مکانیسمهای ایجاد ترکهای کف در فوم PMI و بهینهسازی فرآیند کفسازی قبل از-
فوم پلی متاکریلیمید (PMI) اغلب در طول فرآیند کف کردن، ترک خوردگی را نشان می دهد. استفاده از مسیر فرآیند "پیش-نرمسازی و سفید کردن پلیمر - خنککردن،-فوم کردن مجدد" میتواند به طور قابلتوجهی از این ترکخوردگی جلوگیری کند. این مقاله به طور سیستماتیک مکانیسم های زیربنایی این دو پدیده را از منظر اصول واکنش و کنترل فرآیند توضیح می دهد.
I. مکانیسم های ترک خوردگی در طی فرآیند کف کردن فوم PMI
کف کردن و پخت فوم PMI یک فرآیند پیچیده است که فوم فیزیکی را با اتصال عرضی شیمیایی پیوند می دهد. ماهیت ترک این است که تنش داخلی بدنه فوم (عمدتاً تنش حرارتی و تنش پخت) از حد مقاومت ماتریس فوم در آن دما فراتر رود. عوامل ایجاد کننده خاص را می توان به چهار نوع زیر دسته بندی کرد:
1. عدم تعادل جنبشی بین تبخیر عامل دمنده و واکنش پلیمریزاسیون
تهیه فوم PMI معمولاً به دو مرحله اصلی تقسیم میشود: آمادهسازی پلیمر قبل از-و کف کردن/خاموش شدن. مرحله اول شامل کوپلیمریزاسیون مونومرهایی مانند متاکریلیک اسید (MAA)، (مت) آکریلونیتریل (MAN/AN) با عوامل دمنده مانند فرمامید یا کربنات ها برای تولید یک پیش پلیمر قابل کف است. مرحله دوم باعث ایجاد کف و پخت همزمان از طریق گرم کردن می شود که شامل دو فرآیند کلیدی است:
فرآیند کف کردن فیزیکی:عامل دمنده پس از گرم شدن تبخیر میشود و هستههای حبابدار درون پلیمر پیش-که پیوسته منبسط میشوند و ساختار کف پایه را میسازند.
فرآیند پخت شیمیایی:پیوندهای دوگانه غیراشباع باقیمانده در پلیمر پیش{0} تحت پلیمریزاسیون شبکه ای قرار می گیرند، در حالی که واکنش چرخه ای شدن تشدید می شود و سفتی زنجیره مولکولی را افزایش می دهد و انجماد بدنه فوم را تکمیل می کند.
تطابق جنبشی بین این دو فرآیند برای تشکیل موفقیت آمیز کف بسیار مهم است. اگر سرعت ایجاد فشار ناشی از تبخیر عامل دمنده به طور قابل توجهی از سرعت توسعه استحکام در زمینه پلیمری پیشی بگیرد، دیواره های سلولی به دلیل ناتوانی در تحمل فشار داخلی پاره می شوند و به صورت ماکروسکوپی به صورت ترک کف ظاهر می شوند. این شکست ساختاری ناشی از عدم تعادل جنبشی مشابه رفتار شکست مواد شکننده تحت نرخ بارگذاری استرس بالا است.
2. تمرکز تنش حرارتی ناشی از گرادیان دما
سرعت گرمایش بیش از حد سریع یا توزیع نامناسب دما در داخل اجاق کف می تواند شیب دمایی قابل توجهی را در داخل بدنه فوم ایجاد کند. لایه سطحی که ابتدا در معرض{1} محیط دمای بالا قرار می گیرد، واکنش های کف کردن و پخت را به طور همزمان آغاز می کند و یک پوسته سفت و سخت را تشکیل می دهد. در مقابل، هسته به دلیل تاخیر هدایت حرارتی، کندتر گرم می شود و فرآیند کف کردن آن به طور قابل توجهی از سطح عقب می افتد. هنگامی که عامل دمنده در هسته شروع به تبخیر شدید میکند و نیروی انبساط ایجاد میکند، لایه سطحی از قبل خشکشده نمیتواند فضای تغییر شکل کافی را فراهم کند. این منجر به تنش های حرارتی متناوب کششی و فشاری در بدنه فوم می شود. هنگامی که این تنش از قدرت شکست فوم فراتر رود، از طریق{7}}ترکهای ضخیم در امتداد مناطق تمرکز تنش، معمولاً در سطح مشترک بین هسته و لایه سطحی ایجاد میشود.
3. برهم نهی تنش داخلی به دلیل تفاوت نرخ پخت
واکنش imidization، واکنش هسته برای پخت فوم PMI، اساساً یک فرآیند چرخهسازی آبگیری بین زنجیرههای مولکولی است. این واکنش مولکول های آب را آزاد می کند در حالی که به طور قابل توجهی سفتی زنجیره پلیمر و دمای انتقال شیشه ای (Tg) را افزایش می دهد. اگر توزیع دما در بدنه فوم ناهموار باشد، منجر به اختلاف گرادیان در سرعت واکنش imidization میشود: سطح به طور کاملتر واکنش میدهد، با چگالی، مدول و انقباض اتصال عرضی بالاتر. هسته آهسته تر واکنش نشان می دهد، با چگالی، مدول و انقباض پیوند متقابل کمتر. این نابرابری در درجه پخت، استرس پخت را در بدنه فوم ایجاد می کند، که با تنش حرارتی قرار می گیرد و خطر ترک خوردن را بیشتر می کند.
4. اثر تقویت تنش نقص ساختار سلول
اگر مسائلی مانند انحلال نابرابر عامل دمنده، تعداد ناکافی محلهای هستهزایی، یا توزیع نابرابر در مرحله آمادهسازی پلیمری قبل از{0}}روی آن رخ دهد، میتواند منجر به ساختارهای معیوب در حین کف کردن شود، مانند سلولهای بزرگ، توزیع اندازه سلول گسترده، یا ترکیبی از سلولهای بسته و باز. طبق نظریه مکانیک مواد، در ساختارهای سلولی غیریکنواخت، لبههای سلولهای بزرگ و اتصالات سلولی به منابع تمرکز تنش تبدیل میشوند، جایی که تنش موضعی میتواند 3-5 برابر تنش متوسط باشد. به طور همزمان، استحکام مکانیکی کلی چنین سازه هایی به طور قابل توجهی کاهش می یابد، و آنها را مستعد پارگی موضعی تحت فشار گاز داخلی می کند، که می تواند به شکاف های ماکروسکوپی انتشار یابد.
به طور خلاصه، مکانیسم اصلی ترک خوردگی فوم PMI در حین کف کردن را می توان به صورت زیر خلاصه کرد: عدم تعادل رقابت جنبشی بین "تولید فشار گاز" و "توسعه قدرت ماتریس پلیمری" در حین کف کردن، همراه با تنش های داخلی روی هم قرار گرفته ناشی از گرادیان های دما و تفاوت های پخت، و اثر تقویت تنش ناشی از تشدید تنش سلولی که باعث ایجاد نقص در ساختار سلولی می شود. بدن
II. مکانیسم ضد-ترکخوردگی فرآیند قبل از کف کردن
فرآیند "خنک کردن پیش-پلیمر پس از نرم شدن و سفید شدن، سپس- فوم کردن مجدد" در تولید صنعتی فوم PMI به عنوان "تهویه پیش{2} فومینگ" تعریف شده است. این فرآیند به ترکخوردگی کفزا از سه بعدی-کنترل هستهزایی سلول، تقویت ماتریس، و کاهش تنش-از طریق عملیات ترموفیزیکی کنترلشده پیش-پلیمر رسیدگی میکند. مکانیسم های عمل خاص آن به شرح زیر است:
1. پیش-قرارگیری و تثبیت هسته های یکنواخت میکروحباب
اثر اصلی درمان قبل از کف کردن، قرارگیری یکنواخت هستههای حباب ریز است: هنگامی که پلیمر پیش{{2} تا "محدوده دمای بحرانی نرم شدن" (معمولاً 20{8}}30 درجه کمتر از دمای رسمی کف کردن) گرم می شود، عامل دمنده تا حدی بخار می شود. با این حال، ماتریس پلیمری همچنان ویسکوزیته نسبتاً بالایی را در این نقطه حفظ میکند و به حبابهای کوچک تولید شده توسط تبخیر اجازه میدهد تا از طریق کشش سطحی در ماتریس تثبیت شوند و هستههای میکروحباب به طور یکنواخت با چگالی 10³{9}}104 بر سانتیمتر مکعب را تشکیل دهند. پراکندگی نور توسط این هسته های حباب ریز متعدد باعث می شود که پیش پلیمر شفاف اولیه سفید و مات به نظر برسد - پدیده "نرم شدن و سفید شدن".
فرآیند خنکسازی بعدی، ویسکوزیته ماتریس پلیمری را بیشتر افزایش میدهد، موقعیت مکانی و مورفولوژی هستههای حباب ریز را ثابت میکند (گاز ممکن است تا حدی دوباره-حل شود، اما ساختار رابط هستهها حفظ میشود). در طول مرحله کف کردن رسمی، این هستههای میکروحباب از قبل قرار داده شده به «محلهای فعال» برای تولید و انبساط گاز اولویتدار تبدیل میشوند و رشد سلولی را در حالت «هستهزایی یکنواخت» تضمین میکنند. این امر از مسائل مربوط به اندازه سلول ناهموار ناشی از هستهزایی تصادفی جلوگیری میکند. یک ساختار سلولی یکنواخت و ریز امکان توزیع یکنواخت تنش داخلی را فراهم می کند و اثرات تمرکز تنش را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد و مقاومت بدنه فوم را در برابر پارگی افزایش می دهد.
2. پیش{1}}ساخت قدرت ماتریس اولیه
در طی عملیات قبل از{0}}کف کردن، پلیمر پیش{{1} تحت دو نوع تغییر شیمیایی تحت گرما قرار میگیرد: اول، واکنشهای اولیه اتصال متقابل پیوندهای دوگانه غیراشباع باقیمانده، که ساختار شبکهای با چگالی کم{-شبکه پیوند متقابل- را تشکیل میدهد. دوم، شروع واکنش imidization، جایی که زنجیره های مولکولی شروع به تشکیل ساختارهای حلقه می کنند و مدول ماتریس به آرامی افزایش می یابد. این دو واکنش با هم «اسکلت استحکام اولیه» را برای ماتریس پلیمری ایجاد میکنند و استحکام کششی اولیه پلیمر پیش{5} را از 0.8-1.2 MPa به 2.5-3.0 مگاپاسکال افزایش میدهند.
در مرحله کف کردن رسمی بعدی، ماتریس با استحکام اولیه می تواند به طور موثر در برابر شوک فشار اولیه ناشی از تبخیر عامل دمنده مقاومت کند. این تضمین می کند که "نرخ افزایش قدرت ماتریس" به طور مداوم منجر به "نرخ افزایش فشار گاز" می شود و عدم تعادل تطابق جنبشی را در ریشه آن حل می کند. این یک پنجره زمانی برای انبساط سلولی ثابت و پخت کامل فراهم می کند.
3. آرامش و توزیع مجدد استرس های داخلی اولیه
تنشهای داخلی (معمولاً 0.3-0.5 مگاپاسکال) به دلیل عواملی مانند جهتگیری زنجیره مولکولی و انقباض حجمی، میتوانند در پیش{3}}پلیمر از مراحل آمادهسازی آن (کوپلیمریزاسیون و ریختهگری) باقی بمانند. فرآیند گرمایش در طول عملیات پیش فوم کردن، تحرک بخش های زنجیره پلیمری را افزایش می دهد و مواد را به حالت "خیلی الاستیک" می رساند. تنش های داخلی باقیمانده از طریق بازآرایی بخش زنجیره ای کاهش می یابد و به طور بالقوه سطوح تنش را به زیر 0.1 مگاپاسکال کاهش می دهد.
به طور همزمان، تشکیل و گسترش جزئی هستههای حباب ریز اساساً شامل تغییر شکل پلاستیک موضعی ماتریس میشود. این فرآیند میتواند بخشی از انرژی تنش داخلی را جذب کند و از طریق جهتگیری مجدد زنجیرههای مولکولی در اطراف هستههای حباب به توزیع مجدد تنش دست یابد. تسکین موثر تنش داخلی به پلیمر پیش{2} اجازه میدهد تا تنشهای حرارتی و پخت را در مرحله کفسازی رسمی بهتر تحمل کند و خطر ترک خوردن ناشی از برهمنهی تنش را کاهش دهد.
4. همگن سازی پراکندگی عامل دمنده
در طول آمادهسازی پیش{0}پلیمر، عوامل دمنده ممکن است گرادیانهای غلظت موضعی ایجاد کنند (بهویژه در-پیش-پلیمرهای دیوارهای ضخیم) به دلیل تفاوت در سرعت انتشار. چرخه "گرمایش-سرد کردن" درمان قبل از کف کردن، عامل دمنده را در معرض یک فرآیند "تبخیر-مهاجرت-دوباره انحلال" قرار می دهد: با گرم شدن، عامل دمنده تبخیر می شود و در امتداد گرادیان غلظت پخش می شود. پس از خنک شدن، دوباره در ماتریس پلیمری حل می شود. این فرآیند به طور موثر شیب غلظت عامل دمنده بالقوه را در پیش پلیمر حذف می کند و به پراکندگی یکنواخت عامل دمنده در ماتریس پلیمری دست می یابد. این از مسائل مربوط به گسترش بیش از حد سلول محلی ناشی از عامل دمنده اضافی موضعی جلوگیری می کند.
5. خلاصه ارزش اصلی در بهینه سازی فرآیند
از منظر کنترل فرآیند، درمان قبل از فوم کردن اساساً پایداری کف کردن رسمی را از طریق مکانیسم "تکرار-بهینه سازی" افزایش می دهد. در فرآیند فوم کردن مستقیم، پیش{3}}پلیمر به طور همزمان در دماهای بالا دستخوش تغییرات شدید متعدد-کف کردن، پیوند متقابل و چرخه شدن{5}} میشود که به دلیل هم افزایی ضعیف فرآیند، مستعد ترک خوردن میشود. در مقابل، درمان قبل از کف کردن، از طریق تهویه ملایم در دماهای پایینتر، مراحل کلیدی بهینهسازی را از قبل تکمیل میکند: هستهزایی یکنواخت، تنظیم قبل از{8} استحکام، و آرامش استرس. این فرآیند میتواند بخشی از انرژی تنش داخلی را جذب کند و از طریق جهتگیری مجدد زنجیرههای مولکولی در اطراف هستههای حباب به توزیع مجدد تنش دست یابد. این حالت اولیه عالی{11}}«از لحاظ ساختاری، به اندازه کافی قوی، و تنش{13}}قابل کنترل»{14}}برای مرحله رسمی کف کردن{11}}به پلیمر اولیه عالی میدهد و در نتیجه به تشکیل فوم بدون ترک-میرسد.
بنابراین، تصفیه قبل از فوم کردن یک فرآیند اصلی در تولید فوم PMI برای دستیابی به "کنترل ساختار سلولی - تطابق سرعت واکنش - مدیریت استرس داخلی" است. این نقش غیر قابل جایگزینی در بهبود عملکرد محصول و ثبات عملکرد ایفا می کند. برای بهینه سازی بیشتر پارامترهای فرآیند خاص (مانند دمای قبل از فوم شدن، زمان نگهداری، سرعت خنکسازی و غیره)، آزمایشهای هدفمند را میتوان بر اساس فرمولبندی پلیمری پیش{5} و الزامات عملکرد مطلوب فوم انجام داد.
