فرآیند تولید فوم پلی اتیلن :
مراحل بالا در فرآیند کف کردن سلول بسته در سطح مولکولی مشاهده می شود :
انحلال گاز : گاز در پلیمر مذاب پخش می شود تا زمانی که اشباع شود و یک محلول پلیمر-گاز تک فاز تشکیل می دهد. بسیار مهم است که گاز در ماتریس پلیمری مذاب حلالیت کافی داشته باشد.
هسته سلولی حد حلالیت گاز در ماتریس پلیمری با افزایش ناگهانی دما یا کاهش فشار کاهش می یابد.
ناپایداری ترمودینامیکی مخلوط در طی این فرآیند منجر به جداسازی فازی گاز محلول و پلیمر مذاب می شود و هسته های سلولی را در ماتریکس تشکیل می دهند. هسته های سلولی به تکثیر خود ادامه می دهند.
رشد سلولی رشد سلولی در شرایط کنترل شده انجام می شود. اندازه سلول ها به دلیل انتقال حرارت و جرم ترکیبی گاز افزایش می یابد. گاز به طور مداوم در داخل سلول ها منبسط می شود، بنابراین حجم ماتریس افزایش می یابد و کف تولید می شود. سلول ها تا رسیدن به حجم مورد نظر اجازه دارند منبسط شوند.
پایداری سلول : در مرحله هسته شدن و رشد سلولی، فوم از نظر ترمودینامیکی ناپایدار است. تشکیل سلول ها انرژی آزاد محلول پلیمر-گاز را افزایش می دهد که با محیط ناپایدار است. روش های مختلفی برای تثبیت فوم ها وجود دارد. افزودن سورفکتانت ها انرژی آزاد کف را کاهش می دهد. ویسکوزیته سطح آن را افزایش می دهد و در نتیجه کف را تثبیت می کند. خنک شدن نیز به تثبیت کف کمک می کند. پس از این مرحله اکنون فوم دارای ساختار سلولی توخالی قوی و بادوام است.
مواد اولیه اصلی مورد استفاده در تولید فوم های پلی اتیلن عبارتند از:
رزین های پلی اتیلن
رزین پلی اتیلن جزء اصلی در تولید فوم های پلی اتیلن است. رایج ترین انواع رزین های پلی اتیلن با چگالی کم (LDPE) و پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) هستند. فوم های LDPE به دلیل سبکی، کشسانی، مقاومت در برابر آب و مقرون به صرفه بودن شناخته شده اند. در مقابل، فوم های HDPE استحکام و دوام بیشتری را ارائه می دهند. در طی فرآیند تولید فوم، این رزین ها ذوب شده و با عوامل و افزودنی هایی ترکیب می شوند که خواص اصلی پلی اتیلن را تغییر می دهند.
عوامل دمنده (یا عوامل کف کننده)
یک عامل دمنده برای تهیه گاز لازم برای ایجاد ساختارهای سلولی ظریف در ماتریس پلی اتیلن بسیار مهم است. دمنده ها به دو دسته دمنده شیمیایی و فیزیکی تقسیم می شوند:
عوامل دمنده شیمیاییگاز مورد نیاز برای فرآیند کف کردن را از طریق تجزیه حرارتی یا واکنش شیمیایی یک عامل دمنده واکنشی آزاد می کنند. گاز با ماتریس پلی اتیلن واکنشی ندارد. عوامل دمنده واکنشی ممکن است یک واکنش گرماگیر یا گرمازا از خود نشان دهند و معمولاً گاز نیتروژن یا دی اکسید کربن تولید می کنند.
عوامل دمنده آلی برای تقویت فرآیند کف کردن شناخته شده اند زیرا دائماً گاز قابل پخش تولید می کنند. آنها همچنین حباب هایی با اندازه یکنواخت می سازند.
برخی از نمونه‌های دمنده‌های شیمیایی عبارتند از: آزودی‌کربن آمید (گرماداز)، بی‌کربنات سدیم (گرم‌گیر)، کربنات روی (گرم‌آب)، و آسیل‌هیدرازید (تجزیه حرارتی).
مواد دمنده فیزیکی به صورت گازی هستند. آنها مستقیماً به مذاب پلی اتیلن وارد می شوند. نمونه هایی از عوامل دمنده فیزیکی عبارتند از دی اکسید کربن، نیتروژن، آرگون، آب، هوا و کلروفلوئوروکربن ها.
دانه های قابل گسترش از یک پلیمر رزین اکریلیک گرمانرم با ریزذرات کروی توخالی در هسته خود تشکیل شده اند. همانطور که مهره ها گرم می شوند و فشار آنها کاهش می یابد، با رزین پلی اتیلن منبسط می شوند و به یک اثر کف کنندگی عالی می رسند.
تکنیک های رایج کف سازی ترموپلاستیک مورد استفاده در تولید فوم های پلی اتیلن عبارتند از:
فومینگ دسته ای
فوم کردن دسته ای برای دوره های تولید کوچک و برای آزمایش فرمولاسیون فوم جدید که ممکن است با سیستم های فوم مداوم امکان پذیر نباشد ایده آل است. به طور معمول در اتوکلاو و مجموعه ای از حمام های حرارتی انجام می شود، فوم دسته ای معمولاً هزینه کمتری دارد و سریعتر راه اندازی می شود.
فوم دسته ای را می توان بر اساس روش القایی به دو نوع طبقه بندی کرد:
فوم دسته ای ناشی از فشار
در فوم کردن دسته ای ناشی از فشار، رزین پلی اتیلن مذاب با یک عامل دمنده در داخل اتوکلاو فشار بالا اشباع می شود. پس از اشباع، فشار به سرعت با باز کردن دریچه تخلیه ظرف به سطح اتمسفر کاهش می یابد. این کاهش سریع فشار باعث ایجاد هسته و رشد سلولی می شود. سپس فوم به حجم مورد نظر منبسط می شود و برای تثبیت سلول ها یا توسط هوا یا یک حلال خنک می شود.
اکستروژن فوم
اکستروژن فوم یک فرآیند پیوسته است که برای تولید فوم هایی با سطح مقطع یکنواخت مانند ورق ها، میله ها و لوله ها استفاده می شود. در این فرآیند، گلوله های پلی اتیلن و مواد افزودنی از یک قیف به داخل بشکه یک اکسترودر فوم که دارای مناطق گرمایشی متعدد است، وارد می شود. عامل دمنده به پلی اتیلن مذاب یا در قیف یا در نقطه خاصی از بشکه وارد می شود. همانطور که رزین پلی اتیلن در داخل بشکه ذوب می شود، پیچ اکسترودر فشار بالایی را اعمال می کند تا مذاب را از داخل بشکه عبور دهد و از قالب اکسترودر خارج شود. افت فشار ناگهانی در هنگام خروج مذاب از قالب باعث ایجاد هسته و رشد سلولی می شود. سرعت پیچ، سرعت تخلیه و دمای بشکه به دقت کنترل می شود تا نتایج بهینه حاصل شود. پس از تشکیل سلول، فوم خنک شده، تثبیت می شود و سپس بیشتر پردازش می شود، مانند برش.
اکستروژن فوم برای تولید در مقیاس بزرگ ایده آل است.
اکستروژن فوم بسته به نوع عامل دمنده مورد استفاده می تواند به عنوان یک فرآیند کف سازی فیزیکی یا شیمیایی طبقه بندی شود:
فوم اکستروژن فیزیکی شامل تزریق و انحلال یک سیال فوق بحرانی، معمولاً دی اکسید کربن یا نیتروژن، در مذاب پلی اتیلن در نقطه خاصی از بشکه است. سیال فوق بحرانی سیال بسیار فشرده ای است که دارای خواص مایع و گاز است. این مایع ویسکوزیته مذاب را کاهش می دهد. به دلیل فشار زیاد داخل بشکه از هسته شدن مذاب جلوگیری می شود. هسته و رشد سلولی پس از خروج فوم از اکسترودر اتفاق می افتد.
در فوم اکستروژن شیمیایی ، عامل دمنده همراه با گلوله های پلی اتیلن و مواد افزودنی در قیف وارد می شود. ماده دمنده در داخل بشکه به دلیل دمای بالای مذاب به صورت حرارتی تجزیه می شود. دمای مذاب باید آنقدر بالا باشد که ماده دمنده کاملاً تجزیه شود. در غیر این صورت، عامل دمنده تجزیه نشده، آگلومراهایی را تشکیل می دهد که می تواند فیلتر مذاب را مسدود کند یا باعث ایجاد حفره در ساختار فوم شود. تجزیه ناقص همچنین می تواند به مورفولوژی سلولی و کیفیت سطح ضعیف منجر شود. فشار بشکه نیز باید به اندازه ای باشد که گازهای آزاد شده را تا زمان خروج از قالب اکسترودر در محلول نگه دارد.
قالب گیری تزریقی فوم
قالب گیری تزریقی فوم یک فرآیند کف سازی در مقیاس بزرگ و در حالت دسته ای است. مشابه اکسترودرهای فوم، دستگاه قالب گیری تزریق فوم دارای یک بشکه با مناطق گرمایش، یک پیچ رفت و برگشتی و مکانیسم هایی برای تغذیه رزین و عامل دمنده است. عامل دمنده یا در قیف (برای عوامل دمنده شیمیایی) یا در یک نقطه خاص در بشکه (برای عوامل دمنده فیزیکی) به مذاب پلی اتیلن وارد می شود. مذاب با فشار و سرعت کافی تا رسیدن به نازل تزریق می شود. به محض خروج از نازل، مذاب دچار افت فشار ناگهانی می شود که باعث ایجاد هسته و رشد سلولی می شود که حفره های قالب را پر می کند. فوم متناسب با قالب منبسط می شود، برای مدت زمان مشخصی در جای خود باقی می ماند و پس از باز شدن نیمه های قالب از بین می رود. هر گونه مواد اضافی در اطراف محصول فوم بریده می شود. این فرآیند برای پاسخگویی به نیازهای تولید تکرار می شود.
قالب‌گیری تزریقی فوم امکان تولید فوم‌هایی با اشکال پیچیده و ابعاد دقیق را فراهم می‌کند، اگرچه می‌تواند هزینه‌های قابل توجهی برای ابزار و انرژی داشته باشد
