بخشی از مقاله
چکیده
امروزه فرآیند فیلتراسیون در کاربردهای مختلف نظیر تصفیهی آب، صنایع غذایی، تصفیهی هوا از ریزگردها و زمینههای متفاوت دیگر به سرعت در حال گسترش است؛ در همین راستا از قطعات متخلخل پلیمری به عنوان دریچههای خروج هوا در باطریهای سربی-اسیدی استفاده میشود. این دریچها معمولاً از پلیمرهایی نظیر HDPE یا PTFE ساخته میشوند و با عبوردهی کنترل شدهی هیدروژن و اکسیژن از اختلال در عملکرد باطری جلوگیری میکنند. در این تحقیق دریچههای متخلخل پلیمری از جنس HDPE-EX3 به روش تفجوشی تهیه و شناسایی شدهاست و اثر فشار به عنوان یک پارامتر کلیدی بر ویژگیهای محصول مورد بررسی قرار گرفته است.
بهمنظور بررسی اثر فشار بر خواص مکانیکی، نتایج بهدست آمده از آزمون پانچ برشی و همچنین و آزمون عبورپذیری قطرهی استون برای سنجش شرایط تخلخل و عبوردهی برای نمونههای ساختهشده تحت دو شرایط دمایی متفاوت، بهکارگرفته شدهاست. مشاهده گردید که از یک سو با افزایش فشار، دانسیتهی قطعات تولیدشده و خواص مکانیکی آنها افزایش یافته و از دیگرسو از میزان تخلخل و قابلیت عبوردهی گاز از دریچهها کاسته میشود؛ همچنین با توجه به نتایج حاصل از آزمون DSC و خواص پودر استفادهشده، دمای 127oC بهعنوان دمای بهینهی تفجوشی و زمانی بهمدت 210 دقیقه بهعنوان زمان بهینهی فرآیند انتخاب شد.
مقدمه
پلیاتیلن پرچگالی دارای ساختاری با زنجیرههای پلیمری خطی و بدون شاخههای جانبی هستند [1]؛ که در این میان پودرهای خام که بهطور مستقیم پس از سنتز از راکتور حاصل شدهاند، بهعلت ویسکوزیتهی بسیار بالا برای فرآیندهایی که طی مکانیزم تفجوشی بهوقوع میپیوندند نسبت به فرآیندهای دیگری از قبیل اکستروژن در حالت مذاب، قالبگیری تزریقی و فرآیندهایی از این دست که به ویسکوزیتهی پایینتری نیاز دارند، مناسبتر میباشند .[2] فرآیند تفجوشی معمولاً بهصورت تشکیل یک ذوب همگن ناشی از درهمآمیختگی و انعقاد دو ذره جامد، در اثر کاهش در انرژی آزاد سطحی تعریف میشود.
بهمنظور تأثیر پارامترهای اصلی فرآیند تفجوشی، مدل فرنکل در قالب رابطهی 1 که اولین رابطهی تحلیلی ارائهشده برای توصیف نرخ بههمآمیختگی دو ذرهی کروی مشابه از طریق جریان ویسکوز است، کافیست. در رابطهی 1 پارامترهای x ، ao ، ، t و به ترتیب اندازه بخش گردنی، شعاع اولیه ذرات، تنش سطحی ذرات، زمان فرآیند تفجوشی و ویسکوزیته میباشند .[3] در مورد تأثیر پارامترهای دما و زمان نیز میتوان بهسادگی انتظار داشت که با افزایش آنها شاهد افزایش نرخ پیشرفت فرآیند باشیم .[4] تفجوشی روشی مناسب جهت ساخت نمونههایی متخلخل با اشکال ساده و تخت با استفاده از پودر پلیمری مورد استفاده است و در مرحلهی اول تفجوشی برای ایجاد شکل مناسب در نمونهها از اعمال فشار به پودر استفاده میشود .
[5] میتوان انتظار داشت که از یک سو با افزایش فشار، دانسیتهی قطعات تولیدشده و خواص مکانیکی آنها افزایش یافته و از دیگرسو از میزان تخلخل کاسته شود .[6] بهمنظور گزینش بررسی اثر فشار بر خواص مکانیکی نمونهها از آزمون پانچ برشی استفاده شدهاست. نتایج حاصل از آزمون پانچ برشی مطابق شکل 1 از سه بخش تشکیل شدهاست. بخش R1، منطقهی خطی اولیه است که در شکل، فواصل میان نقاط b و c میباشد و اما R2، منطقهی افزایش غیرخطی بار بههمراه جابجایی و فواصل میان نقاط c و d است؛ همچنین بخش R3 یعنی فاصلهی میان نقاط d و e، منطقهی کاهش بار در طی افزایش جابجایی میباشد که به شکست نهایی نمونه میانجامد. نمونهها در این آزمون با توجه به مقادیر Py میزان بار تسلیم و Pm میزان بار بیشینه، قابل مقایسه خواهد بود. اندازهگیری و تعیین Py در این آزمون طبق معیار کرنشی بهاندازهی 1/0% انجام میگیرد .[7]
مواد و روش تحقیق
در این پژوهش از پودر خام HDPE - EX3 حاصل از پتروشیمی امیرکبیر با چگالی 0/945 g/cm3 بهمنظور ساخت نمونهها استفاده شدهاست که سابقهی هیچگونه عملیات حرارتی پس از فرآیند پلیمریزاسیون ندارد و همچنین هیچ نوع افزودنی جهت بهبود فرآیندپذیری به آنها اضافه نشدهاست. بهمنظور ساخت نمونهها از یک دستگاه آزمایشگاهی با قابلیت کنترل دما و اعمال فشار استفاده شدهاست که نمای شماتیک آن در شکل 2 مشاهده میشود. کنترل دما از طریق ترموستاتی که بهوسیلهی ترموکوپلی به آن متصل شده، قابل کنترل است. قالب این دستگاه دارای قطری به اندازهی 2/15mm میباشد. آزمون پانچ برشی نیز با استفاده از دستگاه اندازهگیری خواص مکانیکی مدلHounsfield H10KS و همچنین آزمون DSC بهوسیلهی دستگاه TA - Q100 انجام شده است.
برای انجام آزمون کیفی عبورپذیری قطره از آمیزهی جوهر درون استون استفاده شد. روشی که جهت ساخت نمونهها بهکارگرفته شدهاست، شامل دو مرحله میباشد که در مرحلهی اول پودر پلیمری در دمای مشخصی، برای زمانی معین تحت فشار قرار گرفت و پس از اعمال فرم مورد نظر، نمونهی قرصشکل به درون آون، جهت تکمیل فرآیندِ تفجوشی انتقال یافت؛ دمایی که در آون به نمونه اعمال میشد، در محدودهی تقریبی نقطهی ذوب ماده بوده استکه با توجه محل پیکِ حاصل از نمودار DSC، میتوان پیشبینی مناسبی نسبت به دمای فرآیند داشت .[5]
نتایج و بحث
باتوجه به نتیجهی آزمون DSC که در شکل 3 نمایش داده شدهاست؛ دمای فرآیند تفجوشی 127oC انتخاب شد. انتخاب دمای فرآیند تفجوشی با مراجعه به آزمون DSC از آن جهت بسیار حائز اهمیت است که با مشاهده نتیجهی آزمون عبورپذیری قطره که در شکل 4 نمایش داده شدهاست، تنها تغییری به اندازهی 1 C منجر به یک تغییر اساسی از یک ساختار متخلخل به ساختاری متراکم و بدون تخلخل و یا با تخلخل بسیار کمتر میگردد.
علت این موضوع را میتوان در محل پیک در آزمون DSC جستوجو کرد، چراکه دستیابی به ساختاری متخلخل از روش تفجوشی تنها با اتصال سطحی ذرات از طریق نفوذ متقابل زنجیریهای پلیمری امکانپذیر است؛ حال آنکه با عبور از منطقه تقریبی دمای ذوب در این فرآیند حتی به اندازهی 1 C سبب ازبین رفتن تمامی مناطق کریستالی و نهایتاً ذوب کامل ذرات در یکدیگر و ازبین رفتن حفرات میان آنها میگردد. نمونهی آ در دمای oC 129 و نمونهی ب در دمای 128 oC تفجوشی شدهاند. این آزمون تنها با هدف سنجش ظاهری تخلخلها انجام شدهاست و تنها اطلاعات قابل حصول، بررسی راهبهدر بودن و یا راه بهراهدر نبودن حفرات است و نتیجهای در مورد مورفولوژی تخلخل و اندازهی متوسط آنها در بر نخواهد داشت.
