شیمی و روش تهیه:
لایه نازک پلاستیک مذاب در دیواره فوم ناپایدار است و اگرتثبیت شود این دیواره نازک پاره شده فرو می ریزد.دو روش برای تثبیت دیواره سلهای فوم وجود دارد که معمولاَ مورد استفاده قرار می گیرند:
1- افزایش دیسکوزیته/ انجماد Solidification/Viscosity
2- شبکه ای شدن Crosslinking
افزایش دیسکوزیته/ انجماد:
زمانی که از یک مایع و یا گاز به عنوان عامل ایجاد فوم در پلاستیک استفاده می شود، در اصل از تغییرخواص فیزیکی آن عامل برای ایجاد فوم استفاده می شود. برای بروز این تغییر در خواص با حذف عامل فشار (Decompression)سیستم پلیمر + عامل فوم ناپایدار شده و جهت نیل به پایداری عامل فوم تبخیر منسط می شود. تبخیر عامل فوم در اثر مجموعه ای از عوامل زیر باعث افزایش دیسکوزتیه مذاب پلیمر و در نهایت جامد شدن دیواره سلها قبل از پارگی می شود:
با حذف عامل فشار و ناپایداری ترمودینامیکی حاصل عامل دوم منبسط می شود.
انبساط فرایندی گرماگیر است و بدن وسیله مقداری از انرژی حرارتی دیواره سلها را جذب می کند.
با نازک تر شدن دیواره سلها عامل ایجاد فوم از این دیواره عبور کرده و تبخیر می شود. فرایند تبخیر هم فرایندی گرماگیر بوده و افزایش دیسکوزیته مذاب و انجماد دیواره سلها را تسریع می نماید.
علاوه بر عوامل فوق تبادل حرارتی به محیط اطراف نیز را می توان بر شمرد.
می بینیم که در این حالت نه تنها حرارتی از بیرون به پلیمر اعمال نمی شود بلکه مجموعه عوامل موثر در فوی شدن، تأثیر خود را به وسیله حذف گرما در سیستم اعمال می کنند. که فاکتور شروع کننده همگی این عوامل، ایجاد ناپایداری ترمودینامیکی در اثر کاهش فشار است.
شبکه ای شدن:
در این حالت بر خلاف حالت اول که عامل افزایش دیسکوزیته، جذب انرژی گرمائی از سیستم بوده است، به سیستم انرژی حرارتی داده می شود. چرا که عامل افزایش دیسکوزیته ایجاد پیوندهای عرضی در مذاب پلیمر است به بیان دیگر با حرارت دادن / یا با اعمال انرژی از انواع دیگر، اتصالات عرضی شیمیائی بین مولکولهای پلیمر ایجاد می شود و این اتصالات عرضی باعث افزایش سریع دیسکوزیته و در نتیجه مثبت دیواره سلها می گردند. از طرف دیگر حرارت باعث تجزیه عامل فوم می شود و با ایجاد گاز از عوامل فوم پخش شده در پلیمر مذاب پلیمر شروع به انبساط می کند و به طور همزملن افزایش دیسکوزیته نیز از انبساط سریع در اثر فایل فوم جلوگیر می نماید.
این اتصالات عرضی می تواند به وسیله استفاده از عوامل شیمیایی ایجاد شود. این عوامل شیمیاییشناخته شده مانند پراکسیدها در اثر حرارت تجزیه شده و با ایجاد رادیکالهای آزاد زنجیره های شکسته شده پلیمر را به هم متصل می کنند. در اثر ایجاد این اتصالات عرضی دیسکوزیته کششی
(Elongational Viscosity) مذاب پلیمر افزایش یافته و باعث تثبیت دیواره فوم می گردد. گاهی برای ایجاد این اتصالات عرضی به جای استفاده از عوامل شیمیایی از اشعه های پرانرژی استفاده می شود. که نقاط مستعد اتصال به یکدیگر در اثر تابش این پرتوهای پرانرژی ایجاد می گردند.
در دیاگرام دیسکوزیته – دمای زیر، پایدارکردن دیواره سلهای فوم به صورت شماتیک نشان داده شده است.
شبکه ای کردن ناحیه رابری را توسعه می دهد و لذا محدوده دمائی فرایند تولید فوم بسیار وسیع شده و کار تهیه و روان تر انجام می گیرد.
روشهای مختلف تولید فوم های پلی ادلفینی در جدول زیر خلاصه شده است. تولید دانه های بیش فوم شده به دو روش بچ و پیوسته قابل تولید است.
بهتر است در اینجا انواع مختلف Pat که مربوطند ذکر شوند.
نکته حائز اهمیت دراین حالت داشتن اطلاعات کافی و تسلط کامل به فرایندهای موثر در ایجاد فوم است. همانگونه که بیان شد در اثر اعمال حرارت عامل فوم کننده شیمیایی تجزیه شده و عناصر اصلی ایجاد فوم را از خود آزاد می کند. همزمان عامل حرارت بواسطه تجزیه عوامل شبکه ای کننده باعث افزایش دیسکوزیته پلیمر می گردد که باید دانست که تأثیرات هر کدام از اینها بر روی دیگری چگونه است . یعنی ارتباط تأثیرات متقابل انبساط حجمی، تجزیه عوامل فوم کننده و شبکه ای شدن به یکدیگر باید مشخص و تحلیل شده باشد. در شکل 17 رابطه این سه اتفاق و پدیده برای حالت شبکه ای شدن با تابش پرتوهای پرانرژی و یا عوامل شیمیایی به تصویر کشیده شده است. د رفرایند شبکه ای کردن با پرتوهای پرانرژی، ایجاد اتصالات عرضی قبل از تجزیه عوامل فوم کننده و انبساط فوم که به طور همزمان اتفاق می افتند خاتمه یابد.لذا این فرایند دو برابر سریع تر از فرایند شبکه ای کردن با عوامل شیمیایی به پیش میرود، چرا که سرعت اعمال حرارت با سرعت شبکه ای شدن محدود نمی شود
(51)انتخاب مواد اولیه و کنترل فرایند در حالیکه از یک پراکسید به عنوان عامل شبکه ای کننده استفاده می شود و در شرایط اتمسفر یک بسیار مشکل است(92و91) . همنگونه که در شکل 17 مشخص است، مقداری از شبکه ای شدن قبل از تجزیه عوامل فوم کننده اتفاق (الف-2)انبساط به کمک عوامل تبخیر شونده و فوم کننده آلی
مواد آلی که در اثر تبخیر باعث تولید فوم می گردند در تولید فوم های پلی اولفینی با دانسته کم از شیتهای فوی گرفته تا دانه های فوم قابل قالبگیری با روش پیوسته و یا بچ مورد استفاده قرار می گیرند. انواع بسیار متنوع و مختلفی در تولید این فوم ها مورد استفاده قرار می گیرند که درباره آنها بحث می شود.
فرایند اکستروژن:
فرایند اکستروژن فرایندی ساده و بسیار اقتصادی است. در این فرایند لذاکسترودری استفاده می شود که عوامل ایجاد فوم که ماده ای شدیداَ تبخیر شونده هستند بتواند وارد استوانه اکسترودر شده و درنقطه مناسب به مذاب پلیمر تزریق گردد. فاصله باقیمانده تا خروج لذا اکسترودر این عامل ایجاد فوم بتواند با مذاب پلیمر مخلوط شده و مخلوط همگن را ایجاد نماید سپس باید در از آنجا که استوانه – بارل – اکسترودر داغ است و فشار بخار عوامل ایجاد فوم در آن دما بسیار بالاست، ابزاری که برای تزریق عوامل فوم کننده در مذاب پلیمر مورد استفاده قرار می گیرد. باید بتواند این فشار بالا را تأمین نماید و همواره این اطمینان باشد که مواد و عوامل فوم کننده با دوز مشخص و مورد نظر که از بیش تعیین شده است به استوانه اکسترودر وارد می شود.
سپس مخلوط حاصل خنک می شود. می دانیم که مواد ف.م کنده سیالهای با تقطه جوش پایین هستند.با مخلوط شدن این سیالها با مذاب پلیمر در حرارت زیاد و فشار خیلی بالا، نقطه ذوب سیستم پلیمر+ عامل فوم کننده کاهش می یابد. این اثر خصوصاَ اگر سیالی که عامل فوم کننده است با پلیمر سازگار باشد، مشهودتر خواهد بود. بدین دلیل و برای دانستن کنترل بیشتر بر روی فراند فوی شدن لازم است که مخلوط مذاب پلیمر به همراه عوامل فوم کننده حتی المکان سرد شده و دمایش کاهش یابد. این دما همان دمای مناسب برای فوی شدن است.
که با آن دمای مذاب پلیمر حاوی عوامل فوی کننده از دای اکسترودر خارج می شود. با کاهش فشار مذاب(Decompression)هسته های سلهای فوم ایجاد می شوند. وقتی که مخلوط پلیمر+ عامل فوم کننده از قسمت اختلاط اکسترودر وارد دای می شود فشار در درون دای با نزدیک شدن به خروجی افت می نماید. این پایداری ترمودینامیکی ایجاد شده در بستر دای (Dieland) باعث هسته زائی سلها شده و درنتیجه با خروج مذاب از سردایاین سلهای هسته زاده شده با خروج از اکسترودر به سرعت رشد می ننمایند. در فرایند فوم به روش اکستروژن می توان مراحل زیر رابرشمرد:
فوم شدن (Plasticizing) پلیمر و پمپ شدن پلیمر پایه
تزریق عامل فوم کننده به درون استوانه اکسترودر و مذاب پلیمر
توزیع، پخش و انحلال عامل فوم کننده در مذاب پلیمر
کاهش دمای مخلوط حاصل به دمای پائین تر و همگون
هدایت مذاب مخلوط به درون یک دای با طراحی مناسب ورودی دای که بتواند فشار کافی را در دای ایجاد نماید و از فوم شدن زود هنگام جلوگیری نماید
انبساط مذاب به یک ساختار فومی پایدار
1-6 بریدن رشته خروجی از سردای به اندازه دانه های از پیش تعریف شده
خنک کردن و سپس انجام عملیات حرارتی بعدی برای حصول به یک ساختار دارای پایداری ابعادی
نقش انتخاب ساده اولیه در موفقیت فرایند اکستوژن یا عوامل مهم و موثر در فرایند اکستروژنی تولید فوم
برای اینکه بتوان از فرایند اکستروژن به فوم با کیفیت خوب رسید، عواملی چند موثر هستند . مهمترین آنها را به شرح زیر می توان دسته بندی کرد:
انتخاب درست ماده
انتخاب درست عوامل فوم کننده Blowing Agonts
طراحی و آرایش درست ابزار
عموماَ اکسترودر کردن پلی اولفینها مشکل تر از اکستروژن پلیمرهای استایرنی است . در میان پلی اولفینها، پلی اتیلن با دانستیه کم برای فرایند اکسروژن مناسب هستند. ویژگی که این رزین را برای این کاربرد مناسب و ایده آل کرده است ساختار LDPE شاخه ای آن است شاخه های بلند حول راست زنجیر پلیمر استحکام کافی را به مذاب پلیمر در طی فرایند فومی شدن میدهد. بدینگونه است که می توان محدوده وسیعی از انواع فو مبا دانستیه های مختلف را (Kg/m³ 150-19 ) با این ساده بدست آورد. پلی الفین های خطی را نمی توان تبدیل به فوم با دانستیه کم کرده چرا که دیسکوزتیه کششی Extensional Viscosity آنها کم است و از طرف دیگر انرژی لازم برای ذوب کردن آنها بالاست(19)