فهم درجة حرارة انتقال الزجاج (Tg) في صناعات القولبة بالحقن والتصنيع باستخدام الحاسب الآلي

معرفة سلوك المواد في القولبة بالحقن و التصنيع الآلي باستخدام الحاسب الآلي أمر بالغ الأهمية لتطوير منتجات عالية الجودة. تُعد درجة حرارة الانتقال الزجاجي (Tg) خاصية أساسية للمادة في ماكينات القولبة بالحقن وماكينات التحكم الرقمي باستخدام الحاسب الآلي. ويتمثل تطبيق هذه الخاصية في قياس ظروف المعالجة. كما أنها تحدد أداء المواد المركبة والبلاستيك والسلامة الهيكلية. درجة حرارة التحول الزجاجي هي عنصر محوري يؤثر على سلوك المواد. وهي تُستخدم في التشكيل بالحقن والتصنيع باستخدام الحاسب الآلي في المعالجة وطوال فترة المعالجة.

ما هي درجة حرارة الانتقال الزجاجي (Tg)

تشير درجة حرارة الانتقال الزجاجي (Tg) إلى درجة الحرارة التي يتغير عندها البوليمر شبه البلوري وغير المتبلور من الحالة الزجاجية إلى الحالة اللينة والجلدية. وهي درجة الحرارة التي يتغير عندها البوليمر غير المتبلور من الحالة الصلبة إلى الحالة الملساء.

درجة حرارة الانتقال الزجاجي (Tg) هي درجة حرارة مهمة للغاية. فهي تحدد متى تتغير البوليمرات من الحالة الزجاجية (التي تكون قاسية نوعًا ما) إلى الحالة المرنة. يؤثر هذا التغيير على كيفية معالجة البوليمرات وكيفية تصرفها ميكانيكيًا. لا تحدث هذه العملية في البوليمرات فحسب، بل تحدث أيضًا في المواد الزجاجية وغير المتبلورة. ويمثل Tg اللحظة التي تبدأ فيها الجزيئات في هذه المواد في التحرك بشكل أكبر.

درجة الحرارة ZTg هي درجة الحرارة التي يتحول عندها البوليمر من الحالة الصلبة إلى الحالة الزجاجية، ثم إلى الحالة المطاطية، وأخيرًا إلى الحالة المرنة. ويخضع قياس درجة الحرارة ZTg لمعايير موحدة بدقة باستخدام جهاز المسح الحراري التفاضلي (DSC) وفقًا للبروتوكولات الدولية مثل ASTM D3418 ^[1]. تقيس هذه المعدات التحليلية فائقة الحساسية التغير المحدد في السعة الحرارية أثناء انتقال البوليمر من الحالة الزجاجية الصلبة إلى الحالة المطاطية المرنة، مما يوفر حدودًا حرارية دقيقة بدلاً من رقم تقريبي.

تحدث درجة حرارة التحول (Tg) في نطاق معين من درجات الحرارة. ولا تظهر تلقائيًا على شكل رقم دقيق يمكن تفسيره من الرسم البياني. فالدرجة التي تقع دون هذه الدرجة تجعل البوليمرات صلبة وهشة، بينما الدرجة التي تقع فوقها تجعلها قابلة للتشكيل ومرنة.

إن معرفة درجة الحرارة أمر مهم لعملية التشكيل بالحقن والتصنيع باستخدام الحاسب الآلي على النحو الأمثل. ويتمثل دورها في مساعدة المصنعين في قياس درجة الحرارة المناسبة للمعالجة.

عند تسخين البوليمر البلوري إلى درجة حرارة معينة، يحدث ترتيب منظم يصف بنية السلسلة الطويلة. وينتج عن هذا الترتيب ترتيب غير منظم وعشوائي. تتحول البوليمرات الصلبة عمومًا وتذوب إلى سائل. تشير درجة الحرارة التي يحدث عندها الذوبان إلى نقطة الانصهار (Tm). تمتلك البوليمرات ذات الجزء البلوري وغير المتبلور نقطة انصهار ودرجة حرارة الانتقال الزجاجي.

دور Tg في قولبة الحقن في القوالب بالحقن

تستخدم الصناعة التحويلية بشكل متزايد تقنيات تصنيع شاملة ومتعددة الاستخدامات. والهدف من ذلك هو الالتزام بالاحتياجات والمتطلبات المتغيرة للمستهلكين. تركز المزيد من العمليات على إنتاج البلاستيك. تبدأ العملية بتسخين المواد عند درجة حرارة محددة. ثم يتم حقنها في القالب وتخضع بعد ذلك للتبريد لتكوين شكلها. ويعتبر Tg مهمًا في العملية لوظائف مثل:

تصميم القالب وتدفق المواد: يتيح انخفاض درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) للمواد أن تتدفق بسهولة تحت تأثير الحرارة. وتتيح هذه القابلية الممتازة للتدفق تصنيع مكونات مثالية ذات جدران رقيقة وتصميمات معقدة للغاية، وهو ما يتم التحقق منه غالبًا من خلال تحليل تدفق القالب. وعلى العكس من ذلك، لن تتدفق المادة بشكل سليم إذا تم حقنها في قالب يعمل عند درجة حرارة أقل من عتبة Tg المطلوبة. وعادةً ما يؤدي هذا التبريد المبكر إلى عدم ملء التجويف بشكل كامل وإلى إنتاج قطع معيبة بشكل كبير.

التبريد والتصلب: هناك حاجة إلى التبريد والتصلب بعد الحقن. وقد تؤدي الإدارة غير السليمة لمعدل التبريد — استنادًا إلى تأثير درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) — إلى العديد من عيوب القولبة بالحقن مثل الالتواء والانكماش والتشوه. يجب التحكم في الوقت اللازم لتبريد درجة حرارة القالب. والهدف من ذلك هو التخلص من ليونة المادة.

الخواص الميكانيكية: تتغير الخواص الميكانيكية للبوليمرات المستخدمة في القولبة بالحقن. تعتمد التغييرات على ما إذا كان الجزء أعلى أو أقل من Tg. على سبيل المثال، عند مستويات منخفضة من Tg، تكون أقل هشاشة. وفوق مستوى Tg، تكون المادة مرنة، مما يؤدي إلى امتصاص الإجهاد دون أن تنكسر.

تحسين كفاءة الإنتاج: يمكن لعمال القوالب ضبط دورة الصب, ، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة الإنتاج وإطالة مدة التصنيع. فالمواد التي تتميز بدرجة حرارة زجاجية (Tg) عالية تتطلب وقتًا أطول للتبريد، بينما المواد ذات درجة الحرارة الزجاجية (Tg) الأقل تستغرق وقتًا أقصر أثناء المعالجة.

درجة حرارة الانتقال الزجاجي والتصنيع باستخدام الحاسب الآلي

يشير التحكم العددي بالكمبيوتر (CNC) إلى دقة التصنيع التي تتضمن حركات الماكينات في قطع وتشكيل المواد. تخضع أنواع مختلفة من البوليمرات واللدائن والمواد البلاستيكية والمركبات للتصنيع الآلي. وتركز هذه الأنواع على التصنيع الآلي باستخدام الحاسب الآلي وتصنيع السبائك والمعادن. تتم عمليات التصنيع الآلي في صناعات مثل التصنيع الآلي والأجهزة الطبية. يعتمد دور Tg في التصنيع الآلي باستخدام الحاسب الآلي على طبيعة ونوع المادة في عملية التصنيع الآلي:

التحكم في درجة حرارة التشغيل الآلي: تتعرض المواد المستخدمة في عملية التصنيع الحاسوبي (CNC) لارتفاع شديد في درجة الحرارة. وقد يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى ما يزيد عن درجة Tg إلى فقدان الصلابة. ويؤدي هذا التأثير الحراري مباشرةً إلى سوء تشطيب السطح وتشوه شديد في الشكل. ولذلك، يجب على المشغلين إجراء مراقبة مستمرة للظروف البيئية. وتعد هذه المراقبة الصارمة ضرورية لمنع البوليمرات الحساسة للحرارة من تجاوز درجة Tg الخاصة بها أثناء دورات القطع المكثفة.

اختيار المواد: تعد درجة حرارة الانتقال الزجاجي عاملاً مهمًا في تحديد المادة المناسبة. فخلال عمليات التصنيع باستخدام الحاسب الآلي (CNC)، تولد قوى القطع الشديدة بطبيعة الحال حرارة احتكاك كبيرة عند نقطة التلامس بين الأداة وقطعة العمل. وإذا تجاوزت درجة حرارة القطع الموضعية هذه درجة حرارة الانتقال الزجاجي (Tg) للبوليمر المعني، تفقد المادة على الفور صلابتها الهيكلية وتنتقل إلى حالة مطاطية ^[2]. ويؤدي هذا الانتقال الحراري إلى تشوهات أبعادية شديدة، وتشوهات سطحية، وتآكل سريع للأدوات. ويحدث هذا التشوه نتيجة للضغط الزائد، مما يؤدي إلى نتائج غير مرغوبة. وتُعد المواد ذات القيمة العالية لـ Tg مفيدة في تطبيقات التصنيع باستخدام الحاسب الآلي (CNC) عالية الدقة أثناء فترة استقرارها عند درجات حرارة أعلى.

معلمات الأدوات والقطع: يلزم إجراء تغييرات في التصنيع الآلي باستخدام الحاسب الآلي. تحتاج عناصر مثل معدل التغذية، والسرعة، ونوع الأداة إلى تعديلات لدمج درجة حرارة المواد. تتطلب البوليمرات ذات درجة حرارة منخفضة معدلات تغذية بطيئة. كما أنها تحتاج أيضًا إلى أدوات مخصصة للتغلب على تراكم الحرارة. تحتاج درجات الحرارة المرتفعة إلى سرعات أعلى بالإضافة إلى أساليب تصادم أكثر فعالية.

درجة حرارة الانتقال الزجاجي في المواد المختلفة

تؤثر قيم Tg المختلفة على سلوك ومعالجة التصنيع باستخدام الحاسب الآلي والقولبة بالحقن. تتضمن بعض المواد الشائعة في الصناعتين ما يلي;

اللدائن الحرارية

يُعرف البوليمر الذي يلين ويتدفق بسلاسة عند تسخينه باسم «البلاستيك الحراري». وعادةً ما ينتج هذا التدفق السائل عن تجاوز درجة الحرارة النوعية للانتقال الزجاجي للمادة. وهذه العملية الفيزيائية قابلة للعكس تمامًا. وبالتالي، يمكن إعادة معالجة المادة أو إعادة تدويرها بفعالية. وتتميز هذه المواد بدرجة حرارة انتقال زجاجي (Tg) تحدد سلوكها أثناء القولبة والتشغيل الآلي.

بولي بروبيلين (PP): Tg = -10 درجة مئوية إلى -20 درجة مئوية

استخدام البولي بروبلين تستخدم على نطاق واسع في صناعة القوالب بالحقن للبلاستيك الحراري. ومن السمات المميزة لهذه المادة انخفاض درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) بشكل طبيعي. ويجعل هذا الحد الحراري المنخفض من السهل للغاية تشكيلها، كما يمنحها مرونة عالية في درجة حرارة الغرفة. كما أن انخفاض درجة حرارة التحول الزجاجي يسهل عملية التشكيل ويجعلها أكثر مرونة في درجات الحرارة المرتفعة. وتتطلب هذه العملية تحكمًا فعالًا في درجة الحرارة ومعالجة دقيقة لتجنب حدوث تشوهات.

بولي كربونات (PC): Tg = 145 درجة

الـ Tg في بولي كربونات وهي عالية، مما يجعلها فعالة في التطبيقات التي تتطلب أداءً عاليًا. ويشكل البولي كربونات خطرًا في عملية القولبة بالحقن بسبب ارتفاع درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg). وتتطلب درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) درجات حرارة عالية لعملية الحقن وفترات تبريد طويلة.

البوليسترين (PS)؛ Tg= 100 درجة مئوية

البوليستيرين وهو أمر مهم أثناء التعبئة وإنتاج أدوات المائدة التي تستخدم لمرة واحدة. وتتميز درجة حرارة الزجاج (Tg) بأنها معتدلة، كما أن معالجتها سهلة أثناء القولبة بالحقن. وهناك حاجة لاتخاذ احتياطات للمساعدة في تجنب الانحراف المفرط والتبريد.

بولي أميد (نايلون): Tg = 50 درجة إلى 70 درجة

قيمة Tg الحالية في نايلون منخفضة. تتمتع هذه المادة بقوة ممتازة ولا تتآكل بسهولة. وتتميز هذه المواد بخصائص فريدة ناتجة عن ارتفاع قيم درجة الحرارة الزجاجية (Tg). ويتطلب تحديد درجة الحرارة الزجاجية (Tg) اهتمامًا فعالاً في تنظيم إدارة درجة الحرارة لمنع حدوث تشوه أو تليين.

المواد الحرارية

تخضع اللدائن الحرارية لعملية معالجة لا يمكن عكسها. وتخضع المركبات الموجودة في اللدائن الحرارية لاختبارات تُجرى عند درجة حرارة محددة. وتكون المادة الأولية المستخدمة في تصنيع اللدائن الحرارية سائلة قبل المعالجة. كما قد يكون هذا السائل مادة لاصقة. وتتميز هذه المواد بسلوكيات فريدة بسبب ارتفاع قيم درجة الحرارة الزجاجية (Tg) فيها.

إيبوكسي: Tg= 100 درجة إلى 250 درجة حسب التركيبة

تُستخدم راتنجات الإيبوكسي في التطبيقات عالية القوة التي تشمل عناصر السيارات والفضاء. يتغير Tg بناءً على المواد المضافة وعوامل المعالجة. يوفر لها Tg العالي ثباتًا حراريًا مثاليًا. يمكن أن تخضع راتنجات الإيبوكسي الوظيفية للبلمرة المتجانسة مع محفز كاتيوني وأنيوني أو سماع. عندما يستمر التفاعل، تظهر جزيئات أكبر وتنقسم إلى هياكل.

الفينول: Tg= 140 درجة و200 درجة

تعمل استقالات الفينول بشكل أفضل في البيئات عالية الحرارة. تتطلب درجة الحرارة العالية Tg أدوات مخصصة وإدارة الحرارة في عملية التصنيع الآلي.

المركبات

تمتلك المواد المركبة مجموعة واسعة من قيم Tg التي تعتمد على التركيبات المختلفة. تشتمل المواد المركبة على ألياف ذات قيم Tg مختلفة بناءً على التركيب الحالي.

البوليمرات المقواة بألياف الكربون (CFRP): Tg= 150 درجة إلى 300 درجة

وتتمتع المواد الحالية من CFRPS بقيم Tg عالية، وتقاوم التشويه تحت درجات الحرارة القصوى. تتطلب المواد أدوات قطع عالية الأداء للتشغيل الآلي باستخدام الحاسب الآلي. الهدف هو منع التدهور تحت الحرارة.

مخطط درجة حرارة الانتقال الزجاجي للمواد الشائعة

أفضل الممارسات لإدارة درجة حرارة الانتقال الزجاجي

يحتاج المحترفون إلى اتباع التصنيع باستخدام الحاسب الآلي والقولبة بالحقن. الهدف هو تحقيق المعالجة والجودة المثلى على Tg.

تعرف على درجة حرارة المادة التي تستخدمها: هناك حاجة لفهم مادة Tg تحت الاستخدام. المعلومات ضرورية لزيادة معالجة المعلمات الخاصة باختيار الأداة ودرجة الحرارة ومعدلات التبريد.

التحكم في درجة الحرارة أثناء المعالجة:  تتطلب إدارة درجة الحرارة في التصنيع الآلي باستخدام الحاسب الآلي والقولبة بالحقن إدارة فعالة لدرجة الحرارة. يجب أن يكون مستوى درجة الحرارة حول Tg. يضمن بقاء جميع المواد في الحالة المثلى للتشغيل الآلي والقولبة.

تحسين تصميم القالب ومعدلات التبريد: يحتاج منع عناصر مثل الاعوجاج إلى تصميم القوالب ومعدلات التبريد المخصصة للمواد. والنتيجة هي منع التصلب والالتواء غير المناسب.

اختيار الأدوات المناسبة للتشغيل الآلي باستخدام الحاسب الآلي: استخدام معلمات القطع والأدوات المناسبة اللازمة لتقليل التمزق والتآكل. يجب أن يعتمد الاختيار على المواد ذات درجة حرارة Tg العالية.

المعالجة ومراقبة التبريد: ستساعد مراقبة درجة الحرارة والتحكم في الوقت الفعلي في توجيه Tg. لن يكون هناك تجاوز للمعدلات في العملية مما يؤدي إلى حدوث عيوب وتشوهات.

الاتجاهات والتطورات المستقبلية في إدارة Tg

الروبوتات والأتمتة: تشهد الصناعات التحويلية أتمتة هائلة. من الأسهل التحكم في العمليات التي تؤثر على Tg، بما في ذلك التبريد ودرجة الحرارة. توفر الروبوتات أيضًا وسيلة للتحكم في العمليات. وتتمثل النتائج في التعامل مع المواد بشكل مستمر ودقيق. تمتد هذه الطريقة إلى عملية التصنيع الآلي والقولبة.

أجهزة استشعار متقدمة للمراقبة في الوقت الحقيقي: أصبح إنترنت الأشياء وأجهزة الاستشعار الذكية أكثر شيوعًا في التصنيع باستخدام الحاسب الآلي والقولبة بالحقن. تقدم أجهزة الاستشعار بيانات في الوقت الفعلي عن الضغط ودرجة الحرارة وخصائص المواد. ويتمثل التأثير في التحكم بشكل أفضل في Tg. بالإضافة إلى ذلك، يستفيد أصحاب المصلحة من زيادة جودة المنتج.

مواد مستدامة: يتزايد استخدام المواد المعاد تدويرها والمكونات الحيوية في التصنيع باستخدام الحاسب الآلي والقولبة بالحقن. ويشير الطلب على الاستدامة في التصنيع إلى استخدام مثل هذه المواد. التأثير ليس فقط مربحًا ولكن أيضًا مؤثرًا اجتماعيًا. تمتلك المواد بشكل عام خصائص Tg مختلفة تتطلب تغييرات في المعلمات لتحقيق أفضل النتائج.

الخاتمة

تُعد درجة حرارة الانتقال الزجاجي خاصية حاسمة تحدد سلوك المادة. وتمتد آثارها لتشمل عمليات التصنيع، وأداء العناصر المختلفة في التصنيع باستخدام الحاسب الآلي (CNC)، وجودة الإنتاج. ويحتاج المتخصصون إلى اعتماد عمليات مُحسَّنة لضمان جودة المنتجات ومتانتها بشكل فعال. وتنطبق درجة حرارة الانتقال الزجاجي (Tg) على البلاستيك الحراري والبلاستيك المتصلب حرارياً. كما أنه من الأهمية بمكان أن يكون للتصنيع باستخدام الحاسب الآلي (CNC) والقولبة بالحقن تأثير إيجابي على عملية تصنيع المنتج.

تؤدي الاتجاهات الناشئة في تحول أجهزة الاستشعار إلى المراقبة في الوقت الفعلي. بالإضافة إلى ذلك، فإن التغييرات التي تؤثر على الروبوتات والأتمتة تجعل العملية أسهل.

وأخيرًا، سيؤدي التركيز على الاستدامة إلى زيادة المواد المعاد تدويرها وصب الحقن القائم على أساس حيوي بشكل مناسب، مما سيزيد من المواد بشكل فعال. المكون الأخير هو خصائص Tg التي تتطلب تغييرات في المعلمات وتحقيق النتائج المثلى. 

المرجع

[1] ASTM International. (2021). ASTM D3418-21: طريقة الاختبار القياسية لدرجات الحرارة الانتقالية والإنثالبيات الخاصة بالانصهار والتبلور للبوليمرات باستخدام طريقة المسح الحراري التفاضلي. https://doi.org/10.1520/D3418-21

[2] كالباكجيان، س.، وشميد، س. ر. (2014). هندسة وتكنولوجيا التصنيع (الطبعة السابعة). بيرسون. https://books.google.com/books?id=frF9MgEACAAJ