TPE Hardness

چه پارامترهایی بر سختی یک TPE یا TPV اثر دارند و چه روش هایی برای ارزیابی آن وجود دارد؟

اگر در مقام یک مدیر پروژه برای انتخاب مواد اولیه لازم به منظور تولید یک قطعه معین به این جمع بندی برسیم که یک TPE یا TPV برآورده کننده الزامات قطعه مورد نظر است، آنگاه یکی از معیارهای انتخاب ما سختی قطعه مورد نظر است. از جمله دیگر معیارهای مهم که در مقدمه این بخش اشاره کوتاهی به آن ها می کنیم و سپس به موضوع اصلی باز می گردیم، می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • خواص مکانیکی مورد نیاز در چه محدوده ای لازم است؟
  • دمای کاربری قطعه در چه بازه ای نوسان می کند؟
  • آیا قطعه مورد نظر با محیط شیمیایی خاصی در تماس است؟
  • روش شکل دهی و تولید قطعه چگونه است؟
  • سایر خواص فیزیکی و شیمیایی مورد نیاز چه چیزهایی است؟
  • کاربری مورد نظر دقیقا به یک TPE نیاز دارد یا TPV؟ و آیا اگر TPV نیاز داریم، واقعا TPV خرید کرده ایم؟

جمع پرسش های بالا و مواردی از این دست می تواند ما را در انتخاب گرید مناسب کاربری مدنظرمان راهنمایی کند. همانطور که در بخش قبلی که لینک آن برای مطالعه مجدد شما در ادامه قرار داده شده است، با اجزای اصلی فرمولاسیون یک TPE آشنا شدیم، باید بگوییم سختی گرید مورد نظر در نتیجه نوع و غلظت هر یک از اجزا به کار رفته در تولید TPE مورد نظر است.

یک TPE شامل چه اجزایی است؟ لینک شود.

حال فرض کنیم TPE مناسب را خریداری کردیم و تامین کننده ای این ماده را در اختیار ما قرار داده است که به کمک خطوط پیشرفته و دانش فنی بالایی گرید مورد نظر را به صورتی تولید کرده است که سختی نامی آن برای مدت ها ثابت خواهند ماند و اجزای به کار رفته در آن، بخصوص بخش روغن، مهاجرتی به سطح نخواهند کرد. می خواهیم ببینیم واحدهای ارزیابی کننده سختی چه ارتباطی با یکدیگر دارند و نرمترین TPE تولیدی در چه محدوده ای قرار می گیرد.

برای اندازه گیری سختی از استانداردهای مختلفی همچون ASTM D2240 استفاده می شود. بر اساس شکل فیزیکی Tip دستگاه اندازه گیری دو یکای Shore D و Shore A برای اعلام سختی در قالب یک عدد به کار می روند. به صورت کلی به دلیل نوع Tip، Shore D برای گریدهای سخت تر و Shore A برای گریدهای نرمتر به کار می رود. به صورت معمول شرکت های تولید کننده TPE گریدهایی از 20 Shore A تا 50 Shore D عرضه می کنند. اما با توجه به پتانسیل بسیار بالای استفاده از TPE ها در کاربردهای مختلف، امروزه شرکت های پیشرویی چون کرایبورگ، گریدهایی تولید می کنند که از محدوده Shore A نیز نرم تر بوده و باید سختی این گریدها را به کمک Shore 00 یا VLRH (Very Low Rubber Hardness) ارزیابی کرد. تصویر زیر ارتباط حدودی معیارهای مختلف سختی را با یکدیگر به صورت کلی نشان می دهد و باید در نظر داشت این اعداد و متناظرهایشان تقریبی است.

TPE Hardness

باید اعتراف کرد تولید یک TPE مهندسی اصلا کار راحتی نیست و حال آنکه تنظیم سختی آن در محدوده Shore 00 کار بسیار سخت تری است. تنها شرکت هایی چون کرایبورگ که خطوط پیشرفته و دانش روز را در این حوزه در اختیار دارند، از پس این کار بر می آیند. امروزه کرایبورگ برای کاربری های لوازم خانگی و شخصی TPE هایی ارائه می کند که سختی در محدوده پوست انسان، 30-50 Shore 00 دارند. این گریدها می توانند تمامی الزامات قرار گیری در تماس با پوست انسان را برآورده کنند، شفاف باشند و در رنگ های متنوع عرضه شوند.

کاربرد TPE

راهکارهای افزایش کیفیت در تزریق TPE ها به کمک فناوری Overmolding

در بخش قبلی که لینک آن در ادامه قرار داده شده است، با فناوری Overmolding و چرایی استفاده از TPE ها در این روش صحبت کردیم. با این بخش در ارتباط با نکات کلیدی که به ما کمک می کنند تا کیفیت قطعات تولیدی با این روش را ارتقا دهیم، همراه باشید.

مهمترین نکته در انتخاب گرید مناسب TPE برای Overmolding، توجه مهندسی به پلیمر پایه ای است که فرایند Overmolding روی آن انجام می شود. نکاتی همچون ساختار شیمیایی پلیمر پایه، حضور نرم کننده و تقویت کننده ها در آن می تواند بر عملیات Overmolding تاثیر بگذارد. تقریبا می توان گفت برای هر پلیمر، از جمله PP, ABS, PC, PA, PS, POM,… …، به گرید ویژه ای از TPE نیاز است. طراحی قطعه باید به گونه ای باشد که ضخامت یکنواخت و کافی ( حداقل 3 mm) TPE روی بستر اصلی قرار گیرد و اثر آبرفتگی نیز در نظر گرفته شود. همچنین تا حد ممکن به منظور جلوگیری از ایجاد تمرکز تنش، بایستی از طراحی گوشه هایی با زاویه تند اجتناب کرد. از طرفی تا حد ممکن در کنار انتخاب TPE با چسبندگی کافی، به کمک طراحی مکانیکی و استفاده از دندانه ها و برجستگی ها به افزایش استحکام چسبندگی باید کمک کرد.

همانند دیگر روش های تزریق بایستی در طراحی قالب TPE های مورد استفاده در Overmolding نهایت دقت صورت گیرد و انتخاب جنس قالب، طراحی قطعه و ضخامت در نقاط مختلف، انتخاب Runner, Gate, Vent بر اساس خصوصیات فرایندی گرید TPE انتخابی باشد. در صورتیکه TPE خریداری شده بی رنگ است و نیاز به تولید قطعات رنگی وجود دارد، در انتخاب مستربچ رنگی نیز بایستی دقت کافی صورت گیرد. چرا که کوچکترین برهمکنشی میان رنگدانه های مستربچ یا اثر پلیمر حامل رنگدانه با TPE، می تواند استحکام چسبندگی را تهدید کند. در بیشتر مواقع بایستی مستربچ های پایه EVA را تهیه و استفاده نمود.

Overmolding

در صورتیکه از نظر حجم سرمایه گذاری محدودیتی وجود نداشته باشد، بهترین گزینه برای تولید قطعات Overmold شده با کیفیت، استفاده از دستگاه های تزریق Multi Injection و در واقع تزریق همزمان دو جزء است. اما در صورتیکه این کار ممکن نیست و روش تزریق جداگانه و قرار دادن قطعه در قالب Overmold انتخاب شود ( روش Insert Molding) به منظور تولید قطعات با کیفیت بایستی نکات زیر را مدنظر قرار داد:

  • جلوگیری از ایجاد هر گونه آلودگی و تجمع ذرات آلوده کننده روی سطح قطعات تولید شده و درون قالب
  • عدم استفاده از اسپری های سیلیکونی به منظور جدا کردن راحت تر قطعات از قالب
  • عدم حرارت دهی قطعه پایه و قرار دادن آن در قالب ( این نکته برای هر قطعه بایستی آزمون شود و در برخی موارد به دلیل تغییر خواص سطحی پلیمر، اثر معکوس دارد.)

کاربرد TPE

در آخرین نکته نیز می توان گفت بایستی دقت کرد که TPE انتخاب شده به خوبی خشک شده باشد و عاری از هر گونه رطوبت باشد و همچنین در زمان تزریق تا حد ممکن دمای فرایند تزریق بالا انتخاب شود تا حداکثر استحکام چسبندگی حاصل شود.

TPE سبک

TPE هایی به سبکی پر قو، فناوری Glass Bubble کرایبورگ

اگر به سبک آمریکاهای دهه 40 تا 70 میلادی فکر کنیم و به آن دوران برگردیم، احتمالا اتومبیل های عضلانی، حجیم و سنگین وزن را انتخاب کنیم! هنوز هم این سبک طرفداران خاص خود را دارد و البته قابل دفاع است. اما اگر به بحران های نفتی نگاهی کنیم و در موج تظاهرات حامیان محیط زیست قرار بگیریم، باید بگوییم سبک کردن قطعات پلیمری به کار رفته در خودروها هدفی مقدس و آرمانی برای این روزها است. در مقاله قبلی در ارتباط با روش های فناورانه کاهش وزن قطعات پلیمری روش هایی را معرفی کردیم  و در این بخش به فناوری منحصربفرد کمپانی کرایبورگ نگاهی خواهیم کرد که به ما کمک می کند تا وزن قطعات تولید شده با TPE را تا 50 درصد نسبت به حالت عادی کاهش دهیم.

TPE سبک

همانطور که می دانیم هلدینگ کرایبورگ با سابقه صنعتی بیش از 70 سال، چند دهه است که در کسب و کار تولید TPE های مختلف فعالیت می کند. عرضه محصولات نوآورانه یکی از استراتژی های اصلی کرایبورگ است و در هر سال بیش از چند گرید جدید در حوزه TPE ها ارائه می کند. آخرین محصول تجاری شده کرایبورگ TPE هایی هستند که بدون استفاده از روش های معمول، مانند عوامل فوم زا، توانسته است دانسیته محصول را تا 50 درصد نسبت به حالت های معمول کاهش دهد.

TPE Glass Bubbles

گونه خاصی از Thermolast K به کمک فناوری پتنت شده کرایبورگ با نام Glass Bubbles تولید می شود و می تواند با کاهش وزن خودروها به تولید کمتر گازهای گلخانه ای کمک کند. دانسیته این گروه از TPE های کرایبورگ 0.7-0.9 g/cc است و در سختی های مختلف (50-80 Shore A) تولید می شوند. قابلیت بازیافت، امکان تولید قطعات با روش تزریق یا اکستروژن، چسبندگی به PA و PP، پایداری در برابر اشعه UV و … از دیگر ویژگی های این TPE های فوق سبک است.

راه حل هایی از جنس پلیمر برای معادن

شاخصه اصلی تمامی مواد اولیه مورد استفاده در ادوات و تجهیزات مورد استفاده در معاون مقاومت بسیار عالی در برابر سایش است. انعطافپذیر بودن و در عین حال مقاومت بسیار خوب در برابر سایش دو خاصیت برجسته و ویژه پلی یورتان یا به صورت خلاصه شده PU (Polyurethane) است. این دو خاصیت کلیدی پلی یورتان منجر به تبدیل شدن این ماده به انتخاب اول مهندسین معدن برای روکش دهی صفحات مورد استفاده در فرایند غربالگری در معادن شده است. پلی یورتان مقاومت بسیار خوبی در برابر آب نیز دارد و این نکته باعث شده است پایداری پانل های غربالگری روکش داده شده با پلی یورتان در برابر مخلوط های حاوی آب، بسیار بالا باشد. از جمله دیگر ویژگی های کلیدی پلی یورتان در کاربری روکش دهی پانل های غربالگری معدنی عبارتند از:

  • مقاومت بسیار عالی در برابر کنده شدن
  • جهندگی فوق العاده

راه حل هایی از جنس پلیمر برای معادن

در حقیقت علاوه بر صنایع معدنی، در دیگر صنایع مانند صنایع فلزی و ذغال سنگ برای تعیین اندازه ذرات و جداسازی آن ها از مش های غربالگری استفاده می شود. در گذشته این مش ها از جنس فلز ساخته می شدند، اما با پیدایش پلی یورتان و به کمک فرایند ریخته گری (Cast) مش های غربالگری پلی یورتان کاربرد گسترده ای در معادن پیدا کرده اند. علاوه بر سبک بودن مش های پلی یورتانی نسبت به فلزات، این مش ها مزایای دیگری همچون تولید نویز بسیار کم و عدم چسبندگی به مخلوط های آبی نیز دارند. همچنین مش های فلزی با روکش پلی یورتان نیز در معادن به کار می روند.

علاوه بر مش ها، پلی یورتان در دیگر بخش های معادن نیز کاربرد دارند. از جمله دیگر کاربردهای این پلیمر با ارزش می توان به استفاده از آن ها در پوشش دهی خطوط لوله به منظور جلوگیری از خوردگی، پوشش دهی کانوایرها و غلتک ها به منظور جلوگیری از سایش و همچنین لاستیک های ماشین آلات مورد استفاده در معادن اشاره کرد. پلی یورتان ها به خصوص در پوشش دهی لوله های انتقال پالپ های معدنی که شامل آب و کلوخه های مواد معدنی هستند، اهمیت ویژه ای دارند و از خوردگی و صدمه دیدن این لوله ها جلوگیری می کنند. پلی یورتان معدنی

کاربردهای پلی یورتان ها در معادن به همین چند مورد ذکر شده در بالا ختم نمی شود و این پلیمر با استعداد در تولید هیدروسیکلون های صنایع معدنی نیز به کار می رود. هیدروسیکلون ها قطعات پر کاربردی هستند که بدون داشتن قطعه متحرک و با هزینه نگهداری بسیار کم در جداسازی مخلوط های معدنی بر اساس وزن مخصوص ذرات موجود در مخلوط، استفاده می شوند. امروزه تمامی هیدروسیکلون ها از جنس پلی یورتان هستند.

در حقیقت پلی یورتان ها صنایع معدنی را متحول کرده اند و در کاربردهای ذکر شده توانسته اند طول عمر قطعات مورد استفاده در فرایندهای صنایع معدنی را افزایش دهد، کیفیت عملیات های معدنی را بهبود دهد و آسایش بیشتری را برای کارکنان زحمت کش معدن فراهم آورد. اما تمامی مزایای ذکر شده در گرو انتخاب گرید و فرایند تولید مناسب پلی یورتان برای کاربردهای ذکر شده است.

تولید کالاهای متنوع به کمک TPE ها

در بخش های قبلی این مقاله با انواع TPE، روش های تولید و گروه های مختلف هر یک از انواع TPE آشنا شدیم. این بخش سعی دارد کاربردهای این گروه از پلیمرهای پر کاربرد را بررسی کند. با معرفی اولین TPE در دهه شصت میلادی، پنجره ای جدید به روی طراحان قطعات مختلف گشوده شد. در حقیقت TPU اولین TPE تجاری شده بود که در صنایع خودروسازی و زیره کفش به کار گرفته شد. در ادامه با تولید کوپلیمرهای استایرنی مانند SBS و SEBS به سرعت مصرف TPU در تولید زیره کفش کاهش یافت. از طرف دیگر با پیدایش TPE های پایه الفینی، مصرف TPU در کاربری های خودرویی نیز کم و کمتر شد و به تدریج سبد TPE ها گسترده و کامل تر شد. نمودار زیر مقایسه کیفی از نظر قیمت و خواص برای انواع TPE ارائه می کند.

امروزه TPE ها الزامات طیف وسیعی از کاربردهای مختلف را پاسخگو هستند و به صورت کلی در صنایع زیر برای تولید قطعاتی که نام برده خواهند شد، به کار می روند.

  • صنایع خودروسازی
    • انواع گردگیر مورد استفاده در قطعات جلوبندی، جعبه فرمان، سیستم تعلیق و …

  • انواع گسکت درب و پنجره

  • قطعات تزیینی داخل کابین

 

 

  • کفپوش و موکت

  • کانال های هوا

  • ساختمان سازی
    • روکش سیم و کابل

  • گسکت درب و پنجره

  • صنایع برق و الکترونیک
    • تولید بدنه و قاب تجهیزات برق و الکترونیک

  • انواع سوکت و پلاگ

  • صنایع تولید لوازم خانگی و صنعتی
    • انواع بدنه لوازم خانگی و صنعتی

  • پوشاک و لوازم ورزشی

  • لوازم شخصی و بهداشتی

  • زیره کفش

  • تجهیزات پزشکی
    • کیسه خون

  • ماسک و تجهیزات بیهوشی

  • دیگر کاربردها
    • تگ های شناسایی حیوانات

  • پدهای مورد استفاده در راهسازی و ریل گذاری

در حقیقت امکان تنظیم خواص فیزیکی – مکانیکی در ترمو پلاستیک الاستومر و گستره وسیعی از خواص در این گروه از مواد اولیه منجر به توسعه سریع کاربردهای آن ها شده است. در TPE ها محدوده دمای کاربری، استحکام شکست و پارگی، ازدیاد طول در پارگی و امکان تنظیم سختی با انتخاب صحیح پلیمرهای پایه قابل تنظیم است و همچنین خواص ویژه ای مانند پایداری در برابر نور و گرما، اشعه فرابنفش، هدایت الکتریکی و گرمایی و پایداری در برابر جریان های مغناطیسی نیز با اضافه شدن افزودنی های مناسب به فرمولاسیون TPE تولیدی قابل دستیابی است. مجموعه این نکات باعث شده است TPE ها در هر سال رشد مصرف بالاتری نسبت به سایر پلیمرها داشته باشند.

اجزای TPE شامل کدام مواد است؟

انجمن بین المللی تولید کنندگان رابرهای سنتزی (International Institute of Synthetic Rubber Producer (IISRP))، تعریف زیر را برای TPE ها ارائه کرده است:

“پلیمرها، کامپاند یا آلیاژ آن ها که در دمای ذوب خود رفتار فرایندی مشابه ترموپلاستیک ها دارند و می توان به کمک روش های شکل دهی معمول، انواع قطعات را با آن ها تولید کرد؛ از طرف دیگر در دمای کاربرد رفتار مشابه الاستومرهای پخت شده را بدون اعمال فرایند پخت دارند. این مواد قابلیت ذوب و شکل دهی مجدد دارند و بازیافت پذیر هستند.”

استحکام مکانیکی و مانایی فشار کم قطعات رابری پخت شده توسط اتصالات عرضی شیمیایی آن ها حاصل می شود (این اتصالات تنها با سوزاندن یا اعمال واکنش شیمیایی برگشت پذیر هستند) و در TPE ها توسط فاز سخت که در قسمت قبلی این مقاله توضیح داده شد، ایجاد می گردد. در بخش قبلی TPE های راکتوری و آلیاژی معرفی شدند، در این قسمت اجزای مورد استفاده در  تولید TPE های آلیاژی مطرح خواهند شد.

تولید TPE

در حالت کلی فرمولاسیون یک TPE شامل اجزای زیر است:

  • پلیمر ترموپلاستیک سخت ( مانند پلی پروپیلن (PP)، پلی اتیلن (PE)، پلی آمید (PA)، PVC، …)
  • فاز نرم رابری ( مانند POE, EPDM, SEBS, SBS, NBR, …)
  • نرم کننده (Plasticizer, Oil)
  • پر کننده (Filler)
  • رنگدانه (Pigment)
  • افزودنی ها برای ایجاد خواص ویژه مانند مقاوم در برابر شعله، مقاوم در برابر اشعه UV، آنتی استاتیک، هادی حرارت، هادی الکتریسیته، Laser Mark، …
  • سازگار کننده (Compatibilizer)
  • عامل پخت ( تنها در مورد TPV ها استفاده می شود)

تمامی یا بخشی از اجزای نامبرده شده در بالا بر اساس خواص مورد انتظار از محصول نهایی به کمک اکسترودرهای کامپاندینگ ( عموما اکسترودرهای دو پیچه (Twin screw extruder) با نواحی خوراک دهی متفاوت) آلیاژ سازی می شوند.

از جمله مهمترین TPE های بدون پخت می توان به خانواده های زیر اشاره کرد:

و در مورد TPV ها مهمترین آلیاژهای تجاری سازی شده گروه های زیر هستند:

  • PP/ EPDM, NBR
  • PA/ ACM, Silicone
  • TPU/ Silicone
  • Polyester/ ACM
  • PVDF/ FKM

کاربرد های TPE

در بین گروه های مختلف TPE ذکر شده ارزانترین گروه، TPE های پایه Polyolefin و رابرهای استایرنی مانند SBS هستند. هر چند پایداری حرارتی و خواص مکانیکی این گروه نیز نسبت به سایر گروه های TPE های مهندسی مانند TPU و انواع بر پایه PA ضعیف تر است. اما از طرفی تنظیم سختی قطعات تولیدی به کمک TPE های مهندسی محدودیت بیشتری دارد ( TPE های پایه TPU و PA سختی های بالاتر از 60 Shore A دارند. این مقدار در مورد TPV و TPE های پایه Polyolefin/ SBS, SEBS, EPDM می تواند مقادیر بسیار کمتر، 20 Shore A و بالاتر، نیز داشته باشد.)

با انتخاب صحیح اجزای یک TPE می توان محدوده گسترده ای از خواص مختلف مکانیکی، فیزیکی، حرارتی و … را در کامپاند نهایی ایجاد کرد. برای مثال دمای سرویس دهی TPE های مهندسی مانند پایه Polyester, PA می تواند تا 250 °C و در مورد TPE های حاوی SBS، دمای کاربری می تواند تا°C  -50 پایین باشد.

TPE ها با امکان تنظیم خواص مختلف کاربردهای بیشماری در آینده ای نزدیک خواهند داشت.

پلیمر ها در راه‌آهن

تحول خطوط ریلی به کمک پلیمرهای مهندسی

سالیان سال است خطوط ریلی از مواد اولیه مرسوم مانند آهن، فولاد، بتن و چوب تشکیل می شوند. اما چند سالی است در تولید برخی قطعات مورد استفاده در این خطوط، از پلیمرها استفاده می شود. این مقاله درباره چند کاربرد پلیمرها در ساخت اجزای به کار رفته در خطوط ریلی نکاتی را اشاره می کند.

مهمترین شاخصه قطعات مورد مصرف در صنایع راه سازی، پایداری آن ها در برابر تابش نور خورشید در زمان سرویس دهی است. این نکته وقتی اهمیت پیدا می کند که این قطعات همزمان تحت بارگذاری های چند بعدی نیز باشند. در ادامه چند قطعه حساس و پر کاربرد در خطوط ریلی که می توان آن ها را با پلیمرها جایگزین کرد را معرفی می کنیم.

 پلیمر ها در راه‌آهن

  • ریل پد: تلاش های زیادی در خصوص جایگزینی ریل پد ها با انواع تولید شده از پلیمر شده است. از جمله نمونه های موفق می توان به استفاده از TPE های پایه پلی پروپیلن و پلی اتیلن، TPU و HDPE اشاره کرد. بر اساس شرایط بارگذاری خطوط ریلی پلیمر مناسب انتخاب می شود. انعطافپذیری، مانایی فشاری کم و مقاومت در تابش نور خورشید از جمله مهمترین ویژگی های مواد اولیه مورد مصرف در تولید این قطعات است.
  • عایق های الکتریسیته: روکش های عایق الکتریسته بین اجزای آهنی ریل استفاده می شوند و علاوه بر ایجاد خاصیت عایق بودن در برابر الکتریسیته، از سایش اجزا نیز جلوگیری می کنند. این قطعات با استفاده از PA66 تولید می شوند. از جمله مهمترین الزامات این کاربری مقاومت مکانیکی و پایداری در برابر اشعه فرابنفش حاصل از تابش نور خورشید است. به همین منظور از گریدهای تقویت شده با الیاف شیشه، به منظور تقویت خواص مکانیکی، و حاوی دوده، به جهت ایجاد پایداری در برابر اشعه فرابنفش، استفاده می شود. در برخی از خطوط ریلی که بار مکانیکی وارده به ریل بالا است، بایستی از گریدهای PA مقاوم شده در برابر ضربه، موسوم به Toughened PA، استفاده کرد. تلاش هایی برای جایگزینی PA ها در این کاربری با POM و PBT نیز شده است، اما به صورت کامل تجاری سازی رخ نداده است.
  • قطعات اتصال ریل: تلاش های زیادی برای جایگزینی یراق آلات فلزی که برای اتصال اجزای مختلف خطوط ریلی به کار می روند، با پلاستیک ها شده است. برای مثال در خطوط ریلی اسکاتلند حدود 20 سال پیش، از Baseplate های تولید شده با استفاده از PA تقویت شده با الیاف شیشه استفاده شده است. هر چند به دلیل بار اعمالی بسیار بالا روی این قطعات، استفاده از انواع پلاستیکی اتصالاتی مانند Baseplate با محدودیت هایی روبرو است. در نسل های جدید این قطعات، از ترکیب فلز/ پلیمر استفاده می شود. با این کار ضخامت فلز به کار رفته کاهش می یابد و قطعه سبک تری تولید می شود.

 پلیمر ها در راه‌آهن

استفاده از قطعات پلیمری در اجزای یک خط ریلی مستلزم ارزیابی فنی/ اقتصادی در مقایسه با مواد اولیه معمول مورد مصرف در این صنعت است. سبک تر شدن اجزا، هزینه های تولید کم و انعطاف پذیری در تولید و نهایتا امکان تنظیم خواص مزایای کلیدی استفاده از پلیمر ها در این صنعت است.

TPE مورد استفاده در ماشین

ترموپلاستیک الاستومر ها ، پلیمرهایی با کاربردهای نامحدود

ترموپلاستیک الاستومر مخفف شده عبارت Thermoplastic Elastomer است. تا حدود 40 سال پیش تولید قطعات پلیمری انعطافپذیر و نرم تنها با استفاده از رابرها و برخی پلاستیک های محدودی مانند PVC به دلیل وجود نرم کننده هایی برای آن امکان پذیر بود. مهمترین محدودیت رابرها فرایند پخت آن ها بود. از طرف دیگر با توجه به نگرانی های زیست محیطی پیش آمده در سال های اخیر در ارتباط با آلودگی های ناشی از قطعات پلاستیکی و لاستیکی و الزام به بازیافت آن ها، محدودیت دیگری برای استفاده از رابرهای پخت شده پیش آمد، چرا که پس از فرایند پخت قطعات رابری بازیافت پذیر نیستند و کاربرد بسیار بسیار محدودی دارند. تمامی این عوامل منجر به ظهور نسل جدیدی از پلیمرها به اسم ترموپلاستیک الاستومر شد.

ترموپلاستیک الاستومر های مورد استفاده در ماشین

امروزه ترموپلاستیک الاستومر ها کاربردهای بسیار متنوعی پیدا کرده اند و در تولید قطعات تزریقی، اکستروژن، بادی و … بدون نیاز به فرایند پخت، همراه با داشتن خواصی مشابه رابرهای پخت شده به کار می روند. در حقیقت این گروه خواص مورد انتظار از یک قطعه لاستیکی را برآورده می کنند، اما به فرایند تولید مشابه یک پلاستیک نیاز دارند. این گروه کاربردهای فراوانی در تولید قطعات خودرو، الکترونیک و الکتریک، ساختمان، وسایل خانه و شخصی و … پیدا کرده اند. تولید به صرفه و آسان با تجهیزات شکل دهی پلاستیک ها، رنگ پذیری، قابلیت تماس با مواد غذایی و بدن انسان، امکان ایجاد مقاومت در برابر نور، حرارت و اشتعال، بازیافت پذیر بودن و مهمتر از تمامی ویژگی های قبلی، امکان تنظیم خواص فیزیکی – مکانیکی در محدوده گسترده ای از اعداد منجر به رشد سریع ترموپلاستیک الاستومر ها در کاربردهای مذکور شده است.

ترموپلاستیک الاستومر ها به دو گروه عمده آلیاژی و سنتزی تقسیم می شوند. گروه اول حاصل از آلیاژ کردن (Polymer Blending) یک پلیمر نرم و انعطافپذیر، مانند انواع رابرها، با یک ترموپلاستیک است. در این مورد فرایند پذیری ترموپلاستیک الاستومر از جزء ترموپلاستیک و نرم و انعطافپذیر بودن و تنظیم خواص مکانیکی از جزء رابری حاصل می شود. با توجه به کاربرد نهایی و خواص مورد نظر، انواع رابر و ترموپلاستیک برای تولید انتخاب می شوند. تولید این گروه در اکسترودرهای صنعتی توسط واحدهای کامپاندینگ انجام می گیرد. اما گروه دوم به واسطه قرار گیری تعدادی منومر منعطف در کنار تعدادی منومر سخت ایجاد می شود و اتصال شیمیایی بین اجزای سخت و نرم ایجاد می شود. در حقیقت قسمت های نرم، موسوم به Soft block segments، تنظیم میزان انعطاف را بر عهده دارند و قسمت های سخت، موسوم به Hard block segment، تنظیم خواص مکانیکی و فرایندپذیری را بر عهده دارند. تولید این گروه توسط واحدهای پتروشیمیایی در راکتورهای شیمیایی انجام می گیرد. در فرایند شکل دهی واحدهای سخت در اثر حرارت جریان پذیر می شوند و شکل قطعه نهایی ایجاد می شود.

هر یک از گروه های اصلی ترموپلاستیک الاستومر نیز زیر گروه های مختلفی دارند که در ادامه ذکر شده است. ترموپلاستیک الاستومر های آلیاژی عموما با استفاده از ترموپلاستیک های الفینی همراه با یک رابر، مانند EPDM، تولید می شوند. فاز رابری ترموپلاستیک الاستومر می تواند به منظور دست یابی به خواص مکانیکی بهتر مانند مانایی فشاری کمتر، پخت شود، که در اینصورت ترموپلاستیک الاستومر تولیدی Thermoplastic Vulcanized (TPV) نامیده می شوند. هر چند این پخت در فرایند پذیری ترموپلاستیک الاستومر خللی وارد نمی کند. مهمترین گروه های خانواده TPE های سنتزی نیز شامل لیست زیر است:

  • TPS (Styrenic Block Copolymers), SBS, SEBS, …
  • TPU (Thermoplastic Polyurethane)
  • TPEE (Thermoplastic co-polyester)
  • COPA (Thermoplastic Polyamides)

در بخش های بعدی این مقاله با کاربردهای ترموپلاستیک الاستومر ها بیشتر آشنا خواهیم شد.

 

روند رو به رشد استفاده از خانواده TPE ها در قطعات خودرویی

TPE قطعات خودرو

در حال حاضر بازیگران اصلی صنعت خودرو استراتژی متفاوتی را نسبت به ده سال پیش اتخاذ کرده اند. استراتژی Global Platform از حدود سال 2009 میلادی به منظور کاهش قیمت تمام شده محصولات و از طرفی افزایش بهره وری تولید به عنوان راهبرد اصلی صنایع عمده تولید کننده خودرو اتخاذ شده است. هدف این استراتژی کاهش تنوع فنی و ابعادی قطعات مختلف بخش های خودروهای مختلف است. برای مثال چندین خودرو به کمک یک موتور، گیربکس، شاسی و … تولید می شوند. به عنوان یک تجربه، کمپانی جنرال موتورز در فاصله سال های 2010 میلادی تا 2018 میلادی، تعداد پلتفرم های خود را از 30 به 18 عدد رسانده است. مواد اولیه مورد استفاده در تولید قطعات به کار رفته در این پلتفرم های مشترک نیز در گروه های محدودی قرار می گیرند، برای مثال در حال حاضر حدود 25 درصد پلاستیک های مورد استفاده در تولید قطعات خودرو خانواده PP (پلی پروپیلن) با چهار مشخصه فنی کلی است. TPE ها در خودرو (Thermoplastic Elastomer) بخشی از سبد PP مصرفی هستند و به دلیل خواص فوق العاده یکی از پیشران های اصلی افزایش درصد استفاده از پلیمرها در تولید قطعاتی خودرو هستند.

امروزه TPE ها خانواده گسترده ای از پلیمرها با خواص مختلف هستند. انواع پلیمر پایه به همراه بخش الاستومری قسمت پلیمری و طیف متعددی از افزودنی ها بر اساس کاربرد نهایی محصول، اجزای یک TPE را تشکیل می دهند. در تولید قطعات خودرو TPE های پایه پلی الفینی، مانند PE (پلی اتیلن) و PP، جایگاه ویژه ای دارند. TPEهای پلی الفینی به دلیل مزیت قیمتی، نسبت سفتی/ انعطافپذیری قابل تنظیم، امکان تنظیم خواص سطحی و ایجاد نرمی، قابلیت تبدیل شدن به فوم، بازیافت پذیری و آسیب کمتر به محیط زیست، استفاده روز افزونی در تولید قطعات بیرونی، درون کابین و زیر کاپوت خودرو دارند. قطعاتی که در حال حاضر با استفاده از انواع TPE تولید می شوند شامل سپر، نوارهای آب بند شیشه و درب، قطعات مجموعه کیسه هوا، داشبورد، روکش درب، فرمان، دریچه های سیستم تهویه، موکت و عایق، لوله و داکت، گردگیر، روکش سیم و وایر، واشر و … هستند.

 

همچنین TPE ها می توانند در محدوده گسترده ای از فرایندهای تولید قطعه استفاده شوند. از جمله این فرایندها می توان به  Multi and single shot injection, Multi and single blow molding, Co-extrusion, Over-molding اشاره نمود.

شکل زیر کاربرد های مختلف TPE ها را در یک خودرو نشان می دهد.
استفاده از TPE در خودرو