٠٣/١٩/١۴٣٧

١

مبانی مهندسی پلیمردکتر زهرا مقصود

فرایندهاي شکل دهی پلیمرها

2

٠٣/١٩/١۴٣٧

٢

دهی پلیمرهاشکل

3

فرایندهاي شکل دهی پلیمرها

4

٠٣/١٩/١۴٣٧

٣

(Additives)افزودنی هاي پالستیکها

Fillers پرکننده ها Pigments رنگها Stabilizers پایدارکننده ها Antistatic Agents عوامل ضد الکتریسیته ساکن Flame Retardants عوامل بازدارنده شعله Plasticizers نرم کننده ها Reinforcements تقویت کننده ها

(Extrusion)اکستروژن

روژن شکل دهی پلیمرها می توان به تکنیک اکستروشهاي از جمله کاربردي ترین •. اشاره نمود

حرارت شده و بر اثراکسترور فرایند مواد اولیه پس از عبور از قیف تغذیه وارد در این •. میگرددهدایت ) die(درون حدیده تنش هاي برشی ذوب و به و

ده در آمده و سپس سرد و شکل ایجاد شنظر بر اثر اعمال فشار به شکل مورد مذاب •والت محصتولید تثبیت می گردد از این رو اکستروژن یک فرآیند پیوسته جهت

.پلیمري محسوب می گردد

6

٠٣/١٩/١۴٣٧

۴

اکسترودر

7

اکستروژن

8

٠٣/١٩/١۴٣٧

۵

Screw) پیچ(ماردون

9

10

Die

Breaker plate, Screen pack

٠٣/١٩/١۴٣٧

۶

(Twin screw extruder)اکسترودر دو ماردون

11

(Injection molding)فرایند قالبگیري تزریقی

ده در این فرآیند مواد اولیه پلیمري پس از ذوب شدن به درون قالب فشر•به (Cooling time)شده و پس از گذشت زمان موسوم به زمان سرد شدن

.شکل قالب درآمده و خارج می گردد

. اردزمان و مراحل فرآیند به نوع و خواص فیزیکی ماده پلیمري بستگی د•بوده و در هر سیکل یک نمونه (batch)قالبگیري تزریقی فرآیندي نوبتی

.تولید می گردد

12

٠٣/١٩/١۴٣٧

٧

قالبگیري تزریقی

13

برخی از محصوالت تولید شده با استفاده از قالبگیري تزریقی

14

٠٣/١٩/١۴٣٧

٨

قالبگیري تزریقی

(Mold)قالب •

15

قالبگیري تزریقی

اجزاي قالب•

16

٠٣/١٩/١۴٣٧

٩

(Blow Molding)قالب گیري دمشی

ده و بر در این فرآیند پلیمر به صورت یک استوانه تو خالی در قالب با طرح خاص وارد ش•تبدیل اثر اعمال فشار باد پلیمر مذاب به سمت دیواره قالب هدایت شده و به شکل قالب

.می شود

17

قالب گیري دمشی

18

یک نمونه قالب قالبگیري دمشی

Parison

٠٣/١٩/١۴٣٧

١٠

تولید فیلم

(Cast Film)ري فیلم پالستیکی، یک ورق پالستیکی نازك است که با استفاده از فرایند ریخته گ•.تولید می شود (Blown Film)یا دمشی

خالی ودر روش دمشی، پلیمر پس از ذوب شدن وارد قالب اکسترودر شده و به صورت یک استوانه ت•. تحت اثر فشار باد خارج می شود

19

Cast Film

(Film Blowing)تولید فیلم به روش فیلم دمشی

20

٠٣/١٩/١۴٣٧

١١

(Film Blowing)فیلم دمشی

21

(Compression molding)قالب گیري فشاري

22

٠٣/١٩/١۴٣٧

١٢

(Reaction Injection Molding)قالبگیري تزریقی واکنشی

. در قالب گیري تزریقی واکنشی، پلیمریزاسیون درون قالب انجام می شود•

23

(Thermoforming)ترموفرمینگ

تولیدي در فرآیند اکستروژن به عنوان ماده اولیه در این (Sheet)صفحات پلیمري •. فرآیند محسوب می شوند

نرم شده و سپس با اعمال (Softening Point)صفحه پلیمري تا دماي نقطه نرمی•رد شدن و پس از س. فشار مثبت یا منفی هوا، پلیمر به سمت دیواره قالب هدایت می شود

.از قالب خارج می شود

24

٠٣/١٩/١۴٣٧

١٣

(Thermoforming)ترموفرمینگ

25

یک از تولید صفحه و ورقه هاي نازك پالستیکی با استفاده از فشردن و هدایت پالست•.بین دو یا چند غلتک دوار (Nip)میان فضاي تنگ

. از این روش در صنایع کاغذسازي، نساجی و فلزي نیز استفاده می شود•

.بسیار مناسب است PVCبراي مواد حساس به گرما مانند •

(Calendering)فرایند غلتک رانی

26

Wad of plastic

To conditioningequipment

٠٣/١٩/١۴٣٧

١۴

Calenderingفرایند

27

خواص فیزیکی مکانیکی پلیمرها

28

٠٣/١٩/١۴٣٧

١۵

آزمون هاي تعیین خواص مکانیکی

29

(creep)، خزش (stress relaxation)استهالك تنش -1

Stress-Strain)(کرنش -تنش -2

(Dynamic mechanical)مکانیکی -آزمون هاي دینامیکی -3

HDT, Fatigue, Hardness: آزمون هاي دیگر -3

(creep)خزش -(stress relaxation)استهالك تنش

30

٠٣/١٩/١۴٣٧

١۶

Stress-Strain)(کرنش -آزمون تنش

31

کرنش در پلیمرها-رفتار تنش

32

Brittleرفتار شکننده

Toughرفتار چقرمه

Ductility is a measure of how much something deforms (plastically) before fracture.

Toughness is a good combination of strength and ductility; The emphasis is on the ability to absorb energy before fracture.

Ductility is a measure of how much something deforms (plastically) before fracture.

Toughness is a good combination of strength and ductility; The emphasis is on the ability to absorb energy before fracture.

٠٣/١٩/١۴٣٧

١٧

33

ش شیب ناحیه خطی در منحنی تن): یانگ(مدول ا کرنش، مقاومت ماده در برابر تغییر شکل ر

. نشان می دهد

کرنش در پلیمرها-رفتار تنش

34

٠٣/١٩/١۴٣٧

١٨

کرنش در پلیمرها-رفتار تنش

35

رفتار پالستیک

36

کرنش در پلیمرهاي آمورف -رفتارتنش

٠٣/١٩/١۴٣٧

١٩

37

ي تغییر شکل در پلیمرهانیمه بلورین

عوامل موثر بر مدول االستیک

38

وزن مولکولیوزن مولکولی

شبکه اي شدنشبکه اي شدن

٠٣/١٩/١۴٣٧

٢٠

عوامل موثر بر مدول االستیک

39

یبلورینگیبلورینگ

)ندهپر کن(فیلر )ندهپر کن(فیلر

نرم کنندهنرم کننده

عوامل موثر بر مدول االستیک

40

آلیاژ پلیمرهاآلیاژ پلیمرها

٠٣/١٩/١۴٣٧

٢١

(Dynamic Mechanical Analysis)آزمون دینامیکی مکانیکی

. یردقرار می گ) سینوسی(نمونه تحت تغییر شکل هاي کوچک متناوب DMAدر آزمون •

41

(Dynamic Mechanical Analysis)آزمون دینامیکی مکانیکی

•E’ معیاري از انرژي ذخیره شده به صورت االستیک: مدول ذخیره

•E’’ معیاري از انرژي اتالف شده به صورت گرما: مدول اتالفی

42

Damping Factor

٠٣/١٩/١۴٣٧

٢٢

(Hardness)سختی

ی تعریف سختی به صورت مقاومت ماده در برابر تغییر شکل بخصوص تغییر شکل دائم•ه شکل ب(تست سختی تعیین مقاومت در برابر فرو رفتن یک ماده فروشونده . می گردد

.است...) کروي، مخروطی، سوزنی و

توسط دستگاهی به نام است که Shoreیکی از روشهاي اندازه گیري سختی، تست •Durometerاندازه گیري می شود .

43

ارتباط بین سختی و مدول در مواد پلیمري

44

(Hardness)سختی

٠٣/١٩/١۴٣٧

٢٣

Fatigue)(خستگی

که تحت قطعاتی که براي مدتی طوالنی تحت نیروهاي متناوب قرار گرفته اند، زودتر از قطعاتی•ایین تر از نیروي استاتیکی قرار می گیرند، شکسته می شوند، حتی اگر تنش هاي وارد بر آنها پ

وب ایجاد شده این امر ناشی از پدیده خستگی است که به دلیل تنش هاي متنا. تنش تسلیم باشد.و در نهایت به شکست می انجامد

اد حداکثر تنشی را که طی آن بتوان یک قطعه را بدون شکست تحت تناوب نامحدود قرار د•.می نامند (fatigue strength)استحکام خستگی

45

carbon/PPS thermoplastic composite is tested in tension-tension fatigue

(Impact test)آزمون ضربه

که این آزمون نشان می دهد. یکی از راههاي تعیین چقرمگی یک ماده آزمون ضربه است•. ندیک پلیمر چه مقدار انرژي ضربه اي را می تواند تا قبل از شکست در خود ذخیره ک

ت باالیی اگر مقدار این انرژي کم باشد می توان نتیجه گرفت که ماده ترد بوده و حساسی•ی اگر مقدار انرژي جذب شده باال باشد ماده چقرمگ. نسبت به نیروهاي ضربه اي دارد

. باالیی دارد

در واقع انرژي شکست، مقدار انرژي مصرف شده در اثر شکست یک نمونه با ابعاد •ه سطح با تقسیم این انرژي ب. استاندارد توسط برخورد یک چکش استاندارد می باشد

.مقطع شکست و یا ضخامت نمونه می توان مقاومت ضربه را محاسبه کرد

46

٠٣/١٩/١۴٣٧

٢۴

(Impact test)آزمون ضربه

47

Izod test Charpy test

Vicat )اندازه گیري نقطه نرمی Softening Point )

د به نقطه نرمی دمایی است که در آن پلیمر توانایی تحمل بار را از دست داده و نتوان•در آن عنوان یک پلیمر سخت عمل نماید و بر طبق تعریف به دمایی اطالق می شود که

1mmواقع شده است بتواند به اندازه 1Kgکه تحت بار مشخص 1mmسوزنی با قطر. در پلیمر نفوذ نماید

ایستی این معیار خاصیت مهمی در انتخاب پالستیک ها براي مصارفی است که پلیمر ب•طه ذوب مقدار نقطه نرمی وایکات معموال نزدیک به نق. در برابر بار و دماي باال قرار گیرد

نمونه پلیمري است

48

٠٣/١٩/١۴٣٧

٢۵

اندازه گیري درجه حرارت تغییر شکل پالستیک ها تحت بار خمشیHeat Deflection Temperature ( HDT )

ی براي تعیین مقاومت مواد پلیمري در برابر یک تنش در یک درجه حرارت معین آزمایش های•به درجه حرارتی اطالق می گردد که تحت آن مرکز HDT.به کار برده می شوند HDTمانند

kPa 455نمونه تحت تنش ثابت (1kg) 1820یا kPa (3119 gr) 0.25، به اندازه mm .پیدا کند (Deflection)تغییر شکل عمودي

مونه بر روي ساختار دستگاه دقیقا مانند تست وایکات می باشد با این تفاوت که در این آزمایش ن•قرار میلی متر از یکدیگر می باشند 100یک نگهدارنده فلزي که داراي دو تکیه گاه به فاصله

.گیرد می

49

50BMW i8 passenger cabin, carbon fiber reinforced plastic

Glass Fiber Composite

کامپوزیتها

٠٣/١٩/١۴٣٧

٢۶

کامپوزیتهابه معنی شامل دو یا چند جزء مشخص است و از کلمه ترکیب (composite)کلمه کامپوزیت •

. گرفته شده است (to compose)کردن

ازها یک ماده با دو یا چند جزء مشخص را می توان یک کامپوزیت در نظر گرفت در صورتی که ف•زها همچنین، فا. و یا اجزاي تشکیل دهنده، خواص کامال متفاوتی با یکدیگر داشته باشند

.می دهند مشخصات فیزیکی و شیمیایی خود را حفظ کرده و مرز مشخصی با یکدیگر تشکیل

فاز . ه استیک کامپوزیت شامل مخلوط فیزیکی یک یا چند فاز غیر پیوسته در یک فاز پیوست•. ده می گویندغیر پیوسته معموال سخت تر و قوي تر از فاز پیوسته است، لذا به آن فاز تقویت کنن

. نامیده می شود (matrix)فاز پیوسته، ماتریس

51 1384یمی ایران، امیرمسعود رضادوست، پژوهشگاه پلیمر و پتروش محمدحسین بهشتی،، )کامپوزیت ها(پالستیک هاي تقویت شده

طبقه بندي کامپوزیتها

52

٠٣/١٩/١۴٣٧

٢٧

کامپوزیتهاي پودري

به کامپوزیتی گفته می شود (particulate composite)کامپوزیتهاي پودري یا ذره اي •بت پودر به ماده اي اطالق می شود که نس. که تقویت کننده آن به صورت پودري است

.طول به قطر آن تقریبا با هم برابرند

. دارددر کامپوزیتهاي پودري بر خالف کامپوزیتهاي لیفی خواص به جهات بستگی ن•

، پرکننده هاي پودري جهت بهبود خواص ماتریس نظیر هدایت الکتریکی و حرارتی•اري از در بسی. مورد استفاده قرار می گیرند... کارایی بهتر در دماي باال، افزایش مدول و

.موارد صرفا به منظور کاهش قیمت استفاده می شوند

53

کامپوزیتهاي لیفی

ربن، در کامپوزیتهاي لیفی ازالیاف شیشه، ک•اده به عنوان تقویت کننده استف... آرامید و . می شود

کام دو ویژگی مهم کامپوزیتهاي لیفی، استح•عیت باال و تاب) نسبت استحکام به وزن(ویژه

.خواص به جهت اندازه گیري است

54

٠٣/١٩/١۴٣٧

٢٨

الیاف شیشه

55

Roving

Woven Fabric

Chopped Strand Mat (CSM)

الیاف شیشه

. ت استالیاف شیشه رایج ترین و پرمصرف ترین لیف مورد استفاده در صنعت کامپوزی•

. استSiO)2(ماده اصلی تشکیل دهنده الیاف شیشه همانند شیشه هاي معمولی، سیلیکا •

56

معایبمزایاپایین مدول کششیقیمت پایین

وزن مخصوص نسبتا باالاستحکام کششی باالمقاومت خستگی پایینمقاومت شیمیایی باال

شکننده بودن)حرارتی و الکتریکی(خواص عایقی عالی )شسایش قالب ها و کندي ابزار بر(سختی باال

٠٣/١٩/١۴٣٧

٢٩

الیاف کربن

57

The first carbon fiber barrel for Airbus’ A350 XWB fuselage under production

الیاف کربن

شکل بلوري . است و شکلهاي مختلف بلوري دارد 3g/cm 2/27کربن عنصري با دانسیته •الیه هاي مورد نظر در الیاف کربن ساختار گرافیتی آن است که در الیاف کربن به صورت

. شش ضلعی قرار گرفته اند

58

معایبمزایاشکننده بودننسبت بسیار زیاد استحکام به وزنکرنش کم در شکستنسبت باالي مدول کششی به وزن

هادي الکتریسیتهمقاومت شیمیایی باالقیمت باالاستحکام باالي خستگی

مقاومت باال در برابر خوردگی

٠٣/١٩/١۴٣٧

٣٠

59کلوین 2000و 1100مدل ساختاري کربونیزه شدن در دماي بین

فرایند تولید الیاف کربن

الیاف آرامید

آرامید عبارتی کلی است که به پلی آمیدهاي حلقوي یا آروماتیک اطالق می شود تا از •. آمیدهاي آلیفاتیک یا خطی تمیز داده شوند پلی

یشه اي و پلی آمیدهاي حلقوي از مقاومت شیمیایی بیشتر، پایداري حرارتی بهتر، دماي انتقال ش•. نقطه ذوب باالتري نسبت به پلی آمیدهاي خطی برخوردارند

:مهمترین خواص الیاف آرامیدي عبارتند از•

60

مقاومت ضربه عالی •یعال نسبت استحکام و مدول به وزن بسیار •مقاومت در برابر شعله •مقاومت خستگی خوب •مقاومت باال در مقابل حالل هاي آلی، مواد •

سوختی و نرم کننده هاºC180حدود امکان استفاده مداوم تا دماي •

مقاومت خوب در برابر اسیدها و بازها •

KevlarTM

٠٣/١٩/١۴٣٧

٣١

الیاف آرامید

61

رزین پلی استر

این . است رزین پلی استر غیر اشباع یکی از پرمصرف ترین رزین ها در صنعت کامپوزیت• رزین ها از واکنش یک یا چند الکل دو یا چند عاملی با یک یا چند اسید دو یا چند

. عاملی تهیه می شوند

:گروه شیمیایی معرف این رزینها گروه استري است•

. هستند (C=C)رزینهاي پلی استر غیر اشباع حاوي تعداد زیادي پیوند دوگانه •

کوزیته رزین پلی استر غیر اشباع در یک حالل فعال مانند استایرن حل می شود تا ویس•از طرفی چون این حالل داراي پیوند دوگانه است به عنوان عامل . آن کاهش یابد

غیر اشباع کند و با اتصال مولکولهاي پلی استر از محل نقاط اي کننده نیز عمل می شبکه. کند آنها رزین را به شبکه اي گرماسخت تبدیل می

62

٠٣/١٩/١۴٣٧

٣٢

رزین پلی استر

روع واکنش شبکه اي شدن با افزودن مقدار کمی کاتالیزور مانند پراکسیدهاي آلی ش•. شود می

کستن کاتالیزور در اثر حرارت یا یک ماده شتاب دهنده به رادیکال آزاد تجزیه شده و با ش•الها به این رادیک. باند دوگانه مونومر استایرن، تشکیل رادیکال آزاد استایرن می دهند

. زنجیر رزین پلی استر متصل شده و نهایتا پلی استر جامد را تشکیل می دهند

ها به حتی در دماي محیط پس از نگهداري آن. رزین هاي پلی استر مایعاتی غیر پایدارند•. مدت چندین ماه یا سال، سخت شده و به صورت یک ژل الستیکی در می آیند

63

روش هاي شکل دهی کامپوزیتها

(Hand lay-up)الیه گذاري دستی •ساده ترین و اصلی ترین روش تولید قطعات کامپوزیتی

مراحل الیه گذاري دستی•واکس زدن سطح قالب•(Gel coat)اعمال الیه ژلی •اعمال رزین و قرار دادن الیه ها به میزان مورد نیاز•(Top coat)در صورت نیاز اعمال الیه رویی •

64

٠٣/١٩/١۴٣٧

٣٣

الیه گذاري دستی

65

(Filament winding)رشته پیچی

دن به فرایند رشته پیچی فرایندي است که در آن دسته اي از الیاف پیوسته پس از آغشته ش•دوار پیچیده (Manderel)رزین به طور منظم و با آرایش از قبل تعیین شده به دور یک مندرل

. می شوند

مزایاامکان استفاده ازالیاف پیوسته در تمام طول قطعه•امکان ساخت قطعات بسیار بزرگ•امکان اتوماتیک کردن سیستم•

معایبسطح خارجی نسبتا ناهموار قطعه•.شکل سازه باید طوري باشد که بتوان مندرل را از آن خارج کرد•

66

٠٣/١٩/١۴٣٧

٣۴

(Filament winding)رشته پیچی

67

(Pultrusion)فرایند پالتروژن

ن هدایت و به در فرایند پالتروژن الیاف تقویت کننده از بخش تغذیه به ناحیه آغشته سازي با رزی• یک رزین گرماسخت آغشته و پس از عبور از حدیده هاي پیش شکل دهنده، وارد قالب اصلی

(Die) می شوند .

68

٠٣/١٩/١۴٣٧

٣۵

فرایند پالتروژن

69