تشير نقطة انصهار البلاستيك إلى نطاق درجة الحرارة الذي يتحول عنده البلاستيك من حالة صلبة إلى حالة سائلة قابلة للتدفق. عند هذه النقطة، يلين البلاستيك ويصبح مرنًا، مما يجعله مناسبًا لمختلف عمليات القولبة والتشكيل.
اللدائن الحرارية مقابل اللدائن الحرارية
يمكن تصنيف البلاستيك إلى نوعين رئيسيين: اللدائن الحرارية و اللدائن المتصلدة حرارياً.
اللدائن الحرارية يلين عند التسخين ويتصلب عند التبريد، وهي عملية عكوسة تسمح بالتسخين والتبريد المتكررين دون تغيير خصائص المادة.
اللدائن المتصلدة حرارياً, ، من ناحية أخرى، يخضع لتفاعل كيميائي عند التسخين الأولي، مما يؤدي إلى بنية شبكية دائمة غير قابلة للانصهار. حتى عند التسخين اللاحق، لا يلين.
لذا، في مناقشاتنا اللاحقة حول درجات الانصهار، ستكون جميع المواد البلاستيكية التي سنذكرها بلاستيك حراري.
مهم لقولبة الحقن والبثق والتشكيل بالحقن
تُعد عملية تليين البلاستيك وصهره أمرًا بالغ الأهمية في معالجة البلاستيك.
- أثناء القولبة بالحقن, ، يضمن التحكم الدقيق في درجة حرارة الذوبان أن يشغل البلاستيك القالب بالكامل ويحقق الشكل المطلوب.
- إن البثق تستفيد العملية من قابلية تدفق البلاستيك المسخّن لإنتاج الأنابيب والمقاطع الجانبية باستخدام قوالب محددة.
- إن تشكيل الأغشية أو الصفائح يعتمد أيضًا على قدرة البلاستيك على التشوه اللدن عند درجات الحرارة المناسبة.
لذلك، بالنسبة للمصممين والمعالجين، يعد فهم درجة حرارة العمل ودرجة حرارة المعالجة المثلى للبلاستيك أمرًا حيويًا للتحكم في جودة المنتج وتلبية متطلبات التطبيق.
خصائص ذوبان البلاستيك
المواد البلورية مقابل المواد غير المتبلورة
تنقسم المواد في الطبيعة إلى بلوري و غير بلوري.
تحتوي المواد البلورية على جزيئات أو ذرات مرتبة بشكل منظم، ولها درجات انصهار ثابتة. على سبيل المثال، يذوب الماء عند درجة حرارة 0 درجة مئوية، والملح (NaCl) عند 801 درجة مئوية، والقصدير عند 231.9 درجة مئوية.
من ناحية أخرى، تحتوي المواد غير المتبلورة، بما في ذلك الزجاج والمطاط والبلاستيك والأسفلت والصنوبري والبارافين، على جزيئات أو ذرات مرتبة بطريقة غير منتظمة وتفتقر إلى نقطة انصهار ثابتة. عند تسخينها، فإنها عادةً ما تلين (الحالة المطاطية) قبل أن تسيل (حالة التدفق اللزج)، وتمتد على نطاق درجة حرارة معينة بدلًا من الذوبان عند نقطة محددة.
أنواع البلاستيك: غير المتبلور والبلوري
لدائن غير بلورية:
في ظروف المعالجة النموذجية، لا تحتوي هذه البلاستيكات على مناطق بلورية وتكون غير متبلورة تمامًا. تشمل الأمثلة بولي كربونات، ABS، PMMA، ASA، PPSU, ، إلخ. يتوافق سلوك انصهارها مع سلوك المواد غير المتبلورة النموذجية.
لدائن بلورية:
تميل العديد من البلاستيكات إلى التبلور أثناء التبريد والتصلب، مثل البولي إيثيلين (PE)، والبولي بروبيلين (PP)، والبولي أوكسي ميثيلين (POM)، والبولي أميد (PA6 وPA66)، وPET، وPBT.
ومع ذلك، فإنها تتبلور فقط في مناطق معينة، حيث تحتوي المواد على درجة تبلور أعلى من 80% تصنف على أنها لدائن بلورية والباقي على أنها شبه بلورية.
تتأثر درجة التبلور إلى حد كبير بعملية التبريد؛ فالتبريد البطيء ضمن نطاق درجة حرارة التبلور يمكن أن يزيد من التبلور، في حين أن التبريد السريع له تأثير معاكس.
وبالتالي،, تشبه عملية انصهار هذه البلاستيكات البلورية جزئيًا عملية انصهار المواد البلورية ولكنها تتضمن أيضًا خصائص المواد غير المتبلورة.
الحالات الثلاث ودرجات الحرارة الرئيسية الأربع للبلاستيك أثناء التسخين
دعونا نستكشف الحالات الثلاث التي يمر بها البلاستيك أثناء التسخين: الحالة الزجاجية, ، فإن حالة عالية المرونة (مطاطية), ، و حالة التدفق اللزج, ، بالإضافة إلى درجات الحرارة الأربع الرئيسية المرتبطة بها: درجة حرارة التحول الزجاجي، ودرجة حرارة الانصهار، ودرجة حرارة التدفق،, و درجة حرارة التحلل.
الحالة الزجاجية
الحالة الأولى هي الحالة الزجاجية, ، حيث يكون البلاستيك في درجة حرارة الغرفة أو درجات الحرارة المنخفضة. في هذه الحالة، تكون حركة جزيئات البلاستيك مقيدة بشكل كبير، مما يجعل المادة صلبة وهشة. يحدث هذا لأن درجة الحرارة أقل من درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg)، حيث تكون القوى بين الجزيئية أكبر من الطاقة الحرارية، مما يمنع الحركة الجزيئية الحرة.
درجة حرارة الانتقال الزجاجي (Tg) وحالة المرونة العالية (المطاطية)
يحدث تغير فيزيائي كبير عندما يتم تسخين البلاستيك إلى درجة حرارة التحول الزجاجي. Tg يمثل بداية الانتقال من حالة صلبة وهشة إلى حالة لينة، وتعتمد درجة الحرارة الدقيقة على نوع البلاستيك وتركيبه الجزيئي.
على سبيل المثال، تبلغ درجة حرارة البولي أوكسي ميثيلين (POM) حوالي 85 درجة مئوية، بينما تبلغ درجة حرارة البولي كربونات (PC) درجة حرارة أعلى، عادةً حوالي 145 درجة مئوية.
فوق Tg، تكتسب سلاسل البوليمر المزيد من الطاقة وتبدأ في التحرك بحرية أكبر، لكنها تظل في حالة عشوائية غير منتظمة. مع استمرار ارتفاع درجة الحرارة، يدخل البلاستيك في الحالة عالية المرونة،, المعروفة أيضاً باسم الحالة المطاطية. في هذه الحالة، تُظهر البلاستيكات مرونة وليونة كبيرة. تزداد الحركة بين سلاسل البوليمر، ولكن لا يزال هناك بعض التفاعل بين الجزيئي. يمكن للبلاستيك في هذه الحالة أن يتشوه بشكل كبير دون أن ينكسر،, مثالي للعديد من المنتجات المطاطية والعناصر البلاستيكية المرنة.
درجة حرارة التدفق (Tf) وحالة التدفق اللزج
أخيرًا، مع زيادة درجة الحرارة بشكل أكبر إلى درجة حرارة التدفق (Tf), ، تدخل اللدائن في حالة التدفق اللزج. في هذه الحالة، يصبح البلاستيك أكثر سيولة، مشابهًا لسائل لزج. في حالة التدفق اللزج، يمكن بثق البلاستيك أو حقنه أو ضغطه إلى أشكال. هذه هي المرحلة الرئيسية لمعالجة البلاستيك، مثل القولبة بالحقن التي تتم في هذه الحالة.
أثناء عملية تطهير الأسطوانة، يمكن ملاحظة الحالة المنصهرة للبلاستيك بوضوح.
درجة حرارة التحلل (Td)
المرحلة المهمة الأخيرة في تسخين البلاستيك هي درجة حرارة التحلل (Td). هذه هي النقطة التي تبدأ فيها البلاستيكات بالتحلل كيميائياً, ، مما يفقد خصائصه الفيزيائية والكيميائية الأصلية. عند الوصول إلى درجة حرارة التحلل أو تجاوزها، يبدأ البلاستيك في وتتفكك إلى جزيئات أصغر،, قد يطلق غازات ومنتجات تحلل أخرى. لذلك، من الضروري تجنب تجاوز درجة حرارة التحلل أثناء المعالجة لمنع تلف المواد والإطلاق المحتمل للمواد الضارة.
ملاحظة:
- : المنطقة غير المتبلورة
- : المنطقة شبه البلورية
نصيحة: درجة حرارة الانصهار (Tm)، والمعروفة أيضًا بدرجة حرارة التدفق (Tf)
من المهم ملاحظة أن درجة حرارة انصهار البلاستيك ليست نقطة ثابتة، بل نطاق. ضمن هذا النطاق، تنتقل الحالة الفيزيائية للبلاستيك من الحالة عالية المرونة إلى حالة التدفق اللزج. على سبيل المثال، نطاق درجة حرارة الانصهار لـ بولي بروبيلين (PP) هو من 160°م إلى 175°م، بينما بالنسبة للبولي إيثيلين (PE)، فهو من 125°م إلى 137°م. يعتمد عرض هذا النطاق على النوع المحدد من البلاستيك وتعقيد تركيبه الجزيئي.
درجات حرارة انصهار المواد البلاستيكية الشائعة
هنا، قمنا بإدراج درجات حرارة الانصهار، ودرجات حرارة القولبة بالحقن، ودرجات حرارة التحلل لبعض المواد البلاستيكية الشائعة. من المهم ملاحظة أن درجة حرارة القولبة بالحقن عادة ما تكون أعلى من درجة حرارة الانصهار لضمان سيولة جيدة للبلاستيك أثناء المعالجة.
نظرًا لوجود العديد من أنواع البلاستيك المعدل واختلاف خصائصها بشكل كبير، لا يمكن إدراج عدد كبير جدًا من المواد في هذا الجدول. على سبيل المثال، تختلف خصائص درجة الحرارة للنايلون المضاف إليه ألياف زجاجية اختلافًا كبيرًا عن تلك الخاصة بالنايلون بدون ألياف زجاجية. في الممارسة العملية، من السهل الحصول على ورقة خصائص المادة عند شراء المواد البلاستيكية. لذلك، هذا الجدول مخصص فقط كـ مرجع تقريبي.
درجات حرارة انصهار البلاستيكات الشائعة
| اسم المادة | درجة حرارة الانصهار (درجة مئوية) | درجة حرارة حقن القوالب بالحقن (درجة مئوية) | درجة حرارة التحلل (درجة مئوية) |
|---|---|---|---|
| ABS | 170-190 | 200-240 | 280 |
| بولي بروبيلين (بولي بروبيلين) | 160-175 | 190-290 | 320 |
| بولي أوكسي ميثيلين (POM) | 165-175 | 190-230 | 280 |
| الكمبيوتر الشخصي (بولي كربونات) | 225-250 | 270-320 | 360 |
| PBT | 225-235 | 220-270 | 280 |
| PA6 (نايلون 6) | 215-221 | 260-300 | 320 |
| PA66 (نايلون 66) | 260-265 | 270-310 | 360 |
| PMMA (أكريليك) | 160-180 | 220-250 | 270 |
| LDPE (بولي إيثيلين منخفض الكثافة) | 110-130 | 150-230 | 300 |
| البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) | 125-137 | 160-280 | 300 |
| PEEK (بولي إيثر كيتون الأثير متعدد الإيثر) | 315-353 | 360-400 | 520 |
يقدم هذا الجدول نظرة عامة على درجات حرارة الانصهار والقولبة بالحقن والتحلل لمختلف أنواع البلاستيك الشائعة.
الخاتمة
وختامًا، يُعد فهم درجات حرارة انصهار البلاستيك وتشكيله بالحقن وتحلله أمرًا ضروريًا في مجال علوم المواد والتصنيع. فدرجات الحرارة هذه لا توجه معالجة البلاستيك وتطبيقه فحسب، بل تضمن أيضًا سلامة المنتجات النهائية وجودتها.
مع تطور الصناعة بمواد وتقنيات جديدة، تظل الأبحاث والمعرفة المستمرة في هذا المجال أمرًا بالغ الأهمية. سواءً في التطبيقات الصناعية أو الاستخدام اليومي، تستمر الطبيعة المتنوعة للبلاستيك في تشكيل العالم الحديث.
