدهد.

جهت دریافت اطلاعات بیشتر میتوانید با همکاران ما تماس حاصل فرمایید.