كل ما تحتاج إلى معرفته عن البلاستيك: الأنواع والخصائص والتطبيقات

قوالب الحقن هي أدوات تستخدم لإنتاج المنتجات البلاستيكية. قبل تصميم القالب، من الضروري فهم وإتقان خصائص البلاستيك بشكل كامل. فقط من خلال التعرف تمامًا على عملية تشكيل البلاستيك يمكن التحكم بدقة في أبعاد القالب والمنتجات البلاستيكية، مما يضمن تصميم قوالب عالية الجودة.

1.1 البلاستيك ومميزاته وعيوبه

1.1.1 ما هو البلاستيك؟

وفقًا للمعيار الوطني (GB/T2035-2008)، يُعرَّف البلاستيك بأنه مادة بوليمرية صناعية تتكون في المقام الأول من راتنجات عضوية صناعية، مع أو بدون إضافة مواد مركبة أخرى (مضافات). يمكن عادةً تشكيله في منتجات ذات شكل محدد في ظل ظروف الحرارة والضغط، ويظل هذا الشكل دون تغيير في درجة حرارة الغرفة.

يمكن استخدام بعض الراتنجات، مثل البولي إيثيلين والبوليسترين والنايلون، بشكل مباشر كبلاستيك. ومع ذلك، تتطلب معظم الراتنجات، مثل راتنج الفينولي وراتنج الأمينو وكلوريد البولي فينيل، إضافة بعض المواد المضافة قبل أن يمكن استخدامها كبلاستيك.

تتعدد استخدامات البلاستيك، كما تتميز منتجاته بتنوع كبير. فهناك أنواع عديدة من البلاستيك، ولكل منها خصائص مختلفة. ويمكن أن يوجد البلاستيك في أشكال زجاجية، أو مرنة، أو لزجة. ويتم تشكيله عمومًا باستخدام قوالب، مع طرق صب قياسية تشمل صب الحقن، وصب البثق، وصب النفخ، وصب الضغط، وصب النقل.

1.1.2 مزايا البلاستيك

تتضمن مزايا البلاستيك ما يلي:

1. سهولة المعالجة والتشكيل، ومناسبة للإنتاج الضخم الآلي بالكامل بتكلفة منخفضة

يمكن تشكيل البلاستيك إلى منتجات ذات أشكال هندسية معقدة، وتفوق كفاءة إنتاجه بكثير كفاءة معالجة المعادن. وخاصة بالنسبة للمنتجات البلاستيكية المصبوبة بالحقن، يمكن إنتاج حتى العناصر المعقدة للغاية في خطوة واحدة.

بفضل سهولة المعالجة والقدرة على الإنتاج الضخم بتكاليف معدات منخفضة نسبيًا، تعد المنتجات البلاستيكية فعالة من حيث التكلفة.

2. ألوان قابلة للتخصيص ومنتجات شفافة

يمكن تلوين البلاستيك بسهولة لإنشاء منتجات نابضة بالحياة أو ملونة أو شفافة. مزج أنواع مختلفة من البلاستيكيمكن أيضًا تصنيع منتجات ذات تأثير لؤلؤي، مما يعزز قيمتها المضافة بشكل كبير ويمنحها مظهرًا جديدًا ومشرقًا.

3. خفيف الوزن مع قوة نوعية عالية

تتمتع معظم المواد البلاستيكية بكثافة مماثلة لكثافة الماء، أي ما يقرب من 1.0 جم/سم3. وبالمقارنة بالمعادن والسيراميك، فهي خفيفة الوزن. وعلى الرغم من أن القوة الميكانيكية للمواد البلاستيكية ليست عالية مثل المعادن أو السيراميك، فإن قوتها النوعية (نسبة القوة إلى الكثافة) عالية نسبيًا، مما يتيح إنتاج منتجات خفيفة الوزن وعالية القوة. وعلاوة على ذلك، فإن ملء المواد البلاستيكية بألياف زجاجية يمكن أن يعزز قوتها ومقاومتها للتآكل بشكل كبير.

4. مقاوم للصدأ والتآكل

لا تصدأ المواد البلاستيكية مثل المعادن ولا تتآكل عند تعرضها للمواد الكيميائية. كما أنها مقاومة للأحماض والقلويات والأملاح والزيوت والمواد الكيميائية والرطوبة والعفن، مما يجعلها شديدة التحمل في بيئات مختلفة.

5. موصلية حرارية منخفضة وعزل ممتاز

تتمتع المواد البلاستيكية بسعة حرارية نوعية عالية وموصلية حرارية منخفضة، مما يجعلها موصلات رديئة للحرارة. ونتيجة لذلك، فإنها توفر عزلًا حراريًا ممتازًا واحتباسًا للحرارة.

6. مناسب للتطبيقات الموصلة والعازلة

تعتبر المواد البلاستيكية مواد عازلة جيدة بطبيعتها. ولا يوجد اليوم أي مكون كهربائي تقريبًا لا يستخدم البلاستيك. ومن خلال ملء البلاستيك بمساحيق أو شظايا معدنية، يمكن أيضًا تصنيع منتجات موصلة ذات أداء ممتاز.

7. امتصاص الصدمات بشكل متفوق، وتقليل الضوضاء، ونقل الضوء

تتمتع المواد البلاستيكية بخصائص ممتازة في امتصاص الصدمات وتقليل الضوضاء. ويمكن للمواد البلاستيكية الشفافة (مثل PMMA وPS وPC) إنتاج منتجات دقيقة مثل العدسات واللافتات والأغطية.

1.1.3 عيوب البلاستيك

تشمل عيوب البلاستيك ما يلي:

1. ضعف مقاومة الحرارة وقابلية الاشتعال: من أبرز عيوب البلاستيك. فمقارنة بالمعادن والسيراميك، فإن مقاومته للحرارة أقل بكثير؛ فهو يتشوه عند درجات حرارة أعلى قليلاً ويميل إلى الاحتراق. ويمكن لمعظم البلاستيك أن ينتج حرارة ودخانًا وغازات سامة عند الاحتراق. وحتى الراتنجات الصلبة بالحرارة تنبعث منها الدخان وتبدأ في التقشر عند تجاوز درجة الحرارة 200 درجة مئوية.

2. تتغير الخصائص مع تغيرات درجة الحرارة ليس فقط في درجات الحرارة المرتفعة ولكن حتى في درجات الحرارة المنخفضة، حيث يمكن للعديد من خصائص البلاستيك أن تتغير.

3. قوة ميكانيكية منخفضة: بالمقارنة مع المعادن من نفس الحجم، تتمتع المواد البلاستيكية بقوة ميكانيكية أقل بكثير. ويظهر هذا الاختلاف بشكل خاص في المنتجات البلاستيكية ذات الجدران الرقيقة.

4. قابل للتآكل بمذيبات ومواد كيميائية معينة: بشكل عام، لا تتسبب المواد الكيميائية في تآكل البلاستيك بسهولة. ومع ذلك، فإن بعض المواد البلاستيكية، مثل البولي كربونات، والأكريلونتريل بوتادين ستايرين، تتآكل بسهولة بمذيبات ومواد كيميائية معينة وتتمتع بمقاومة ضعيفة. بشكل عام، تعمل الراتنجات الصلبة بالحرارة بشكل أفضل وهي أقل عرضة للتآكل.

5. ضعف مقاومة الطقس والشيخوخة: لا تتمتع المواد البلاستيكية بالمتانة أو اللمعان السطحي أو الشفافية، كما أنها تظهر زحفًا تحت الحمل. بالإضافة إلى ذلك، فإن جميع المواد البلاستيكية عرضة للتعرض للأشعة فوق البنفسجية وأشعة الشمس وتتقدم في العمر بسرعة تحت ظروف الضوء والأكسجين والحرارة والماء والظروف الجوية.

6. تتلف بسهولة وتتعرض للتلوث بالغبار والأوساخ: تتمتع المواد البلاستيكية بصلابة سطحية منخفضة نسبيًا وتتعرض للتلف بسهولة. علاوة على ذلك، نظرًا لكونها مواد عازلة، فإنها تحمل الكهرباء الساكنة، مما يجعلها عرضة لجذب الغبار.

7. ضعف الاستقرار البعدي: بالمقارنة مع المعادن، تتمتع المواد البلاستيكية بمعدل انكماش مرتفع وتتأثر بسهولة بمعلمات عملية القولبة بالحقن. وينتج عن هذا تقلبات كبيرة يصعب التحكم فيها، مما يقلل من دقة أبعاد المنتجات البلاستيكية المصبوبة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمنتجات البلاستيكية امتصاص الرطوبة أثناء الاستخدام، وعندما تحدث تغيرات في درجات الحرارة، تكون أبعادها عرضة للتغيير بمرور الوقت.

1.2 تركيب البلاستيك

إن المكون الرئيسي للبلاستيك هو مجموعة متنوعة من الراتنجات، والتي هي عبارة عن بوليمرات. ومع ذلك، فإن البلاستيك والبوليمرات ليست هي نفسها. غالبًا ما لا تستطيع البوليمرات النقية تلبية متطلبات المعالجة والصب والاستخدام العملي. لا تُستخدم بشكل عام بمفردها ولكنها تكتسب قيمة صناعية فقط عند دمج المواد المضافة. تجمع المواد البلاستيكية بين ReResinith الاصطناعي مع إضافات مختلفة (عوامل مساعدة) كمكون أساسي. تعد ReResine الاصطناعية هي الخصائص الأساسية للمنتجات البلاستيكية. دورها هو ربط المواد المضافة المختلفة في كل متماسك. يتم دمج المواد المضافة لتحسين أداء معالجة البلاستيك وصبّه، وتعزيز خصائص المنتج النهائي، أو تقليل تكاليف الإنتاج.

تحتوي المواد البلاستيكية على العديد من المواد المضافة، مثل الحشوات، والمُلينات، والملونات، والمثبتات، وعوامل المعالجة، ومضادات الأكسدة. وفي حين يلعب الراتينج دورًا حاسمًا في أداء البلاستيك، فلا يمكن إغفال مساهمة المواد المضافة. فهي تشكل معًا النظام المادي الكامل المستخدم في البلاستيك.

1.2.1 الراتنجالإسين هو بوليمر يلين عند تسخينه ويميل إلى التدفق تحت تأثير القوى الخارجية. وهو المكون الأكثر أهمية في البلاستيك ويعمل كمادة رابطة، ويسمى أيضًا مادة لاصقة. يحدد الراتينج نوع وخصائص البلاستيك الأساسية، بما في ذلك الخصائص الحرارية والفيزيائية والكيميائية والميكانيكية والكهربائية.

1.2.2 المواد المضافة

(1) الحشوات

الحشوات، المعروفة أيضًا باسم عوامل التعزيز، هي مكونات أساسية في البلاستيك، على الرغم من أنها ليست ضرورية لكل نوع. وهي عادةً مواد خاملة ومسحوقة. تُضاف الحشوات إلى البلاستيك لتحسين أداء الصب والمعالجة، وتعزيز خصائص المنتج المحددة، وإضفاء خصائص جديدة، وخفض التكاليف.

على سبيل المثال، يؤدي إضافة مسحوق الخشب إلى ReResine الفينولي إلى تقليل الهشاشة والتكاليف. كما أن إضافة حشوات الكالسيوم إلى راتنجات البولي إيثيلين وكلوريد البولي فينيل يؤدي إلى إنشاء بلاستيك صلب مقاوم للحرارة ومنخفض التكلفة يعتمد على الكالسيوم. كما تعمل الألياف الزجاجية كحشو على تعزيز الخصائص الميكانيكية للبلاستيك بشكل كبير. ويمكن لبعض الحشوات أن تزود البلاستيك بخصائص غير موجودة في ReResin، مثل التوصيل أو المغناطيسية أو التوصيل الحراري.

يمكن تصنيف الحشوات على أنها غير عضوية أو عضوية ومتوفرة في ثلاثة أشكال: مسحوقة، وليفية، ومتقشرة. بودرة تشمل الحشوات مسحوق الخشب واللب والرخام والتلك والميكا والأسبستوس والجرافيت. تشمل الحشوات الليفية القطن والكتان والألياف الزجاجية وألياف الأسبستوس وألياف الكربون وألياف البورون والشعيرات المعدنية. تشمل الحشوات المتقشرة الورق والقطن والكتان والقماش الزجاجي. تشكل الحشوات عمومًا أقل من 40% من التركيب الإجمالي للبلاستيك.

تعمل الحشوات ذات الأشكال الكروية أو المكعبة عادةً على تحسين أداء عملية التشكيل والمعالجة، ولكنها تؤدي إلى انخفاض القوة الميكانيكية، في حين أن الحشوات ذات الشكل الرقائقي لها التأثير المعاكس. فكلما كانت جزيئات الحشو أدق، كلما تحسنت صلابة المنتجات البلاستيكية ومقاومتها للصدمات وقوة الشد واستقرارها ومظهرها.

(2) المواد الملينة

تعتبر المواد الملينة مركبات عضوية منخفضة التقلب وعالية الغليان ومتوافقة مع الراتنجات. فهي تزيد من اللدونة والمرونة، وتحسن أداء الصب، وتقلل من الصلابة والهشاشة. كما أنها تقلل من القوى بين الجزيئات داخل البوليمرات، مما يجعل جزيئات الراتنج أكثر قدرة على الحركة ويسمح للبلاستيك بأن يصبح أكثر مرونة وقابلية للانثناء في درجات حرارة أقل.

على سبيل المثال، يؤدي إضافة فثالات ثنائي البوتيل إلى راتنج كلوريد البولي فينيل إلى تحويله إلى بلاستيك ناعم يشبه المطاط. ومع ذلك، في حين تعمل الملدنات على تحسين أداء صب ومعالجة البلاستيك، إلا أنها قد تقلل أيضًا من خصائص معينة مثل الاستقرار والأداء العازل والقوة الميكانيكية. لذلك، يجب تقليل كمية الملدنات المضافة قدر الإمكان، والعديد من المواد البلاستيكية لا تتطلب ملدنات.

متطلبات الملدنات:

1. توافق جيد مع ReResinLow التقلب المنخفض، مما يمنعه من التسرب من المنتجات البلاستيكية.
2. غير سامة، عديم اللون والرائحة.
3. مستقرة عند التعرض للضوء والحرارة.
4. غير ماص للرطوبة.

تشتمل المواد الملدنة المستخدمة بشكل شائع على فثالات الديبوتيل (DBP) وفثالات ثنائي أوكتيل (DOP) والكافور.

(3) الملونات

معظم الراتنجات الصناعية بيضاء بشكل طبيعي وشبه شفافة أو عديمة اللون وشفافة. غالبًا ما تُضاف المواد الملونة أثناء الإنتاج الصناعي لإنتاج منتجات بلاستيكية بمجموعة متنوعة من الألوان المرغوبة لتغيير اللون الأصلي للراتنج R وتحقيق منتجات نابضة بالحياة وممتعة من الناحية الجمالية. يمكن لبعض المواد الملونة أيضًا تعزيز ثبات الضوء والحرارة للبلاستيك. على سبيل المثال، يمكن أن يساعد تلوين البلاستيك الطبيعي من البولي أوكسي ميثيلين بالكربون الأسود في منع الشيخوخة الضوئية.

تنقسم المواد الملونة بشكل رئيسي إلى أصباغ وأصباغ. الأصباغ هي مواد ملونة لا تذوب في المذيبات الشائعة وتتطلب طرقًا ميكانيكية لتوزيعها بالتساوي في البلاستيك لتحقيق تأثير التلوين المطلوب. يمكن تصنيف الأصباغ إلى أنواع عضوية وغير عضوية. تتمتع الأصباغ غير العضوية بثبات حراري وضوئي ممتاز وهي غير مكلفة نسبيًا ولكنها تتمتع بقوة تلوين أقل وكثافة أعلى (على سبيل المثال، قرمزي الصوديوم، والأصفر الكبريتي الإندوليني، والأزرق الصبغي، والأسود الكربوني).
تتمتع الأصباغ العضوية بقوة تلوين عالية وألوان زاهية ونطاقات ألوان كاملة وكثافات أقل. ومع ذلك، تشمل عيوبها مقاومة أقل للحرارة ومقاومة للطقس وعتامة مقارنة بالأصباغ غير العضوية (على سبيل المثال، الأصفر الكرومي، وأكسيد الكروم، ومسحوق الرصاص). الأصباغ هي مركبات عضوية تذوب في معظم المذيبات ويمكن استخدامها لتلوين البلاستيك. وهي توفر مزايا مثل الكثافة المنخفضة وقوة التلوين العالية والشفافية الجيدة، ولكن هياكلها الجزيئية الصغيرة غالبًا ما تؤدي إلى الهجرة أثناء التلوين (على سبيل المثال، الأزرق المذيب).

متطلبات المواد الملونة: يجب أن تتمتع المواد الملونة بقوة تلوين قوية، وتوافق جيد مع الراتنجات، وأن تكون مستقرة كيميائيًا دون التفاعل مع المكونات الأخرى في البلاستيك. يجب أن تقاوم التدهور وتغير اللون أثناء التشكيل تحت درجات حرارة وضغوط متفاوتة وأن تحافظ على الاستقرار طوال الاستخدام الطويل الأمد للمنتجات البلاستيكية.

لتحقيق هذه المتطلبات وضمان التلوين الأمثل، آلات ماسترباتش ملونة تلعب هذه الآلات دورًا حاسمًا في عملية تلوين البلاستيك. تقيس هذه الآلات بدقة وتوزع الصبغات والأصباغ بالتساوي، مما يضمن تأثيرات اللون المرغوبة في المنتجات البلاستيكية. بالنسبة للأصباغ غير القابلة للذوبان، وخاصة غير العضوية، تتغلب أنظمة الخلط الفعّالة لآلات خلط الألوان على تحديات التشتت، وتحقق تلوينًا موحدًا. بالإضافة إلى ذلك، تعمل ميزات التحكم في درجة الحرارة على حماية الأصباغ والأصباغ العضوية من التدهور وتغير اللون أثناء المعالجة في درجات حرارة عالية، مما يحافظ على استقرار وجودة المنتجات البلاستيكية الملونة.

(4) المثبتات

أثناء المعالجة والاستخدام، قد تخضع الراتنجات للشيخوخة، والمعروفة أيضًا باسم التدهور. يشير التدهور إلى التفاعلات التي تنكسر فيها السلاسل الجزيئية للبوليمر، أو يتغير بنيته الكيميائية سلبًا تحت تأثير الحرارة أو القوة أو الأكسجين أو الماء أو الضوء أو الإشعاع. تُضاف المثبتات إلى البوليمرات للحفاظ على خصائصها الكيميائية ومنع التدهور أو التشابك الناجم عن عوامل خارجية مثل الحرارة والضوء والأكسجين والعفن.

يتم تصنيف المثبتات حسب وظائفها، بما في ذلك المثبتات الحرارية، ومثبتات الضوء، ومضادات الأكسدة:

1. يعمل التثبيت الحراري على منع التدهور الحراري أثناء صب البلاستيك، مما يضمن المعالجة السلسة والجودة العالية للمنتج. تُستخدم مركبات القصدير العضوية، التي تعد غير سامة ولكنها باهظة الثمن، بشكل شائع في بلاستيك البولي فينيل كلوريد.
2. تعمل مثبتات الضوء على منع التدهور وفقدان الأداء في المواد البلاستيكية بسبب ضوء الشمس أو الضوء الاصطناعي أو الإشعاع عالي الطاقة. تشمل الأنواع الشائعة ماصات الأشعة فوق البنفسجية (مثل إسترات حمض البنزويك) وعوامل حجب الضوء (مثل الكربون الأسود).
3. مضادات الأكسدة: تعمل هذه المواد على منع الأكسدة والتحلل في المواد البلاستيكية عند درجات الحرارة المرتفعة. وغالبًا ما تُستخدم المركبات العضوية القائمة على الفينول والأمين كمضادات للأكسدة.

تتطلب معظم المواد البلاستيكية مثبتات، تمثل 0.3% إلى 0.5% من إجمالي المواد. متطلبات المثبتات: يجب أن تكون المثبتات متوافقة مع الراتنجات، وتثبت البوليمرات بشكل فعال، وتقاوم الماء والزيت والتآكل الكيميائي. كما يجب ألا تتحلل أثناء التشكيل، وأن تكون ذات تقلب منخفض، ولا تؤثر على لون البلاستيك.

(5) عوامل المعالجة

تُستخدم عوامل المعالجة أو المقويات أو عوامل الربط المتقاطع في تشكيل البلاستيك الصلب بالحرارة. تتطلب الهياكل البوليمرية الخطية في الراتنجات الاصطناعية تفاعلات ربط متقاطع للتحول إلى شبكة بوليمر ثلاثية الأبعاد، وتسهل عوامل المعالجة هذه التفاعلات. على سبيل المثال، يُضاف إيثيلين ديامين وثلاثي إيثانول أمين عادةً إلى راتنجات الإيبوكسي.

يمكن دمج إضافات أخرى، مثل عوامل الرغوة، ومثبطات اللهب، والعوامل المضادة للكهرباء الساكنة، والعوامل الموصلة، والعوامل المغناطيسية، في البلاستيك حسب المتطلبات. على سبيل المثال، تعمل مثبطات اللهب على تقليل قابلية اشتعال البلاستيك، وتنتج عوامل الرغوة بلاستيك رغوي، وتوفر العوامل المضادة للكهرباء الساكنة موصلية معتدلة للقضاء على الكهرباء الساكنة. يعتمد اختيار المواد المضافة وأنواعها على نوع البلاستيك ومتطلبات التطبيق المحددة للمنتج البلاستيكي.

1.3.تصنيف البلاستيك