|
فیلم هاي اسفنجی پروپيلني و جهتدار
برگردان: مهندس الناز اسمی زاده
چكيده
اين مطالعه مربوط به زیرلایه های اسفنجی پروپيلن حاصل از رانشگري مخلوط پروپيلن (PP) همراه با عامل پفزاي شيميايي است. اين فیلم ها توسط فرآيند رانشگري تخت (cast extrusion) و به دنبال آن جهتدهي در راستاي ماشين ساخته ميشوند. اين مقاله رابطهي بین خواص زیرلایه-های اسفنجي پروپيلن با ساختار آن و هم چنين كاربردهاي گوناگون اين لایه ها را بيان ميكند.
كلمات كليدي: فیلم هاي اسفنجي، جهت دهنده در راستاي ماشين، پليپروپيلن، نسبت كشش، مدول، سختي.
مقدمه
در چندين دهه گذشته توجه زيادي به فیلمهاي اسفنجي معطوف گشته است. محصولاتي همچون روبانهاي تزئيني و برچسبهاي پوشاننده از اسفنجهاي پليالفيني نازك ساخته ميشوند. مجدداً در سال های اخیر توجه زیادی به سوي فیلمهاي اسفنجي يا اسفنجهاي نازك جلب شده است. محصولات همچون كاغذ كادوهاي صدفي، آب¬بندهاي ايمني بطری¬ها (شکل 1)، برچسبهايي با كارايي ويژه و حسگرها از اين مواد ساخته ميشوند. هم¬چنين پيشنهاد ساخت كاغذ عكسبرداري از اسفنجها نیز مطرح گرديده است.
شکل 1- آب بندهاي ايمني بطری ها
براي اين ئكه يك زیرلایه فیلم عکاسی براي كاربردهاي تصويربرداري مورد قبول مصرف¬كننده باشد، بايد پاسخ¬گوي نيازهاي اوليه مثل وزن، ضخامت، سختي، صافي، براقيت، سفيدي و پشت¬پوشی باشد. زیرلایه- ها¬ با خواصي خارج از محدوده معمول فیلم تصويربرداري كمتر مورد پذيرش مصرف-كننده قرار ميگيرند. علاوه بر اين نيازهاي بنيادين، زیرلایه¬ی فیلم بايد ويژگيهايِ خاص، بسته به نحوه شكلگيري تصوير روي زیرلایه¬ی فیلم ¬ نيز داشته باشند.
تعدادي زیرلایه¬ (كه برخي از آنها از كاغذ مصنوعي هستند) كه پاسخگوی چنين نيازهايي باشند هم اکنون موجودند. يكي از ايدههايي كه براي لایه¬هاي تصويربرداري جديد مطرح است شامل يك هسته اسفنجي است كه صفحهاي لبهدار با مدول بالا به سمت ديگر آن چسبيده است. به علت محدوديتهاي ضخامتي مطرح در زیرلایه¬های تصويربرداري، هسته اسفنجي در فیلم های اسفنجي مورد استفاده قرار می گیرد. يكي از فیلمهاي اسفنجي مورد توجه در هسته اسفنجي، فیلم اسفنجي پلی¬پروپيلن است. فیلمهاي اسفنجي معمولاً با استفاده از رانشگرهاي تك¬ماردان، رانشگرهاي پشت سرهم، و يا رانشگرهاي دوماردان تولید ميشود. فیلمها معمولاً توسط رانشگری تخت و جهتدهي در راستاي ماشين (MDO) يا فرآيند فیلم دمشي كه جهت¬گيري دوسويه ايجاد ميكند يا فرآيند جهتگيري دوسويه مثل فرايند LISIM در Bruckner Maschinenbau GmbH ساخته ميشوند.
اهداف اين پروژه پرداختن به اين فرآيند و به طور خاص به تأثير شرايط رانشگری روي صافي سطح فیلم اسفنجي PP جهتیافته است و البته به بررسی تأثير پارامترهاي فرآيند نظیر نسبت كشش روي ساختار سلول، چگالي اسفنج، و خواص مكانيكي از جمله مدول كششی نیز ميپردازد.
روش آزمايشگاهي
مواد مصرفی
تمام آزمايش¬ها با استفاده از آمیخته 90 درصد وزني پروپيلن خطي با استحکام مذاب کم ساخت شركت Huntsman Polymers (P4G4Z-011) با شاخص مذاب 12 و 5/7 درصد وزني پروپيلن با استحکام مذاب زیاد ساخت شركت (D114.01) Dow Chemical Company با شاخص مذاب 42/0 انجام شده است. استحکام مذاب كلي آمیخته بسپاری در دماي °C200 توسط دستگاه كشش مذاب رئوتن ساخت Gottfert اندازهگيري شده است و مقادير آن كمتر از CN10 بدست آمده است. عامل پفزاي شيميايي گرماگير با غلظت CT1636، كه عامل پفزاي فعال آن 20% وزني است و گونه رقيق شده Clarinat's Hydroceral RBN40 ميباشد، به آمیخته بسپاري با نسبت فوق در 5/0 درصد وزني عامل پفزاي فعال افزوده ميشود.
رانشگری تخت و فرايند جهت¬دهی در راستای ماشین
آمیخته كلي در رانشگر تك ماردان 063/0 متري (5/2 اينچي) رانشگری ميشود. رانشگر مذاب بسپار را توسط يك پمپ مذاب به داي چوب لباسی ميرساند. بسپار در دماي مذاب °C204 به سمت تجهيزات خنك كننده رانده ميشود. در ابتداي آن غلتکی بزرگ یا چرخی با قطري برابر با 686/0 متر قرار دارد كه در واقع غلتكي با انتقال گرمای زیاد است و دماي آن در °C1/71 نگه داشته ميشود. در بيشتر آزمايش¬ها براي سرد كردن ناگهاني ورق رانشگری تخت روي سطح مخالف سمت غلتک، خنک كنندههاي اضافی ديگري نيز تعبيه ميشود. خنك كنندههاي اضافه شامل يك سطح با انتقال گرمای زیاد است كه دماي آن را ميتوان كنترل كرد. سطحي با ثابت انتقال حرارت بزرگ¬تر از w/m2°C113 به عنوان يك سطح با انتقال حرارت زیاد شناخته ميشود. اطلاعات جامع و جزئيتر در مورد سطوح پرانتقال گرما را ميتوان در اختراع ثبت آمریکا شماره 20050181196Aa پيدا كرد [6].
ورق بسپار اسفنجي رانشگری شده از غلتک خنک¬کاری جدا شده و به يك جهت¬دهنده فرستاده ميشود. جهت¬دهنده از 14 غلتک که با هم گرم می¬شوند و دما، سرعت و فاصله آنها ميتواند با همديگر فرق داشته باشد، تشكيل شده است. در مجموعه آزمايش¬ها، دمای غلتک¬هاي 1 و 2 در °C121 و غلتکهاي 6-3 در °C2/132 و غلتکهاي 14-11 در °C4/93 ثابت ميشود، دماي غلتکهاي 10-7 نيز متغير است. جهت¬دهي در راستاي ماشين بين غلتکهاي 6 و 7 انجام ميگيرد. اين پديده به علت سرعت بالاتر غلتک 7 نسبت به غلتک 6 است. نسبت كششي كه ورق اسفنجي PP تحت آن قرار ميگيرد از نسبت سرعت غلتک 7 به سرعت غلتک 6 بدست ميآيد. طرحی از سامانه¬ی آزمايشي در شكل 2 نشان داده شده است.
با استفاده از سامانه آزمايشي مذكور دو نوع آزمايش انجام شد. در بخش اول كار، شرايط جهت-دهنده ثابت نگه داشته شد و در آن تأثير شرايط فرايندي بخصوص شرايط خنك كننده با سطح داراي انتقال حرارت زیاد بر روي خواص مورد بررسي قرار گرفت. به علت تفاوت تجهيزات آزمايشگاهي در سامانه¬های مختلف و هم¬چنين براي درک بهتر داده¬ها، زمان سپری شده توسط رانشگر پس از خروج از لبه¬ی دای و قبل از تماس با سطح پرانتقال گرما را به شكل زمان بدون بعد t* بيان ميكنند. زمان بدون بعد t* از نسبت حاصل¬ضرب نفوذ گاز (D) و زمان فرآيند (t) به مربع نصف ضخامت ماده حاصل از رانشگر (L) بدست ميآيد. اين عدد به صورت زير نشان داده ميشود:
در بخش دوم كار، در يك شرايط چرخ رانشگری تخت معلوم، تأثير پارامترهاي جهت¬دهنده روي خواص فیلم نهايي مورد بررسي قرار گرفته است. پارامترهاي جهت¬دهنده بررسي شده شامل نسبت كشش، فاصله¬ی كشش (كه روي سرعت كرنش تأثير ميگذارد)، و دماي گرم و سرد كردن کنترل شده (مثل دماي غلتکهاي 10-7) است. اين موارد با روش طراحي آزمايش انجام شده است.
شکل 2- طرحی از دای و فرآیند جهت¬دهی.
شناسايي مواد
نمونهها شامل ورق رانشگری شده اسفنجي برگرفته از چرخ رانشگری و هم¬چنين فیلم اسفنجي جهتیافته برگرفته از جمع¬کن هستند. ضخامت، چگالی، زبري سطح و سختي اين نمونهها اندازهگيري شد. ضخامت در پنچ نقطه متفاوت از ورق اندازهگيري شد و مقدار متوسط و انحراف معيار استاندارد نيز گزارش گردید. چگالی ورقهاي اسفنجي و فیلمها با اندازهگيري وزن نمونه با در نظر گرفتن وزن پايه و ضخامت آن مشخص ميشود. سختي ماده نيز طبق روش T556 Tappi با آزمايشگر Lorentzen و Weher اندازهگيري شد. اين آزمون شامل اندازهگيري مقاومت خمش نمونهاي با عرض mm20 است كه به صورت عمودي با تيره نگهداري ميشود. زاويه انحناي بكار رفته °15 است كه با واحد ميلي نيوتن گزارش شده است.
سختي به دو روش مشخص شده است: 1 جهت ماشين (MD)، 2 عمود بر جهت ماشين یا جهت عرضی (TD يا CD). براي تعيين نتايج سختي، شش نوار از نمونه مورد آزمايش قرار گرفت تا متوسط و انحراف معيار استاندارد مشخص شود. زبري سطح هم توسط نمايه بردار Federal و هم توسط Mahr concept 5000 با پویشگر الماسي غيرلغزنده با شعاع m2 و ميكروسكوپ تداخلي Zygo Newview 5000 اندازهگيري شده است. زبري سطح در طول نمونه در جهت جهت عرضی بيش از m102/0 بدست آمد. براي زبري نيز شش نمونه نواري مورد آزمايش قرار گرفت و مقدار متوسط زبري (Ra) گزارش شد. خواص كششي ورق رانشگری شده اسفنجي و فیلم اسفنجي با استفاده از نمونههاي با عرض 15 ميليمتر مجهز به اندازهگيري به طول m102/0 تعيين گشت. اين آزمون (مطابق با آزمون اصلاح شده ASTM D638) با سرعت m/s0167/0 انجام شد. خواص كششي در دو حالت جهت ماشین و جهت عرضی بدست ميآيد. در هر يك از اين دو شرايط شش نمونه براي بدست آوردن مدول کششی استفاده گرديد و مقادير متوسط آن گزارش شد.
نتايج و بحث
تاثیر شرایط رانشگری در شرایط جهت¬دهی معین
شكل 3 تصاوير حاصل از ميكروسكوپ الكتروني روبشی (SEM) از ورق رانشگری شده اسفنج PP و فیلم PP اسفنجي جهتیافته در دو نسبت كشش متفاوت 6 و 8 را نشان ميدهد. اين تصاوير در هر دو جهت ماشین و عرضی گرفته شده است. در تصاوير SEM ورق رانشگری شده مشاهده ميشود كه در حالت جهت ماشین سلولها به مقدار كمي جهتیافتهاند در حالي¬كه در جهت عرضی سلولها كروي شكل هستند. اين موضوع به اين علت است كه سرعت ورق رانشگری شده كمي بيشتر از سرعت محصول عبوري از رانشگر در هنگام خروج از داي است. بعلاوه سلول¬هاي ديده شده در نزديكي سطح ورق رانشگری شده بسيار كمترند و يا اصلاً وجود ندارند. يعني تعداد سلولها از سطح ورق قالب به مركز آن تغییر می¬کند. به عبارت ديگر يك لايه اسفنجي نشده روي سطح خارجي PP سمت ديگر PP اسفنجي تشكيل ميشود كه باعث تغییر چگالی ميشود. در جهتدهي ورق با دستگاه جهت¬دهنده، مشاهده شد كه سلولها در جهت ماشین خطي و در جهت عرضی بيضوي شكل هستند. اين موارد در نسبت كشش 6 مشاهده گرديد وقتي¬كه ورق رانشگری شده هشت برابر كشيده ميشود حالت خطي در جهت ماشین هم¬چنان پايدار است اما در جهت عرضی بعضي از سلول¬ها با يكديگر يكي شده و مثل قطرات اشك بزرگ پديدار ميشوند. هم¬چنين در هر دو نسبت كشش فوق لايه خارجي (پوستي) اسفنجي نشده نازك¬تر ميشود.
شکل3- تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشی (SEM) های PP اسفنجی رانشگری تخت شده و جهت داده در جهت ماشین.
به علت فرآيند جهتدهي، انتظار داريم كه خواص فیلم اسفنجي PP جهتیافته با ورق رانشگری شده متفاوت باشد، هم¬چنين انتظار رفتار غيرهمسان در خواص آن داريم. غيرهمساني ميتواند مشابه خواص فيزيكي مشاهده شده در نوار كشيده شده پلی¬پروپيلن، خواص پلياتيلن کم-چگالی (LDPE) خواص پلياتيلن¬ترفتالات (PET) باشد. علاوه بر اين ميتوان انتظار داشت كه خواص فیلم اسفنج به شرايط رانشگری بستگي دارد. جدول 1 خلاصه¬اي از اثر استفاده از سطح با انتقال حرارت زیاد روي سمت ديگر چرخ رانشگری روي زبري و ظاهر بصري ورق را ارائه ميدهد. هم¬چنين اين جدول اثر جهتگيري ورق قالب PP اسفنجي روي فیلم PP اسفنجي حاصل را به طور مشخص¬تر نشان ميدهد. از اين جدول برميآيد كه استفاده از سطح با انتقال حرارت زیاد، صافي سطح ورق رانشگری شده اسفنجي و فیلم اسفنجي را بالاتر ميبرد (زبري آن كاهش مييابد). هم¬چنين زبري ورق رانشگری شده حاصل و فیلم اسفنجي حاصل به زمان بدون بعد t* بستگي دارد (نمونههاي 2، 3 و 4). هرچقدر كه زمان بدون بعد t* كوتاه¬تر باشد، زبري متوسط (Ra) ورق رانشگری تخت شده و فیلم اسفنجي جهتگيري شده مربوط به آن كمتر ميشود. علاوه بر اين جهتگيري ورق رانشگری تخت زبري آن را افزايش ميدهد. اين موضوع به اين خاطر است كه لايه خارجي (پوسته) اسفنجي نشده نازك¬تر ميشود و اثر تك تك سلولها را بيشتر نمايان ميکند. از جدول 1 ديده ميشود كه دماي سطح داراي انتقال حرارت زیاد در تعيين نيروي محركه سرد شدن ناگهاني مهم است. هنگامي كه سطح داراي انتقال حرارت زیاد در °C32 نگه داشته ميشود (نمونه 5)، ورق رانشگری تخت شده اسفنجي و فیلم PP اسفنجي جهتیافته صاف¬تر از نمونه¬اي است كه سطح انتقال حرارت آن در دماي °C21 نگه داشته شده است (نمونه 2). براي مقايسه نمونه اسفنجي جهتیافته تجاري با چگالی kg/m3540 و ضخامت m4/231 خريداري شد و زبري آن اندازهگيري گردید. مشاهدات بيان كننده اين بود كه نمونه تجاري (نمونه 1) 5/4-5/2 برابر زبرتر از نمونههاي 2 و 3 و 5 است كه با استفاده از سطح داراي انتقال حرارت زیاد ساخته ميشوند. علاوه بر اندازهگيريهاي زبري، تأثير استفاده از سطح با انتقال حرارت زیاد در حين فرآيند رانشگری نيز در عدم حضور چينخوردگي در فیلمها و ورقهاي حاصل با سطح بسيار براق به صورت چشمی مشاهده گرديد.
از ديگر مزاياي استفاده از سطح داراي پرانتقالِ گرما ساخت اسفنجهاي سفتتري در همان ضخامت است. اين موضوع احتمالاً به علت تغییرات چگالی است كه در نتيجه سرد كردن ناگهاني ايجاد شده است. اين موضوع به طور مفصل در اختراع ثبت آمریکا به شماره 20050181196A1 آمده است. نتايج مشابه براي پلياستايرن با چگالی کم اسفنجي شكل داراي لايه خارجي با چگالی زیاد گزارش شده است.
جدول 1- تأثير شرايط قالبگيري بر روي صافي ورق PP اسفنجي رانشگری تخت شده و فیلم PP اسفنجي جهتگيري شده
نمونه توصيف نمونه زمان بدون بعد t* ضخامت ورق رانشگری (ميكرومتر) وزن پايه ورق رانشگری (gm/m2) Ra ورق رانشگری (ميكرومتر) كشيده شدن به اندازه شش برابر (نسبت كشش) در جهت ماشين Ra (ميكرومتر) ظاهر سطح (ارزيابي چشمي)
1 اسفنج تجاري - - - اطلاعات در دست نيست a5/3 ظاهر مات/ داشتن خطوط و خطبندي
2 اسفنج پروپيلن (سطح با انتقال حرارت زياد كه در دماي°C21 نگهداري ميشود) 013/0 7/758 5/574 209/0 78/0 براقيت بالا/صاف
3 اسفنج پروپيلن (فاصله زياد با سطح انتقال حرارت زياد كه در دماي °C21 نگهداري ميشود) 0325/0 65/771 31/577 373/0 38/1 براقيت پايين/خطدار
4 اسفنج پروپيلن (بدون سطح انتقال حرارت زياد) نامحدود 49/1015 49/573 براي اندازهگيري بيش از حد ناصاف است براي اندازهگيري بيش از حد ناصاف است چيندار
5 اسفنج پروپيلن (سطح انتقال حرارت با دماي بالاتر از °C32) 013/0 76/762 94/571 247/0 916/0 براقيت متوسط با كمي ناصافي/ ناهموارتر از نمونه 2
تأثير شرايط جهت دهنده در يك شرايط رانشگری تخت معين
شكل 4 تغييرات سختي فیلم پروپيلن جهتیافته در هر دو جهت ماشین و عرضی نسبت به ضخامت فیلم را نشان ميدهد. همان¬طور كه مشاهده ميشود، سختي فیلم PP با افزايش ضخامت آن افزايش مييابد. علاوه بر اين، سختي در جهت ماشین به طور آشكارا بیشتر از سختي در جهت عرضی است.
شكل 4- تغييرات سختي نسبت به ضخامت در فیلم PP اسفنجي
شكل 5- تغييرات مدول جهت ماشین نسبت به چگالی اسفنج PP رانشگری تخت شده و جهتگيري شده. ستونهاي خطا در اندازهگيري مدول در نمونههاي ورق رانشگری تخت شده مربوط به يك انحراف استاندارد است.
از آن¬جايي كه مقدار سختي به مدول و ضخامت بستگي دارد، براي فهميدن بهتر تاثیر شرايط جهت دهنده، سختي بر خاصيت بنيادي مدول كششي و رابطه آن با چگالی فیلم اسفنجي برتری دارد. شكل 5 و 6 تغييرات مدول كششي ورق رانشگری شده و فیلم اسفنجي را نسبت به چگالی در دو جهت ماشین و عرضی نشان ميدهد. براي فیلم اسفنجي جهت¬یافته، هر نقطه از شكل مربوط به مجموعه متفاوتي از شرايط جهت¬دهنده (مثل نسبت كشش دماي سخت شدن يا فاصله كشش) است. فرآيند جهت دهی مدول فیلم اسفنجي در جهت ماشین را به نسبت ورق رانشگری شده افزايش ميدهد، در حالي¬كه محصول نهايي چگالی کمتري دارد (در اين حالت چگالی فیلم اسفنجي 25% كمتر از فیلم قالبي) است. افزايش مدول در جهت ماشین با فرآيند جهت¬دهی در كارهاي قبلي جهتدهي نوار PP غير اسفنجي نيز ديده شده است. در شكل 6 تغييرات مدول در جهت عرضی را نسبت به چگالی اسفنج در طيف گستردهاي از شرايط جهت¬دهی مشاهده ميكنيم. مقايسه شكلهاي 5 و 6 نشان¬دهنده اين است كه مدول در جهت ماشین 5/5-95/2 برابر بیشتر از مدول در جهت عرضی نمونههاي فیلم اسفنجي جهتدهي شده است؛ در حالي¬كه از ورق رانشگری شده، مدول در جهت ماشین فقط 15-10 درصد بیشتر از مدول در جهت عرضی می¬باشد. بنابراين، جهتدهی در راستای ماشین باعث جهتگيري مولكول¬ها در ورق رانشگری شده که باعث غيرهمسان شدن مدول فیلم اسفنجي حاصل ميشود. هم¬چنين در يك ضخامت معين فیلم اسفنجي سختي در جهت ماشین به وضوح بيشتر از سختي در جهت عرضی است.
شكل 6- تغييرات مدول CD (در راستاي عكس ماشين) نسبت به چگالی اسفنج PP رانشگری تخت شده و جهتگيري شده ستونهاي خطا در اندازهگيري مدول در نمونههاي ورق رانشگری شده مربوط به يك انحراف استاندارد است.
شكل 7- تغييرات جهت ماشین نسبت به نسبت كشش اسفنجي PP رانشگری تخت شده و جهتگيري شده. ستونهاي خطا در اندازهگيري مدول در نمونههاي ورق رانشگری شده مربوط به يك انحراف استاندارد است.
در شكل 7 نمودار مدول در جهت ماشین نسبت به كشش رسم شده است. به رغم اين¬كه پارامترهايي مثل دماي سخت شدن و فاصله كشش در طراحي آزمايش¬ها تغيير كرده است، مدول در جهت ماشین رابطه به شدت وابسته ی نسبت كشش است. چنين رابطهاي براي مدول در جهت عرضی مشاهده نشده است (طبق شكل 8).
شكل 8- تغييرات در جهت عمود بر ماشین (در راستاي عکس ماشين) نسبت به نسبت كشش اسفنجي PP رانشگری شده و جهت¬یافته. ستونهاي خطا در اندازهگيري مدول در نمونههاي ورق رانشگری شده مربوط به يك انحراف استاندارد است.
نتيجهگيري
اين مطالعه برخي از عواملي كه روي خواص فيزيكي فیلمهاي اسفنجي پروپيلن تأثير دارد را مشخص ميكند. از اين خواص ميتوان به سختي، مدول كششي، زبري و براقيت اشاره كرد. هم¬چنين تأثير استفاده از سطح پر انتقال حرارت در حين رانشگری تخت روي سختي ورق رانشگری تخت شده و فیلم اسفنجي جهتدهي شده نشان داده شده است. نتایج نشان داد که بعد از جهتدهي تك سويه، مدول جهت ماشین فیلم اسفنجي به شدت وابسته به نسبت كشش است، در حالي¬كه مدول در جهت عرضی وابسته به چگالی فیلم اسفنجي می¬باشد.
واژگان
جهتدهي در راستاي ماشين = Machine direction orientation
جهتدهنده در راستاي ماشين = Machine direction orienteer
عامل پفزا = Blowing agent
رانشگري فیلم تخت = Cast extrusion
داي چوب لباسی = Coat hanger die
غلتک = Roll
فاصله = Gap
گرم و سرد كردن کنترل شده = Annealing
شیو = Gradient
ضخامت= Thickness
سختی= Stiffness
صافی= Smoothness
براقیت= Gloss
سفیدی= Whiteness
پشت¬پوشی= Opacity
مراجع
Foamed and Oriented Polypropylene Films; Narasimharao Dontula, Richard Bomba, Terry Heath, John Benson and Peter Sprinz; Journal of Cellular Plastics, Vol. 43, 2007.
|