تکنولوژی استفاده از آلتراسونیک برای نمایش مداوم خواص پلیمر در فرآیندهای پلیمری

مؤسسه مواد صنعتی (IMI) انجمن تحقیقات ملی کانادا (NRC) استراژی خود را در جهت بهبود فرایند کردن مواد پیشرفته قرار داده است. به همین منظور روش‌هائی را برای نمایش و کنترل فرآیند وابسته به ابزار فرایندی و حسگرهای جدید ابداع نموده است.
برای صنعت پلیمر، مؤسسه IMI روشی اتخاد کرده است که جهت مشخص کردن مداوم (آن ـ لاین) خصوصیات شیمیائی، فیزیکی و رئولوژیکی پلیمر از روش آلتراسونیک استفاده می‌کند.
در این روش جدید جهت حس کردن رفتار و خصوصیات پلیمر ها در حین فرآیند از امواج آلتراسونیک کم انرژی استفاده شده است.
حسگرها در مسیر جریان نصب می‌شوند و پالس‌های آلتراسونیکی تولید می‌کنند که در هنگام انتشار در پلیمر، خصوصیات پالس‌ها براساس خصوصیات پلیمر، تصحیح می‌شوند. این وسیله خصوصیات پالس منتشر شده (مانند سرعت موج، کاهش امواج و ضریب انعکاس) را اندازه‌گیری می‌کند، و می‌توان اطلاعات مهمی مانند ویسکوزیته، وزن مولکولی، ترکیب مخلوط یا آلیاژ، غلظت و پراکندگی مواد افزودنی در حین اکسترود کردن پلیمر، و در حین تزریق قال جریان ورودی، پایان تزریق، جداسازی قطعه و استحکام را مشخص کند.
این نتایج از تحقیق در مورد مشخص کردن خصوصیات پلیمرها به روش آلتراسونیک بدست آمده است و کار در جهت ارزیابی کاربردهای جدید ادامه داد.
● یک وسیله کاربرد برای صنعت پلیمر
این روش باعث ایجاد توقف در فرآیند نمی‌شود. حسگرهای آلتراسونیک دارای قسمت‌های متحرک نیستند. این حسگرها جهت نصب در پورت‌ها با فشار استاندارد طراحی شده‌اند. این وسیله محکم و قابل اطمینان است، کار کردن و تعمیرات و نگهداری آن مهارت خاصی لازم ندارد. می‌توان آنها را در حالت دریافت /ارسال مورد استفاده قرار داد که در این صورت نیاز به دسترسی از یک سمت را دارند.
یک کامپیوتر شخصی می‌تواند اندازه‌گیری‌ها و تجزیه و تحلیل داده‌ها را انجام دهد.
● کاربرد و مزایا
کاربردهای این حسگرها مربوط به فرایندهیا تولید مانند اکسترود کردن مواد، تزریق قالب و کامپاندینگ می‌باشد. در مقایسه با حسگرهای دما و فشار، روش آلتراسونیک خصوصیات واقعی مواد را در هر لحظه مشخص می‌کند و اجازه می‌دهد که کیفیت محصول نهائی را به سرعت بهینه کرد.
● کنترل کیفیت
این روش کیفیت ثابت محصول را تضمین می‌کند. یعنی می‌توان رفتار جریان مواد، مشخصات ترکیب، غلظت و پراکندگی مواد پر کننده و مواد افزودنی، سایش و عدم بالانس بودن حلزونی را مشخص نمود و بنابراین نیاز به کنترل مداوم را کاهش می‌دهد.
● کنترل فرایند
با بدست آوردن اطلاعات در مورد خصوصیات مواد در هر لحظه، فرایندهائی مانند اکستروژن، کامپاندینگ و تزریق قالب ار می‌توان از لحاظ غلظت مواد افزودنی و نرخ عبور و خروج مواد یا از لحاظ قیمت انرژی بهینه‌سازی نمود.
از لحاظ قیمت انرژی بهینه‌سازی نمود.
ـ راه اندازی در کوتاهترین زمان و با کمترین مشکلات
ـ افزایش سرعت در بدست آوردن تولید یکنواخت
ـ بدست وردن محصول نهائی با کیفیت استاندارد
● کاربردها
توسعه هر کاربردی که در نتیجه مطالعات بدست می‌آید و اجازه می‌دهد تا وابستگی خصوصیات انتشار آلتراسونیک نسبت به خصوصیات افرایندی یا خصوصیات مواد تجزیه و تحلیل گردد.
● غلظت / پراکندگی پرکننده‌ها
عکس‌العمل آلتراسونیک در پلیمرهای دارای مواد پرکننده بستگی زیادی به غلظت، اندازه ذرات و پراکندگی مواد پرکننده دارد. با نمایش دائم فرمول و پراکندگی، روش آلتراسونیک می‌تواند کیفیت و ثبات آن را بهبود بخشد.
این سیستم برای چند پرکننده پرکاربرد استفاده شده است. غلظت کربنات کلسیم در فرایند پلیمری شدن پروپیلن را می‌توان به صورت مداوم و با دقت ۵/۰ درصد وزنی نمایش داد.
● ترکیب مخلوط‌های پلیمری
هنگامی که پلیمرها مخلوط می‌شوند، عکس‌العمل آلتراسونیک شدیداً وابسته به ترکیب می‌شود، بنابراین اندازه‌گیری‌های آلتراسونیک یک ابزار قدرتمند جهت نمایش عملیات مخلوط کردن پلیمر می‌باشد. این مورد به‌ویژه در مواردی مانند بازیافت پلاستیک‌ها از مخلوط مذاب پلیمری وقتی که ترکیب دقیق آن نامشخص است و یا متغیر می‌باشد، بسیار با ارزش می‌باشد.
تنظیم مواد تغذیه شده جهت تولیدات مختلف بر طبق تغییرات آلتراسونیک می‌تواند به بهینه کردن ثبات محصول کمک نماید.
● توزیع وزن مولکولی
شرایط در فرآیند رآکتورهای پیوسته یا اکسترودرهای رآکتیو جهت بدست آوردن کیفیت بهبود یافته و ثبات در آن بر طبق تغییرات در خصوصیات آلتراسونیکی پلیمر قابل تنظیم خواهد بود.
به‌عنوان مثال، در تجزیه پراکسیدی پلی پروپیلن، اندازه‌گیری مداوم سرعت امواج آلتراسونیک می‌تواند جهت نمایش وزن مولکولی استفاده گردد. این اطلاعات سپس می‌تواند به یک سیستم خاص باز پس فرستاده شود و توسط میزان تغذیه آغازگر فرآیند را کنترل نمود.
● ناپایداری‌های جریان در اکستروژن
آزمایشات زیادی نشان می‌دهد که روش آلتراسونیک می‌تواند خواص ویسکوالاستیک پلیمر را هنگامی که در قالب جریان می‌یابد اندازه‌گیری نماید. همچنین مشخص شده است که عکس‌العمل آلتراسونیک به طبیعت جریان بستگی دارد.
به‌عنوان مثال، این روش می‌تواند تفاوت بین جریان خطی، پوسته نازک، موجی و اجزاء مذاب را مشخص نماید. می‌توان جهت جلوگیری از ایجاد هر کدام از این جریان‌ها در هنگام اکستروژن پلیمر به‌صورت فیلم یا پروفیل جلوگیری نمود. بنابراین در این روش می‌توان فرایند را بهینه کرد و مطمئن بود که محصول تولیدی با کیفیت یکنواخت خواهد بود.
به‌عنوان مثال دیگر، این روش می‌تواند تماس پلیمر و قالب را اندازه‌گیری کند، و می‌توان اثر بخشی مواد کمکی که معمولاً در فرایند به مواد اضافه می‌شود (مثلاً پلی پروپیلن) را اندازه‌گیری نمود. (شکل ۲ حسگر آلتراسوینک نصب شده بر روی حدیده)
● اکستروژن فوم‌های پلیمری
در ساخت فوم‌های پلیمری کنترل دقیق خصوصیات مواد و پارامترهای فرایند بسیار ضروری است. دانستن قابلیت انحلال موادی که به‌صورت فیزیکی باعث فوم شدن پلیمر می‌گردد و دیاگرام‌های فازی ممکن است جهت راهنمائی در طراحی فرایند مفید باشد.
روش آلتراسونیک یک ابزار مناسب برای نمایش مداوم جداشدن فازی در مخلوط پلیمر و مواد فوم کننده و حباب‌های تشکیل شده می‌باشد. این روش می‌تواند جهت تعیین شرایط بهینه در فرایند تهیه فوم یا بررسی مواد فوم کننده جدید استفاده شود.
● نمایش فرسایش مارپیچ و خارج از محور بودن آن در حین اکستروژن مواد
شکل هندسی مارپیچ تأثیر زیادی بر رفتار جریان مواد در اکسترودر دارد. اصطکاک یا خورندگی بعضی مواد اکسترود شده می‌تواند باعث فرسایش محسوس مارپیچ شود. علاوه بر این در هنگام اکستروژن مواد، گشتاور وارد شده به محور مارپیچ توسط مواد با ویسکوزیته بالا، یا نب نادرست اکسترودر ممکن است شفت مارپیچ را از شکل خارج کند یعنی باعث انحراف از مرکز به سمت خارج می‌شود فرسایش مارپیچ و خارج از محور بودن می‌تواند باعث افت کیفیت محصولات تولیدی گردد.
● تزریق پلیمرها در قالب
شرکت‌های تزریق کننده قالب همواره به‌دنبال روش‌های جدید به منظور بهینه کردن فرایند قالب ریزی و کاهش قیمت هستند. حسگرهای آلتراسونیک که به سطح خارجی قالب متصل می‌گردد می‌تواند در حالت ارسال/دریافت قرار گیرد و فرایند قالب‌ریزی را به‌صورت مداوم کنترل نمود.
قابلیت آلتراسونیک در مشخص کردن جریان محلی ورودی، پایان پر شدن، مواد، انجماد مذاب پلیمر، جدا شدن قطعات، انجماد، دمای قالب و قسمت قالب‌ریزی شده می‌تواند باعث کاهش زمان سیکل شده، طول عمر قالب را افزایش دهد، باثع ذخیره انرژی و ثبات در محصول در حین تزریق قالب گردد.
● همکاری با صنعت
در مؤسسه IMI همکار متخصصان فرایند پلیمر و تکنولوژی آلتراسونیک پتانسیل برجسته‌ای در استفاده مداوم‌اندازه‌گیری‌های آلتراسونیک را ایجاد کرده است. این کار نشان می‌دهد که اندازه‌گیری سرعت آلتراسونیک و کاهش در جریان پلیمر مذاب کاربردهای بالقوه زیادی دارد.
از دیگر کاربردهای جدید برای تکنولوژی آلتراسونیک که هم‌اکنون از حالت آزمایشگاهی تحت نام DS ـ۵۰۰ به تولیدکنندگان پلی اتیلن ارائه شده است می‌توان به سیستم اتوماتیک تعیین چگالی به روش آلتراسونیک که به‌صورت استاندارد ASTM نیز تبدیل شده است نام برد.

ترجمه: مهندس سهیل صمدی (شرکت ملی صنایع پتروشیمی ایران، پتروشیمی شهید تندگویان، واحد بهره‌برداری فاز ۲)
ماخذ:
Jenm, Ch., Huynh, N., "On-line ul trasonic technology for monitoring of polymer processing", Industrial Materials Instiute Publications, National Research Council of Canada.

منبع : ماهنامه نساجی امروز