نانوکامپوزیتهای پلیمری و جایگاه آنها در صنعت خودرو

نانوکامپوزیت پلیمری چیست؟ نانوکامپوزیتهای پلیمری مواد چندفازی هســتند که درون ســاختار خود حاوی نانوذرات میباشند. این مواد میتواننــد پایه پلیمری ویا غیر پلیمری داشــته باشــند. این مواد فرصتهای جدیدی در حوزه مهندســی مواد ایجــاد کرده، ویژگی مواد اولیه موجود را تا چند ده برابر افزایش داده، و امکان بهبود بســیار زیاد ویژگیهای ساختارهای کامپوزیتی را فراهم میآورند


این ویژگیها (شــامل ویژگیهای مکانیکی، الکتریکی و حرارتی) بسته به ترکیب مواد مورد استفاده در سنتز کامپوزیــت تغییر می‌کنند. اســتفاده از این مواد در ســپر خــودرو، مخزن گاز و پنل های داخلی و خارجی خودرو متداول اســت. در شــکل 1 ،به طور شماتیک بخش های دارای قابلیت، جهت استفاده از نانوکامپوزیتهای پلیمری در خودرو، نمایش داده شده است. انتقال از م یکــروذرات به نانوذرات موجب ایجاد تغ ییرات بســیار زیادی در ویژگیهای فیزیکی میشــود. به عنوان مثــال نانوکامپوزیتهــای حــاوی ذرات خــاک رس نانومتری، دارای مقادیر بســیار کمی (کمتر از 10 درصد) از این ذرات هستند. این مواد ویژگیهای مکان یکی و حرارتی رزین پایه را بهبود بخشیده و برای نمونه، عملکرد انسدادی و مقاومت آتشگیری آن را افزایش میدهند. تمام این مزایا بدون افزایش چگالی یا تأثیر منفی روی سایر ویژگیهای پلیمر حاصل میشوند. در جدول 1 انواع، خواص، مزایا و مشکالت موجود بر سر استفاده از نانوکامپوزیتها به اختصار بیان شده است
مزایای استفاده از نانوکامپوزیتها در چارچوبها و قطعات :
کامپوزیتهای حاوی نانوصفحات با قرار گرفتن طوالنی مدت در معرض آب و هوا دچار فرســودگی نمیشــوند و به همین دلیل برای اســتفاده در قطعات خارجی خودرو مناسب هستند. استفاده از نانومواد، هزینه رنگ آمیزی گلگیرهای پالســتیکی را کاهش میدهد. زیــرا افزودن مقادیر کمی از نانولولههای کربنی باعث ایجاد رسانایی در قطعات نیمه تمام شده و این قابلیت، امکان استفاده از فرایندهای روکش دهی کاراتر و ســازگارتر با محیط زیســت را فراهم میآورد. در این فرایندهــا که مبنای آنها، وجود بارهای الکترواستاتیکی مخالف است، از ذرات پودری بدون حالل استفاده میشود. اولين استفاده صنعتي از نانوكامپوزيتهاي تقويت شده با خاك رس در زمينه ساخت پوشش تسمه تايم در خودرو اســت كه به وســيله قالبگيري تزريقي صورت گرفته است. وزن حفاظتي دست يافته شده براي پوشش تسمه تايم 25 %است كه علت اين امر به خاطر كمتر بودن محتوي فيبرهاي آلي در مقايسه با نايلون يا پروپلين تكميل شده با الياف شيشهاي ميباشد  اين مواد صلبيت خوب و پايداري حرارتي بااليي از خود نشــان مي دهند. در اوايل سال 1990 شركت تويوتا از نانوكامپوزيتها در پوشــش كمربند ايمني خودرو اســتفاده كرد. در كنار فعاليتهاي تويوتا، شركت ميتسوبيشي نيز از نانوكامپوزيتها در روكش موتور استفاده نمود. ويژگيهاي نانوكامپوزيتها شــامل استحكام و سختي زياد با وزن كمتر، قابليت جلوگيري از نشت گازها و مايعات، درجه اعوجاج گرمايي باال، رسانايي الكتريكي، خاصيت ضد احتراقي و مقاومت باال در برابر مواد شيميايي و حرارت ميباشد  نوع كامپوزيتها در تركيبات پوشش زيرين كاپوت خودرو به كار برده ميشوند
ساختار پلیمرها و نانومواد مورد استفاده در صنعت چارچوبها و قطعات:
 در حــال حاضــر، اكثــر نانوكامپوزيتهاي مــورد مصرف در قطعــات خودرويــي در حقيقت از نوع نانوكامپوزيت پليمر- فيلر ميباشــند و ماده پليمري ميتواند بر پايه پلی پروپیلن ،پلی آمید ،استایرن  و... انتخاب گردد. افزودني نانويي بــه كار رفته در اين كامپوزيت هم ميتواند نانورس، بوتادیــن رابر نانولولــه كربني يا ســاير افزودنيهاي نانويي معمول باشــد. در حال حاضر، با افــزودن مقادير كمي از افزودنيهاي نانــورس به پايههاي پليمــري پلیپروپیلن و تریپلیمر بلوکــی (آکریلونیتریل-بوتادین  ميتوان خواص پليمر پايه را به ميزان قابل قبولي بهبود بخشيد. استایرن( در ساخت قطعات نانوکامپوزیتی نمیتوان نقش کلیدی نانومواد و افزودنیهای نانو را به هیچ وجه انکار نمود. نانورسها، نانولولههای کربنی، نانوذرات اکسیدفلزی، گرافنها، نانوالیاف از جنسهای گوناگون و... هر یک سهمی ویژه در پیشبرد صنعت نانوکامپوزیتها ایفا می‌کنند. ویژگیهای منحصر به فرد این مواد کمک می‌کند تا بتوان خواص و کاربردهای متنوعی را از محصول انتظار داشــت.

ماشین های تزریق
وظایف ماشین های تزریق:- آماده سازی مواد قابل استفاده و فشارهای مورد نیاز مرحله تزریق- پر کردن محفظه قالب ماشین تزریق با مواد و – هدایت حرکات باز کردن قالب، بیرون انداختن قطعه ریختگی و همچنین بستن و نگهداشتن قالب. در مورد اول به عهده واحد تزریق بوده، در صورتی که مورد سوم بهوسیله واحد بستن انجام می شود (شکل 2).واحد تزریق:واحد تزریق وظیفه دارد، مواد قالب را که بیشتر به صورت گرانول است به جلو رانده، ذوب، هموژنیزه و همچنین خمیری کرده و بالاخره به درون قالب فشار دهد (شکل 1).به این منظور در یک اسکترودر حلزونی پیستونی (شکل 2)، یک حلزون سه ناحیه ای در داخل یک سیلندر می چرخد. مواد گرانول ناحیه مکش، تراکم و رانش را طی کرده تا در محفظه جلویی حلزون به عنوان یک مذاب قابل انجام کار آماده شود.پس از مرحله خمیری شدن، حلزونی متوقف می شود، تا اینکه به وسیله یک سیلندر هیدرولیکی با یک حرکت محوری سریع تا ناحیه 1000 mm/s، مذاب به محفظه قالب فشرده شود (شکل 1).کمیتهای تنظیمتعداد دور حلزونی علاوه بر قطر حلزون به اندازه سرعت محیطی که از ظرف شرکت های سازنده مواد داده می شود بستگی دارد

در گذشته، تولید قالب‌های تزریق پلاستیک با هزینه بسیار بالایی همراه بود. این قالب‌ها عموماً تنها در تولید انبوه و جایی که هزاران نمونه از محصولی مورد نیاز بود، مورد استفاده قرار می‌گرفتند. قالب‌ها معمولاً از فولاد سخت، فولاد از پیش سخت‌شده، آلومینیوم و آلیاژهای مس-بریلیم ساخته می‌شوند. مسئله‌ی انتخاب جنس قالب در وهله‌ی اول مسئله‌ای است کاملاً اقتصادی. تولید قالب‌های فولادی عموماً با هزینه‌ی بیشتری نسبت به قالب‌های دیگر همراه است، اما طول‌عمر زیاد آن‌ها که تولید بیشتر محصول، پیش از فرسودگی قالب را در پی خواهد داشت، شرایط اقتصادی را به تعادل می‌کشاند. قالب‌های فولاد از پیش سخت‌شده زودتر دچار فرسودگی شده و عموماً از آن‌ها در حجم پایین تولید و یا تولید قطعات بزرگ استفاده می‌گردد. سختی فولاد از پیش سخت‌شده معمولاً عددی مابین 38 تا 45 در مقیاس راکول می‌باشد. از نقطه‌نظر طول‌عمر و مقاومت در برابر فرسودگی، قالب‌های فولاد سخت بدون تردید برترین گزینه موجود می‌باشند. سختی این قالب‌ها عددی است مابین 50 تا 60 در مقیاس راکول.
در حال حاضر، قالب‌های آلومینیومی از هزینه‌ی تولید به مراتب پایین‌تری نسبت به قالب‌های فولادی برخوردارند. در عین حال که آلومینیوم درجه بالا مانند QC-7 و QC-10 مستعمل در صنایع هوایی، توسط تجهیزات کامپیوتری مدرنی ماشین‌کاری و مورد استفاده قرار می‌گیرند، آلومینیوم می‌تواند برای ساخت قالب‌ صدها هزار قطعه‌ی گوناگون گزینه‌ای اقتصادی و به‌صرفه تلقی گردد. همچنین، قالب‌های آلومینیومی به سبب از دست دادن سریع حرارت، از فرآیند ساخت کوتاه‌تری برخوردارند. علاوه بر این، جهت مقاومت بیشتر در برابر فرسودگی، می‌توان این قالب‌ها را با لایه‌ای از فایبرگلاس تقویت‌شده پوشش داد. آلیاژهای مس-بریلیم نیز در قسمت‌هایی از قالب که می‌بایست از قابلیت انتقال حرارت بهتری برخوردار باشند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
اجزای کلی قالب تزریق
قالب‌ها متشکل از دو نیمه‌ی اصلی می‌باشند، نیمه‌ی تزریق و نیمه‌ی پَران . هر دو نیمه‌ی قالب درون دستگاه تزریق پلاستیک جاسازی شده ولی تنها نیمه‌ی انتهاییِ قالب قادر به حرکت می‌باشد. در نتیجه، دو نیمه‌ی قالب می‌توانند از یکدیگر فاصله گرفته و یا به یکدیگر متصل شوند. خط تماس دو نیمه‌ی قالب اصطلاحاً مرز قطعه‌گیری (محل برخورد دو نیمه‌ی قالب با یکدیگر) نامیده می‌شود. دو مؤلفه‌ی اصلی هر قالب، هسته یا اصطلاحاًماهیچه و حفره یا کویته‌ی قالب می‌باشند. زمانی که قالب بسته است، فاصله بین ماهیچه و کویته‌ی قالب محل شکل‌گیری قطعه‌ی موردنظر (که سپس با مواد مذاب پر می‌گردد) را تشکیل می‌دهد. با توجه به این موضوع، قالب‌های چند کویته گاهاً برای شکل‌گیری چند قطعه به طور همزمان مورد استفاده قرار می‌گیرند.
 
کانال‌های قالب
در ابتدا، رزین پلاستیک از طریق اسپرو وارد قالب می‌شود. وظیفه‌ی بوش اسپرو (و حلقه‌ی جاگیری) محکم نگاه داشتن قالب در مقابل نازل سیلندر تزریق است تا مواد مذاب بدین وسیله از سیلندر به قالب وارد شود. بوش اسپرو مواد مذاب را از طریق کانال‌هایی که در سطح صفحات A و B ایجاد گردیده‌اند به سوی کویته هدایت می‌کند. مواد مذاب می‌تواند از میان کانال‌های ذکر شده به گردش درآید و لذا گاهاً بر این کانال‌ها Runner یا راهگاه نیز اطلاق می‌گردد. پس از گردش از میان راهگاه، مواد مذاب از گیت‌ یا گیت‌های ویژه‌ی طراحی‌شده عبور و نهایتاً جهت شکل‌گیری قطعه تزریقی به فضای کویته وارد می‌شود. مقدار رزین موردنیاز جهت پر کردن اسپرو، راهگاه و کویته‌ی‌ قالب اصطلاحاً شات خوانده می‌شود. طبیعتاً مواد مذابی که درون راهگاه‌ها سرد می‌شوند، در هنگام خروج قطعه از قالب، به بدنه‌ی اصلی قطعه متصل‌اند و لذا می‌بایست از آن جدا گردند. اگرچه، گاهی راهگاه‌ها توسط سیستم ویژه‌ای حرارت دیده و در نتیجه مواد باقی‌مانده در آنها مجدداً ذوب و از بدنه‌ی قطعه‌ی اصلی جدا می‌گردد. نوع دیگری از کانال‌های موجود در سطوح قالب، کانال‌های خنک‌سازیمی‌باشند. روش استاندارد سرد کردن قطعه عبارت است از عبور دادن عنصری خنک‌کننده (مانند آب) از میان سوراخ‌های حفر شده در صفحات قالب که با استفاده از شیلنگ، معبر یکپارچه‌ای را تشکیل می‌دهند. عنصر خنک‌کننده با گردش در نقاط مجاور کویته، حرارت قالب را جذب (که خود حرارت پلاستیک مذاب را جذب نموده است) و آن را در دمای مناسبی حفظ کرده تا جامد‌سازی مواد مذاب با سرعت بهینه‌ای انجام پذیرد.
 

هواگیری قالب
هوای محبوس درون قالب می‌تواند از طریق دریچه‌های هوای تعبیه شده در مرز قطعه‌گیری قالب به خارج از آن منتقل شود. در صورتی که این هوای محبوس خارج نشود، توسط فشار وارده از جانب مواد جاری در راهگاه فشرده و نتیجتاً در گوشه‌ی کویته محبوس می‌گردد. در پی آن، هوای محبوس از نفوذ مواد به قالب جلوگیری کرده و نقوصی را نیز به همراه خواهد داشت. به علاوه، فشردگی هوای محبوس می‌تواند به میزانی باشد که موجب داغ کردن و سوزاندن مواد مذاب اطرف شود.
خارج‌سازی قطعه از قالب
همانطور که پیش‌تر ذکر گردید، نیمه‌ی پشتی قالب به نام نیمه‌ی پَران شناخته می‌شود. دلیل این نام‌گذاری به علت عملکرد آن در خروج قطعه از قالب است. این نیمه شامل سیستم پَران (که ماهیچه‌ی قالب به آن متصل می‌شود) و صفحه‌ی پشتیبان می‌باشد. سیستم پَران در حقیقت متشکل از صفحه،جعبه و پین‌های پَران است. زمانی که واحد گیره‌ی دستگاه تزریق دو نیمه‌ی قالب را از یکدیگر جدا می‌سازد، میله‌ی پَران، سیستم پَران را فعال می‌کند. این میله صفحه‌ی پَران را به داخل جعبه‌ی پَران هدایت کرده که این نیز به نوبه‌ی خود موجب جلو رانده شدن پین‌های پَران به سمت قطعه‌ی قالب‌گیری شده می‌گردد. در نتیجه، فشار وارده توسط پین‌های پَران باعث بیرون راندن قطعه از فضای کویته‌ی قالب می‌شود. قالب‌های تزریق پلاستیک عموماً به گونه‌ای طراحی می‌گردند که قطعه در هنگام باز شدن به شکلی مطمئن در نیمه‌ی پَران مستقر بوده و راهگاه و همچنین اسپرو از نیمه‌ی تزریق کاملاً جدا گردند.