مستربچ کاهنده جرم در فرآیند تولید لوله های پلیمری فشار بالا

توسعه مستربچ کاهنده جرم در فرآیند تولید لوله های پلیمری فشار بالا

چکیده

در صنعت پیشرفته تولید لوله های پلیمری فشار بالا، کاهش وزن محصول بدون افت عملکرد مکانیکی بلندمدت یکی از چالش های کلیدی مهندسی مواد است. مستربچ های کاهنده جرم که در تولید استفاده می شوند، با طراحی ریزساختار کنترل شده و مهندسی رفتار رئولوژیکی، امکان کاهش دانسیته 4 تا 12 درصدی را فراهم می کنند، در حالی که الزامات استانداردهای فشار و طول عمر حفظ می شود. این مقاله به بررسی مکانیسم عملکرد، الزامات فرآیندی، چالش های صنعتی و ارائه یک فرمولاسیون پیشنهادی کاربردی می پردازد.

1. مقدمه

لوله های بر پایه PE100 و PP-R در کاربردهای انتقال آب، گاز و سیالات صنعتی نیازمند مقاومت هیدرواستاتیک بلندمدت، پایداری ابعادی و مقاومت به ترک تنشی هستند. در چنین کاربردهایی، کاهش جرم تنها زمانی قابل قبول است که اولا استحکام حلقوی (Ring Stiffness) حفظ شود ثانیا مقاومت به فشار بلندمدت کاهش نیابد و در نهایت رفتار خزشی کنترل شود

فناوری مستربچ کاهنده جرم با تمرکز بر مهندسی مورفولوژی در مرحله کامپاندینگ، پاسخی به این نیاز صنعتی است.

2. مکانیزم عملکرد در کامپاندینگ

برخلاف سیستم های فومینگ سنتی، این فناوری بر سه اصل مهندسی استوار است:

2.1 طراحی ریزساختار کنترل شده

ایجاد فاز گسسته بسیار ریز (Sub-micron phase domains) در ماتریس پلی اتیلن یا پلی پروپیلن، بدون ایجاد حفره های درشت.

2.2 بهینه سازی نسبت ویسکوزیته فازها

تنظیم Viscosity Ratio بین فاز ماتریس و فاز اصلاح کننده جهت جلوگیری از تمرکز تنش.

2.3 مهندسی تبلور

استفاده از هسته زاهای پیشرفته برای کنترل اندازه اسفرولیت و جلوگیری از افت شدید مدول.

3. الزامات فرآیندی در اکسترودر دوپیچ همسوگرد

برای دستیابی به ساختار پایدار:

L/D پیشنهادی: 40–44

پروفایل دما برای PE: 170–200°C

نرخ برش کنترل شده جهت جلوگیری از تخریب زنجیر

استفاده از المان های اختلاط توزیعی بیشتر از اختلاط برشی شدید

کنترل گشتاور و زمان اقامت برای جلوگیری از افت وزن مولکولی بسیار حیاتی است.

4. اثر بر خواص مکانیکی

کاهش دانسیته هدف: 5–10%

با طراحی صحیح، تغییرات معمولا به صورت زیر است:

مدول الاستیسیته: کاهش 3–7%

استحکام کششی: کاهش محدود

مقاومت به فشار بلندمدت: قابل حفظ

ESCR: وابسته به سازگاری بین فازی

در صورت طراحی مناسب، شاخص MRS لوله حفظ می شود.

5. پیشنهاد فرمولاسیون صنعتی نمونه (برای سیستم PE100)

الف) ساخت مستربچ کاهنده جرم (غلظت بالا)

جزءدرصد وزنی پلی اتیلن حامل با MFI متوسط55–60%اصلاح کننده رئولوژی شاخه دار8–12%فاز کم چگال سازگارشده (Polyolefin modifier)15–20%عامل هسته زا پیشرفته1–2%پایدارکننده حرارتی0.5–1%کمک فرآیند2–3%افزودنی کنترل مورفولوژی

ب) میزان مصرف در کامپاند نهایی

2 تا 5 درصد مستربچ در رزین پایه PE100

نتیجه مورد انتظار:

کاهش دانسیته از 0.955 به حدود 0.90–0.92 g/cm³

حفظ مقاومت فشار در محدوده استاندارد

نتیجه گیری

مستربچ های کاهنده جرم در کامپاندینگ لوله های فشار بالا، یک راهکار مهندسی پیشرفته برای کاهش مصرف مواد و افزایش بهره وری هستند. موفقیت صنعتی آن وابسته به طراحی ریزساختار، بهینه سازی رئولوژی و کنترل دقیق فرآیند اکستروژن است. با پیاده سازی صحیح، می توان کاهش جرم قابل توجهی را بدون افت عملکرد بلندمدت به دست آورد.