رویکردی جدید نسبت به ریولوژی برای فرآیند و کنترل کیفیت

به طور کلی داده‌های ریولوژیکی بدست آمده در شرایط دمایی و برشی فرآیند شکل‌دهی در پیش‌بینی کارایی بسپار‌ها بسیار سودمند است. این داده‌ها می‌توانند با ریومتر مویین که در بسیاری جنبه‌ها شرایط موجود در فرآیند شکل‌دهی را شبیه‌سازی می‌نماید تولید شود. هنگامی که بسیاری از اندازه‌گیري‌ها با ریومتر مویین در بازه سرعت برشی که در فرآیند با آن مواجه می‌شویم در مورد یک بسپار یا آمیزه خاص انجام پذیرفت، تغییر گرانروی تا سه برابر واریانس (σ3±) در اطراف مقدار ميانگين گرانروي می‌تواند به عنوان ابزاری جهت ثبات و پیش‌بینی‌پذيري فرآیندپذیری بکار رود. اگر گرانروی اندازه‌گیری شده یک ماده به طور با ثبات در حدود رواداري ایجاد شده با این تغییر قرار گیرد آنگاه فرد می‌تواند تا حدودی مطمئن باشد که محصولي با ثبات تولید می‌کند، در غیر این‌صورت در حالتي که منحنی از حدود رواداري خارج می‌شود اطلاعاتی در زمینه علل اصلی تغییر محصول فراهم می‌نماید. این گزارش به تشريح ریومتر مویین خودکار "Rheo-Truder"و مفهوم حدود رواداري كه به صورت يك لوله اطراف منحني داده‌ها در نظر گرفته مي‌شود، برای استفاده در تضمین کیفیت و کنترل فرآیند مي‌پردازد.
اندازه‌گیری جریان در حالت مذاب به چند دلیل برای صنعت بسپار از اهمیت برخوردار است. نخست و از همه مهم‌تر آن‌که معیاری از این‌که آیا یک ماده گرمانرم می‌تواند اکسترود شود، قالب‌گیری شود، یا با فرآیندهای شکل‌دهی مرسوم به شکل قطعات مورد نظر در آید بدست می‌دهد. در تمامی این فرآیندها اول پلاستیک ذوب می‌شود و سپس رانده می‌شود تا از میان یک دای یا به درون یک قالب جریان یابد که به آن شکل نهایی می‌دهد. اگر جریان مذاب با فرآیند تطبیق نداشته باشد آن ماده ممکن است به طور کامل قالب را پر نکند یا ایجاد پلیسه نماید، فرآورده اکسترود شده بدشکل شود، ورق یا پروفیل‌های غیر هموار دهد یا قطعاتی تولید کند که تحت تنش‌های معمولی یا ضربه وابدهند. در وهله دوم جریان یک ماده پلاستیکی به عنوان نشانه‌ای از اینکه آیا خواص نهایی با آنچه در کاربرد الزام شده سازگار است بکار می‌رود. افزایش جریان مذاب بيش از آن‌چه مشخص شده می‌تواند نشانه‌ای از تخریب مولکول‌های بسپاری یا شبکه‌ای شدن باشد. خطاهای آمیزه‌سازی می‌تواند منجر به هریک از این دو گردد. این تغییرات مولکولی ممکن است منجر به از دست رفتن استحکام مکانیکی، ضربه یا مقاومت شیمیایی گردد و برای اثر گذاشتن بر خواص نهایی یک قطعه نهایی لازم است.
پس جریان مذاب ماده پلاستیکی چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟ امروزه روش اصلی مورد استفاده در صنعت پلاستیک آزمون سرعت جریان مذاب (MFR) است که از آن معمولا با نام شاخص جریان مذاب (MFI) یاد می‌شود. در این آزمون وزن بسپاری که در 10 دقیقه اکسترود می‌شود تحت شرایط استاندارد دما، هندسه و نیرو اندازه‌گیری می‌شود. رویه‌های استاندارد مورد استفاده در مورد بسیاری از بسپارها در ASTM D1238-95 یا ISO 1133 یافت می‌شود. پذیرش تقریبا عمومی این آزمون از این واقعیت ناشی می‌شود که آن در عین سادگی، آسانی کار، سرعت و از همه مهم‌تر ارزانی معیاری از کیفیت است. این داده‌های تک نقطه‌ای در نمودارهای کنترلی در برابر زمان رسم می‌گردند تا تغییرپذیری فرآیند و کیفیت فرآورده بنانهاده شود. به هر حال این آزمون دارای کاستی‌هایی است که آن را برای کنترل کیفیت و فرآیند کمتر جذاب می‌سازد. طول کوتاه دای امکان ایجاد جریانی کاملا توسعه‌یافته را نمی‌دهد در صورتی که نسبت طول به قطر کم منجر به تلفیقی از تغییر شکل‌های برشی و کششی می‌گردد. قطر بزرگ دای نسبت به دیواره استوانه‌ای سبب می‌شود افت فشار ناشی از دیواره اهمیت یابد. برای همین جریان ماده جنبه‌های کاملا متفاوتی از ساختار بسپار را نشان می‌دهند. این واقعیت که تمام این جنبه‌ها در یک عدد تکی خلاصه می‌شود جذاب است هرچند این امر هنگامی که تلاش می‌شود فرآیندپذیری از آن پیش‌بینی شود ممکن است مشکلات متعددی بوجود آورد.
فرآیندپذیری همان چیزی است که مشتری به آن علاقمند است! نموادری از گرانروی (مقاومت به جریان) بر حسب سرعت برش (سرعت جریان) که در چند فرآیندهای شکل‌دهی بسپاری مشاهده می‌شود را نشان می‌دهد. بازه‌ای که در آن مقادیر MFR تک نقطه‌ای بدست می‌آیند هم نشان داده شده است. از این شکل می‌توان دید که به طور کلی شرایط این آزمون بسیار با آنچه در بسیاری از فرآیندهای شکل‌دهی دیده می‌شود متفاوت است.

نتیجه‌ای از این موضوع که نمودار جریان را در مورد یک پلی‌اتیلن کم‌چگالي خطی (بسپار A) و همبسپارهای اکتنی همگن‌تر کاتالیز شده با متالوسن (بسپار B) را نشان می‌دهد. در این مورد اندازه‌گیری‌های MFR در هر دو پلی‌الفین نشان می‌دهد که آنها دارای سرعت جریان مذاب برابر با يك گرم در 10 دقیقه هستند. اما چنان‌چه نشان داده شده و از مقایسه ریولوژیکی برمی‌آید این مواد گرانروی‌های بسیار مختلفی در سرعت‌های برشی که ممکن است در آن فرآیند شوند دارند. دلیل این امر می‌تواند به  برمی‌گردد که در آن جرم مولکولی و توزیع آن که با سوانگاري(کروماتوگرافی) تعیین شده به نمایش درآمده است. این شکل نشان می‌دهد که این مواد دارای جرم مولکول‌های یکسانی هستند (هم‌چنان‌که با MFR نشان داده می‌شود) اما دارای توزیع وزن مولکولی مختلفی هستند. این اختلاف‌ها در MWD منجر به به رفتار جریانی متفاوت تحت شرایط فرآیندی می‌گردد. بنابراین برای مثال هرچند ممکن است با موفقیت قطعات تزریقی از بسپار A زد اما در همان شرایط فرآیندی بسپار B تولید پلیسه می‌کند.
مقایسه‌ای دیگر را بین سه بسپار (پلی‌اتیلن کم چگالي (LDPE)، پلی‌اتیلن کم چگالي خطی (LLDPE) و پلی‌اتیلن کاتالیز شده با متالوسن (MCPE) یا "پلاستومر") را نشان می‌دهد که دارای دارای سرعت‌های جریان مذاب یکسانی هستند. شاخص جریان مذاب پیش‌بینی می‌کند که همه این بسپارها با ساختار مولکولی گوناگون نیازمند شرایط فرآیندی یکسانی هستند. به هر حال می‌توان از این منحنی‌ها دید که در سرعت‌های برش بالاتر که در اکستروژن یا قالب‌گیری تزریقی مشاهده می‌شود رفتار جریان که پارامترهای فرآیندی را دیکته می‌کنند به نسبت مختلفند.

یک راه تعیین فرآیندپذیری ماده آزمودن هر ماده در تجهیزات واقعی شکل‌دهی پلاستیک است. به هر حال این روش کند و از نظر زمان ماشین و ماده پرهزینه است. رویکرد دیگر استفاده از ریومتر مویین است که بسیاری از مولفه‌های لازم جهت شبیه‌سازی عملیات ماشین‌های مورد استفاده در این فرآیندها را داراست. این سنج‌افزار شبیه MFR است با یک دیواره استوانه‌ای تحت کنترل دمایی که دارای پیستونی است که مذاب بسپاری را به میان یک لوله مویین با ابعاد ثابت می‌راند. به هر حال در ریومتر مویین نیروی اعمالی جهت اکسترود کردن بسپار با یک موتور و پیچ یا سامانه فرمان‌یار-هیدرولیک با قابلیت تولید یک نیرو و سرعت کشش متغیر ایجاد می‌شود. این نیرو یا با نیروسنج نصب شده بر پیستون یا یک مبدل فشاری در دیواره استوانه‌ای ریومتر اندازه‌گیری می‌شود. نیروی لازم برای ایجاد جریان (تنش برشی) و سرعت جریان (سرعت برش) سپس برای محاسبه گرانروی یا مقاومت نسبت به جریان استفاده می‌شود:

سرعت برش/تنش برشی = (η)گرانروی

از آنجا که این ریومتر توانایی ایجاد سرعت‌های برشی که در آن بسپار در عمل فرآیند می‌شود را داراست (و این‌که بسیاری از اکسترودرهای اولیه و ماشین‌های قالب‌گیری تزریقی مورد استفاده از پیستون به جای مارپیچ بهره می‌گیرند) این سنج‌افزار می‌تواند شرایط واقعی که در فرآیند دیده می‌شود شبیه‌سازی کند.


• پیستون جریان حجمی (سرعت برش) ثابتی فراهم می‌کند.
• فشار اندازه‌گیری (تنش برشی) می‌شود.
• نسبت طول به قطر (L/D) معمولا بزرگتر از 10 است.
• گرانروی (مقاومت نسبت به جریان) محاسبه می‌شود.

چنان‌چه ملاحظه شد فرآیندپذیری یا قوام واقعی یک بسپار نمی‌تواند از تک نقطه بدست آمده از آزمون MFR پیش‌بینی شود و ریومتر مویین می‌تواند تابع یا منحنی‌ای ایجاد نماید که رفتار ماده را در فرآیند شکلدهی واقعی توصیف می‌نماید. پس چرا از کل منحنی برای بررسی ثبات و مناسب بودن یک بسپار در یک فرآیند واقعی به طور همزمان استفاده نشود؟ برای انجام این کار باید تغییرپذیری گرانروی‌ها با زمان، ماشین، ماده، راه و روش، محیط، فرد در کل بازه سرعت برش اندازه‌گیری دانسته شود. گامهای نیل به این هدف به سرح زیر است:
1. یک بسپار یا نمونه‌های تولید متداول "خوب" که به خوبی در فرآیندهای مورد نظر فرآوری می‌شوند را تعیین نمایید.
2. با استفاده از این بسپار بیست منحنی گرانروی برحسب سرعت برش یا بیشتر در سرعت‌های برشی که برآورد می‌شود در فرآیند با آن مواجه شد تولید کنید.
3. از این داده‌ها استفاده کنید تا مقادیر متوسط و σ3± گرانروی در هر سرعت برش تعیین گردد.
4. تمام این داده‌ها را در منحنی گرانروی بهنجار برحسب سرعت برش رسم نمایید. مقادیر σ3± در اطراف گرانروی متوسط آنچه "حدود رواداري" نامیده می‌شود را بوجود می‌آورد .

این "حدود رواداري" تغییرپذیری طبیعی ماده، ماشین و نیروی کار در آزمون آزمایشگاهی را مشخص می‌کند. به طور کلی در اندازه‌گیری کنترلی ورودی، ماده (بسپار) بزرگترین منبع تغییرپذیری نشان داده شده با این "حدود رواداري" است. [دو متغیر دیگر می‌توانند با بازبيني دوره‌ای "حدود رواداري" کارایی سنج‌افزار با یک استاندارد کالیبراسیون آزمایشگاهی پایدار (مانند LLDPE یا پلی‌پروپیلن) تحت کنترل درآورد هم‌چنان‌که در فرآیند ساخت ریومتر انجام می‌شود]. سپس اگر منحنی ریولوژی مربوط به بسپار مورد آزمون درون این تیوب قرار گرفت این ماده در تمام سرعت‌های برشی که در فرآوری با آن مواجه است درون محدوده مشخص شده برای بسپار خوب خواهد بود. اگر این منحنی یا هر بخشی از آن بیرون این "حدود" بیفتد ماده خارج از ویژگی فنی مورد نظر است. شیوه‌ای که منحنی از حدود خارج می‌شود، جهت، شیب یا شکل آن نشانه‌ای از این‌که چه تغییری در فرآورده‌ رخ خواهد داد فراهم می‌آورد. برای مثال اگر تغییری در وزن مولکولی متوسط (شاید در اثر تخریب یا شبکه‌ای شدن) صورت پذیرد کل منحنی به بالا یا پایین حرکت خواهد کرد . باریک‌تر شدن MWD منجر به ظاهر شدن یک "زانویی" یا تغییر سریع شیب می‌گردد درحالی‌که توزیع آن منجر به گستردگی منحنی می‌گردد.کل منحنی چرخیده است تا در شیب افزایش ایجاد شود. تغییراتی مشابه در منحنی ریولوژی می‌تواند به تغییر در برای مثال ترکیب آلیاژ یا میزان اصلاح کننده مربوط شود.

ممکن است بگویید " این واقعا جالب است اما چگونه می‌توان از آن استفاده کرد؟ فرد کارآزموده‌ای که این ریومتر مویین را راه بیندازد وجود ندارد و از آن کمتر یک ریولوژی‌دان است که نتایج را تفسیر نماید و من نمی‌توانم روی صندلی منتظر بمانم تا آزمایشگاه نتایج را تحویل دهد. باید هرچه سریع‌تر محصول بدست مشتری برسد".
به هر حال روش‌هایی تجربی جهت بکارگیری حدود روداري ریولوژیكي برای کنترل فرآیند و/یا تضمین کیفیت وجود دارد. نخستین گام در بکارگیری این مفهوم در ساخت می‌تواند استفاده از معیاری از خوب بودن برازش منحنی ریولوژی جهت دادن هشدار نسبت به تغییری در فرآورده باشد. سپس مقدار این شیب داده‌ها می‌تواند جهت تشخیص اولیه بکار رود. در نهایت ارزیابی کل منحنی توسط یک فرد با تجربه جهت رفع معضل بکار خواهد رفت. سرانجام تغییرپذیری مشاهده شده در ریولوژی فرآورده می‌تواند به متغیرهای فرآیندی که این تغییر را ایجاد کرده‌اند مربوط شود. این ارتباط‌ها سپس می‌توانند با نرم‌افزار پایه تجربی برای تشخیص خودکار و شاید درست کردن اشتباهات در فرآیند جهت بهبود پیوسته فرآورده بکار رود.

در مورد نرم‌افزار توضیح داده شده در بالا تولید وقت‌گیر داده‌ها به منظور فراهم کردن ورودی‌ها برای کنترل فرآیند لازم خواهد بود. این کار نیروی کار زیاد می‌خواهد و آزمایشگاه برای آن سرعت کافی نخواهد داشت. در بهترین حالت ممکن است یک نتیجه در هر نیم ساعت تولید شود. راهبردی جدید برای فراهم آوردن این داده‌ها با Rheo-Truder"" که یک سامانه ریومتر مویین می‌باشد فراهم شده است. این سنج‌ابزار از یک ریومتر مویین تشکیل شده که به یک اکسترودر تک مارپیچه وصل شده است تشکیل شده است . این سامانه که ممکن است در یک آزمایشگاه جای گیرد و از یک سامانه پنوماتيك برای نمونه‌گیری دانه‌ها یا پودرها و انتقال آنها به اکسترودر بهره ‌گیرد (سرعت نمونه‌گیری با یک آشکارساز در گلویی اکسترودر تنظیم می‌گردد). این اکسترودر در دمای آزمون تنظیم می‌شود و سپس بسپار را ذوب کرده و آن را به ریومتر منتقل می‌سازد. بسپار وارد شده به ریومتر پیستون را به سمت بالا هل می‌دهد تا با نیروسنج برخورد کند و آزمون را شروع کند. با پایین آمدن پیستون فشار افزایش یافته و شیر بین اکسترودر و ریومتر بسته می‌شود تا از پس زدن جریان جلوگیری شود. سپس ریومتر کار را با یک برنامه از پیش‌تنظیم شده در مورد سرعت‌های برشی ادامه می‌دهد تا منحنی جریان مورد نظر بدست آید. در انتهای آزمون حرکت پیستون متوقف می‌گردد و افت فشار حاصله به ریومتر فرمان می‌دهد تا موتور را به موقعیت "بالا" برگرداند. حال فشار پایین در دیواره استوانه‌ای با وارد کردن مذاب بسپاری جدید که پیستون را به بالا هل داده بود به شیر امکان باز شدن و آغاز یک چرخه آزمون جدید را می‌دهد. کل زمان یک چرخه در این سامانه به 1. زمان انتقال دانه به سامانه نمونه‌گیری (در حد چند ثانیه) 2. زمان اقامت اکسترودر (بسته به سرعت مارپیچ در حد چند دقیقه) 3. سرعت پر شدن دیواره استوانه‌ای (حدود 30 ثانیه) و 4. زمان آزمون ریومتر (بسته به تعداد و مقدار سرعت‌های برش مورد استفاده) بستگی دارد.



صدها آزمون با Rheo-Truder نشان می‌دهند که این سنج‌افزار نتایج بسیار تکرار‌پذیری بدست بدست می‌دهد که با اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی توافق بسیار خوبی دارد . به طور کلی دقت اندازه‌گیری‌ها بسیار بهتر از آنچه از آزمایشگاه بدست می‌آید.  بهبود در دقت از ذوب کامل، تعادل سریع و یکدست دمایی و فشردگی باثبات بسپار ناشی می‌شود.

یک ویژگی دیگر این سامانه آن است که از آن می‌توان برای کنترل فرآیند یا کیفیت در تولید بسپارهای پرشده (مانند الیاف شیشه) استفاده کرد. در حال حاضر سامانه‌های ریومتر بلادرنگ نمی‌توانند مورد استفاده قرار گیرند زیرا فرسایش پمپ منجر به انجام اندازه‌گیری‌های غیرصحیح می‌گردد. اما در Rheo-Truder فرسایش بیشتر محدود به مارپیچ اکسترودر است که در اندازه‌گیری درگیر نیست. ممکن است که مقداری فرسایش در لوله مویین صورت پذیرد به هر حال کاربید تنگستن مورد استفاده در تهیه این دای بسیار مقاوم نشان داده است (آزمایش‌های اولیه با PET پرشده با شیشه هیچ فرسایش قابل اندازه‌گیری پس از یک هفته کار کردن مداوم نشان نداد).
تولید منحنی‌ها شبیه آنچه پیشتر آمد که چند ده سرعت برشی را پوشش می‌دهد معمولا در حدود شش دقیقه طول می‌کشد. بنابراین 10-8 منحنی در ساعت در مقایسه با 3-2 در ساعت در آزمایشگاه بدست آید (اگر تنها یک یا دو سرعت برش اندازه‌گیری شود تا 20 انجام شود). این تعداد برای فراهم کردن نتایج منظم برای استفاده در کنترل فرآیند کافی است. پس بکارگیری "حدود رواداري" ریولوژیكي برای استفاده در QA و کنترل فرآیند عملی است.
جمع‌بندی
نشان داده شد که داده‌های ریولوژیکی بدست آمده تحت شرایط موجود در فرآیندهای شکل‌دهی بدست آمده برای پیش‌بینی و تضمین کارایی بسپارها در این فرآیندها لازم است. "حدود رواداري" ریولوژیكي که با تغییر σ3± گرانروی بسپار در بازه‌ای از سرعت‌های برشی که در یک فرآیند با آن مواجه می‌شود بدست می‌آید ابزاری برای تضمین فرآیندپذیری و ثبات خواص یک بسپار یا آلیاژ بسپاری فراهم می‌کند. کاربرد عملی "حدود رواداري" ریولوژیكي با سامانه ریومتر مویین خودکار Rheo-Truder ممکن شده است که اندازه‌گیری منظم توابع ریولوژیکی مورد نیاز جهت کنترل فرآیند فراهم می‌نماید.

واژه‌نامه
ریومتر مویین: Capillary Rheometer
آزمون سرعت جریان مذاب: Melt Flow Rate Test (MFR)
شاخص جریان مذاب: Melt Flow Index (MFI)
توزیع وزن مولکولی: Molecular Weight Distribution
پلی‌اتیلن کم چگالي: Low Density Polyethylene
پلی‌اتیلن کم چگالي خطی: Linear Low Density Polyethylene
پلی‌اتیلن کاتالیز شده با متالوسن: Metallocene Catalyzed Polyethylene
سامانه فرمان‌یار-هیدرولیک: Servo-Hydraulic System
مبدل فشار: Pressure Transducer
گرانروی بهنجار شده: Normal Viscosity
سامانه پنوماتيك: Pneumatic System 

برگردان: مهندس عباس شیخ
Abbas.sheikh@gmail.com