پایان نامه بررسی تجربی تاثیر پارامترهای مختلف عملیات‌ حرارتی بر روی استحکام مکانیکی قطعات ترموپلاستیکی جوشکاری‌شده به روش هات‌ پلیت

پایان­نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد «  M.Sc»

گرایش: ساخت و تولید

چکیده

در کار صورت گرفته در این پایان­نامه به چگونگی بهبود خواص پلاستیک‌ها به کمک عملیات حرارتی  پرداخته شده است. ابتدا مختصری در مورد پلیمر‌ها، پلاستیک‌ها و زیر شاخه‌های آنها و عملیات حرارتی روی آنها صحبت شده و بعد از آن به بیان اثر عملیات حرارتی آنیلینگ بر روی ورقهایی از جنس پلی اتیلن سنگین میپردازیم که به روش هات­پلیت جوشکاری شده­اند.

ابتدا ورق پلی‌اتیلنی که  با ضخامت 2/۳ میلی‌متر و به صورت رول تهیه شده بود، در ابعاد کوچکتر برش داده شده تا بتوان به وسیله دستگاه جوشکاری هات‌پلیت Elumatec®  آنها را جوش داد. برای رسیدن به سرعت عمل بالاتر و اطمینان بیشتر از یکسان بودن شرایط جوش، از فیکسچرهای ساخته شده از فیبر چوبی استفاده می‌شود تا بتوان در هر مرحله چند نمونه را با هم جوش داد و علاوه بر آن ورقها اعوجاج پیدا نکنند. به این ترتیب تمام قطعه‌ها تحت یک شرایط جوشکاری می‌شوند و سپس تحت شرایط مختلف آنیل می‌شوند. قطعات ورق در فشار گیره bar 7، دمای صفحه 230درجه سانتی‌گراد و زمان نگهداری 15 ثانیه جوش داده شده و سپس در شرایط مختلف از نظر دما، فشار، زمان نگهداری و نرخ سردشدن عملیات‌حرارتی آنیلینگ شده‌اند. برای اطمینان از نتایج، برای هر حالت آنیلینگ سه نمونه در نظر گرفته شده که نتیجه نهایی برای هر حالت، با میانگین‌گیری از این ۳ نمونه تعیین می‌شود. برای آنیلینگ قطعات نیز از اجاق خشک‌کن استفاده شده که فن موجود در آن باعث گردش یکسان هوای درون اجاق و در نتیجه انتقال حرارت یکسان می­شود. بعد از آنیلینگ، نمونه‌ها طبق استاندارد ASTM برای تست ضربه برش داده آماده شده و تست انجام می‌گیرد. نمونه‌های لازم برای انجام آزمایش استحکام‌ به ضربه ایزود شکاف­دار طبق استاندارد ASTM D256 برش داده شده و مقاومت به ضربه آنها توسط دستگاه تعیین مقاومت به ضربه دارای پاندول 5 ژول اندازه‌گیری گردید. نتایج نشان می‌دهند که بعضی از نمونه‌های آنیل‌ شده به طرز چشمگیری مقاومت به ضربه بالاتری نسبت به نمونه‌های عملیات‌حرارتی نشده دارند. برای مقایسه نتایج با حالت آنیل نشده، یک نمونه را نیزبدون آنیلینگ تست می‌کنیم. درنهایت نیز تاثیر پارامترهای مختلف آنیلینگ بر روی استحکام قطعات، شناسایی و استخراج شده­اند.

کلمات کلیدی: HDPE – اکستروژن – عملیات حرارتی - آنیلینگ

تعریف پلاستیک ها

واژه پلاستیک دارای ریشه یونانی و مشتق از واژه  Plastikos به معنی "شکل‌دادن یا جای‌دادن درون قالب برای قالبگیری" می‌باشد. انجمن صنعت پلاستیک SPI یک توضیح بسیار دقیق‌تر و مشخص‌‌تر به صورت زیر را ارائه نموده است:

پلاستیکها گروهی از مواد بوده که به طور کامل یا در بخشی از ساختار شیمیایی خود شامل ترکیباتی از کربن با اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن و یا سایر عناصر آلی و معدنی می‌باشند. این مواد و در حالت نهایی خود، به حالت جامد تبدیل می‌شوند. در چند مرحله از فرایند ساخت و تولید خود نیز، شکل مایع به خود گرفته و درنتیجه قادر به تشکیل اجسامی سه‌بعدی در شکل‌های گوناگون می‌باشند. فرآیند شکل‌دادن آنها با استفاده از حرارت و فشار می‌باشد.

در حقیقت پلاستیک‌ها موادی جامد و پایدار با منشاء نفت و گاز بوده که امروزه جایگزین بسیار مناسبی برای چوب و فلز و شیشه وسرامیک‌ها می‌باشند. پلاستیک‌ها بخشی از خانواده‌ای بزرگتر از مواد به نام پلیمرها هستند.

۲-۱: پلیمرها

ساختار پلیمرها متشکل از مولکول‌های بزرگی بوده که از به هم چسبیدن تعداد زیادی مولکول کوچکتر تشکیل یافته‌اند. این مولکول‌های کوچکتر را مونومر و عمل اتصال و پیوند آنها را پلیمر شدن یا جایگیری مونومرها monomer insertion می‌گویند.

 چنانچه واحدهای سازندۀ یک پلیمر (مونومر) از یک نوع باشند، آن را هموپلیمر (homopolymer) و اگر مونومرهای تشکیل دهندۀ یک پلیمر متفاوت باشند به آن کوپلیمر (copolymer) گفته می‌شود.

شکل 1-1 کهرباAmber) ). به شیره فسیل شده درخت گفته می‌شود که معمولاً به خاطر رنگ زیبایش دارای ارزش است. معمولاً ازاین ماده برای ساخت اشیاء تزئینی و جواهر استفاده می‌شود.

۱-۲-۱: دسته بندی پلیمر‌ها

در مهمترین تقسیم بندی پلیمرها به دو گروه تقسیم می‌شوند:

الف) پلیمرهای طبیعی: که حاصل فعل و انفعالات طبیعی هستند. مانند نشاسته، سلولز، کائوچوی طبیعی‌ (لاتکس)، پروتئین‌ها (مانند نخ ابریشم) و انواع صمغ‌ها و رزین‌های طبیعی مثل کهربا(شکل1-1)، سقز،کتیرا، مواد نفتی مثل قیر یا پلی‌ساکارید‌ها مثل قند.

   ب)پلیمرهای مصنوعی (سنتزی): یعنی ترکیباتی که توسط انسان به وجود آمده است. مثل الاستومرها، پلاستیک و الیاف مصنوعی، پوشش‌ها و چسب‌ها و ...

4-۱: انواع پلاستیک‌ها

پلاستیک‌ها به دو گروه عمده گرماسخت یا ترموست (Thermoset) و گرمانرم یا ترموپلاست (Thermoplastic) تقسیم می‌شوند. پلاستیک‌های ترموست یا گرماسخت با واکنش شمیایی و عملیات حرارتی یا شیمیایی سخت شده، به شکل دائمی درآمده و نمی‌توان آنها را مجددا" نرم نمود. ترموست‌ها دارای سختی بالا، سفتی، مقاومت در برابر حرارت و حلال­های شیمیایی و مقاومت الکتریکی بالایی هستند. ترموست‌ها بر خلاف ترموپلاست‌ها از لحاظ شیمیایی پایدار نبوده و فعالند و با گذشت زمان در آنها اتصالات عرضی ایجاد می‌شود. معمولا به ترموست ها مواد افزودنی از جمله : خاک اره، خاک رس، خاک چینی و الیاف پنبه اضافه می‌کنند. ترموست ها معمولا شکننده هستند اما لاستیک با آنکه یک ترموست می باشد به علت وجود اتصالات عرضی در مولکول های زنجیره ای که به آن "ولگانیزه" می‌گویند و عامل ایجاد اتصال آن گوگرد است؛ شکننده نبوده و توانایی حرکت داشته و کاملا ارتجاعی است. در حقیقت مهمترین خصوصیات آن قابلیت کشش، انعطاف پذیری و برگشت به حالت اولیه می‌باشد برای تهیۀ لاستیک مخلوطی از کائوچو (طبیعی یا مصنوعی) را با گوگرد حرارت داده تا گوگرد در محل اتصال‌های دو گانه با کائوچو ترکیب شده و خواص ویژه و بسیار مهمی را در کائوچو ایجاد می‌کند؛ مانند: مقاومت به حرارت، مقاومت در برابر عوامل جوی و شیمیایی و سایش و خاصیت ارتجاعی. همچنین علاوه بر گوگرد که مهمترین افزودنی است، نرم کننده (پارافین) و دانه های رنگین (پیگمنت) و تقویت کننده (دوده) و پرکننده ها مثل پودر تالک را هم به لاستیک اضافه می‌کنند.

 پلاستیکهای ترموپلاست یا گرمانرم موادی بوده که در هنگام سردسازی، سخت شده و با حرارت دادن دوباره می‌توان آنها را نرم و قالب‌گیری نمود.

1-5: اصلاح خواص در پلاستیک‌ها

 از قابلیت‌های دیگر پلاستیک‌ها این است که می توان خواص آنها را بهبود بخشید. این عمل با استفاده از افزودنی‌ها و انجام عملیات حرارتی امکان‌پذیر می‌باشد.

1-5-1: افزودنی‌ها

 به کمک مواد افزودنی، ‌عمر مواد و قطعات، افزایش یافته، ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی آنها اصلاح شده، فرآیند آنها به میزان قابل توجه آسان گردیده، افت کیفیت آنها کنترل شده، و از آسیب‌پذیری مواد در برابر امواج گوناگون جلوگیری به عمل می‌آید. همچنین می‌توان به نسبت موارد مورد نیاز،‌ آنها را به الکتریسیته و حرارت، رسانا یا نارسانا نمود و آنها را از حملات میکروبیولوژیکی مصون داشت. این مواد عبارت از پایدارکننده‌ها، پرکننده‌ها، رنگدانه‌ها، مواد رهاکننده از قالب، مواد ضد میکروب، مواد اصلاح کننده ضربه پذیری، کمک فرایندها، مواد ضد الکتریسیته ساکن، مواد ضد آتش و دود، پراکسیدهای آلی، ضد اکسیدکننده‌ها، نرم کننده‌ها، مواد اسفنجی کننده، مواد فعال کننده سطحی، پایدار کننده‌ها بوده که هرکدام جهت ایجاد خصوصیات مطلوب به پلاستیکها اضافه می‌شود.

1-5-2: عملیات حرارتی

یکی دیگر از روش‌های بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی پلاستیک‌ها، استفاده از عملیات حرارتی می‌باشد. در عملیات قالب‌گیری، ماشینکاری، پرداخت‌کاری و دیگر عملیات تولیدی که بر روی پلاستیک‌ها و کامپوزیت‌ها انجام می‌شود، تنش‌های داخلی در آنها به وجود می‌آید. استفاده از مواد شیمیایی(مثل چسب­ها) در این عملیات نیز باعث حساس شدن و ترک خوردن قطعات خواهد‌شد.

سرد شدن سریع قطعات پلاستیکی قالب‌گیری شده پس از خروج از قالب یا پس از انجام عملیات بازپخت (در تولید قطعات از مواد ترموست) نیز در آنها تنش‌های داخلی به وجود می‌آورد. زیرا پس از اتمام این عملیات هنوز واکنش‌های شیمیایی پلیمریزاسیون ادامه دارد. قطعات کامپوزیتی را معمولا" پس از فرم دادن، درون قالب با جیگ مخصوص قرار می‌دهند تا کلیه عملیات بازپخت بر روی آنها انجام شده و واکنش‌های شیمیایی درون آنها به اتمام برسد و با محیط هم دما شوند.

Abstract

Extruded HDPE samples are annealed by heating in the oven with various parameters, including annealing time, annealing temperature and post annealing cooling rate. This process helps reduce in internal stresses formed during fabrication (e.g. extrusion) and eliminate macromolecules orientation resulting in more homogenous mechanical properties. These samples are heated to a temperature at which the macromolecules have enough mobility to allow them to reorient to a configuration with less residual stress. Because the HDPE is a semi-crystalline polymer, should be heated to a temperature at which retarded crystallization or recrystallization. After this process, samples for impact test are prepared according to ASTM D256. The results show that annealing can increase the impact strength of samples in some cases.

Keywords: Annealing; Hotplate welding; Impact strength