تأثیر رطوبت بر خواص فیزیکی و مکانیکی پلاستیک و راه‌حل آن

رطوبت، به عنوان یکی از مهمترین عوامل محیطی، تأثیرات چشمگیری بر خواص فیزیکی و مکانیکی پلاستیک‌ها، به ویژه در فرآیند تولید و همچنین در طول عمر مفید محصول نهایی دارد. درک این تأثیرات و راهکارهای مقابله با آن، برای تضمین کیفیت و عملکرد بهینه محصولات پلاستیکی ضروری است.

تأثیر رطوبت بر خواص فیزیکی و مکانیکی پلاستیک

تأثیر رطوبت بر پلاستیک‌ها بسته به نوع پلیمر (آبدوست یا آبگریز) و میزان رطوبت جذب شده متفاوت است، اما به طور کلی می‌تواند منجر به موارد زیر شود:

1. کاهش خواص مکانیکی:

• کاهش استحکام کششی و فشاری: مولکول‌های آب می‌توانند بین زنجیره‌های پلیمری نفوذ کرده و نیروهای بین مولکولی را کاهش دهند. این امر منجر به ضعیف شدن ساختار پلیمر و کاهش مقاومت آن در برابر کشش و فشار می‌شود.

• کاهش استحکام ضربه: نفوذ رطوبت می‌تواند باعث شکنندگی بیشتر پلیمر شود، به خصوص در دماهای پایین. این به دلیل ایجاد ریزترک‌ها و نقاط ضعف در ساختار پلیمر است.

• کاهش سختی (Hardness) و مقاومت به سایش: رطوبت می‌تواند باعث نرم شدن سطح پلاستیک شود که به نوبه خود مقاومت آن در برابر سایش و خراش را کاهش می‌دهد.

• کاهش مقاومت به خزش (Creep Resistance): خزش پدیده‌ای است که در آن مواد تحت بار ثابت در طول زمان تغییر شکل می‌دهند. رطوبت می‌تواند این پدیده را تشدید کند و منجر به تغییر شکل دائمی قطعه شود.

• کاهش مقاومت خمشی: مشابه استحکام کششی، مقاومت پلاستیک در برابر خمش نیز تحت تأثیر رطوبت قرار می‌گیرد.

2. تغییرات ابعادی:

• تورم و انقباض: جذب رطوبت می‌تواند منجر به تورم (افزایش حجم) در برخی پلاستیک‌ها شود. با از دست دادن رطوبت، این مواد ممکن است دچار انقباض شوند. این تغییرات ابعادی می‌توانند در کاربردهایی که نیاز به دقت ابعادی بالا دارند (مثلاً قطعات دقیق در صنایع خودروسازی و الکترونیک) مشکلات جدی ایجاد کنند.

• پیچیدگی و تاب برداشتن (Warping): جذب ناهمگن رطوبت در بخش‌های مختلف یک قطعه می‌تواند منجر به تنش‌های داخلی و در نهایت پیچیدگی یا تاب برداشتن قطعه شود.

3. تأثیرات شیمیایی (هیدرولیز):

• برای برخی از پلیمرها مانند پلی‌آمیدها (PA)، پلی‌کربنات‌ها (PC)، پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) و پلی‌بوتیلن ترفتالات (PBT)، رطوبت در حضور حرارت بالا (مانند دمای فرآیند تزریق) می‌تواند منجر به هیدرولیز شود. هیدرولیز یک واکنش شیمیایی است که در آن مولکول‌های آب با زنجیره‌های پلیمری واکنش داده و آن‌ها را شکسته یا کوتاه می‌کنند. این پدیده منجر به:
  • کاهش وزن مولکولی (Molecular Weight): کاهش وزن مولکولی به طور مستقیم با کاهش خواص مکانیکی ارتباط دارد.
  • افت شدید خواص مکانیکی: به ویژه استحکام ضربه و کششی به شدت کاهش می‌یابند.
  • تخریب پلیمری: تغییر رنگ، بوی نامطبوع و حتی تولید گازهای سمی می‌تواند رخ دهد.

4. مشکلات ظاهری محصول:

• حباب و حفره: همانطور که پیشتر گفته شد، رطوبت در اثر حرارت به بخار تبدیل شده و باعث ایجاد حباب‌های هوا یا بخار آب در محصول می‌شود.
• خطوط نقره‌ای (Silver Streaks): رطوبت و گازهای محبوس شده می‌توانند باعث ایجاد خطوط براق و رگه‌ای روی سطح قطعه شوند که به کیفیت ظاهری آسیب می‌زند.
• کدر شدن (Cloudiness) یا کاهش شفافیت: برای پلاستیک‌های شفاف، رطوبت می‌تواند باعث کدر شدن و کاهش شفافیت محصول نهایی شود.
• لایه لایه شدن (Delamination): در برخی موارد، وجود رطوبت می‌تواند باعث عدم چسبندگی لایه‌های مختلف پلیمر به یکدیگر و در نتیجه لایه لایه شدن قطعه شود.

5. مشکلات فرآیندی:

• افزایش زمان سیکل: نیاز به تزریق با سرعت کمتر یا زمان‌های خنک‌کاری طولانی‌تر برای جبران اثرات رطوبت.
• افزایش فشار تزریق: گازها و بخار آب می‌توانند باعث افزایش فشار در قالب و نیاز به فشار تزریق بالاتری شوند.
• نوسانات فرآیندی: فرآیند پایدار نیست و کنترل آن دشوار می‌شود.
• افزایش ضایعات: تمامی مشکلات فوق به طور مستقیم منجر به افزایش نرخ ضایعات و هزینه‌های تولید می‌شوند.

راه‌حل حذف رطوبت از پلاستیک

اصلی‌ترین و مؤثرترین راه حل برای مقابله با تأثیرات مخرب رطوبت، خشک کردن کامل مواد اولیه پلاستیک قبل از فرآیند تزریق (یا اکستروژن) است. این کار عمدتاً با استفاده از دستگاه‌های رطوبت‌گیر (Dehumidifiers) انجام می‌شود.

انواع روش‌های خشک کردن پلاستیک:

1. خشک‌کن‌های هوای گرم (Hot Air Dryers):

   • این ساده‌ترین نوع خشک‌کن هستند که هوای گرم را از روی گرانول‌های پلاستیک عبور می‌دهند تا رطوبت سطحی را تبخیر کنند.
   • مناسب برای پلاستیک‌هایی که رطوبت کمی جذب می‌کنند یا رطوبت آن‌ها عمدتاً سطحی است (مانند PP، PE).
   • کارایی کمتری برای پلیمرهای آبدوست (هیدروسکوپی) دارند، زیرا نمی‌توانند رطوبت جذب شده در عمق گرانول را به طور کامل خارج کنند.

2. خشک‌کن‌های جذبی یا رطوبت‌گیر (Desiccant Dryers/Dehumidifiers):

   • این رایج‌ترین و مؤثرترین روش برای خشک کردن پلیمرهای آبدوست (مانند PA، PC، PET، ABS، PBT) است.
   • مکانیزم: هوای محیط ابتدا از رطوبت‌گیر (دیسکانت) عبور داده می‌شود تا به شدت خشک شود (نقطه شبنم بسیار پایین). سپس این هوای خشک و گرم شده به قیف حاوی گرانول‌ها دمیده می‌شود. هوای گرم و خشک، رطوبت را از گرانول‌ها جذب کرده و خارج می‌کند. دیسکانت پس از جذب رطوبت، با حرارت دادن بازسازی می‌شود تا مجدداً قابلیت جذب رطوبت را پیدا کند.
   • مزایا: حذف رطوبت به طور کامل و عمیق، جلوگیری از هیدرولیز، بهبود چشمگیر کیفیت محصول و خواص مکانیکی.

3. خشک‌کن‌های تحت خلاء (Vacuum Dryers):

   • این دستگاه‌ها از ترکیب حرارت و خلاء برای کاهش نقطه جوش آب استفاده می‌کنند، که باعث تبخیر سریع‌تر رطوبت در دماهای پایین‌تر می‌شود.
   • مناسب برای پلیمرهای حساس به حرارت یا زمانی که نیاز به زمان خشک کردن بسیار کوتاه است.
   • اغلب گران‌تر و پیچیده‌تر از خشک‌کن‌های جذبی هستند.

نکات مهم در خشک کردن پلاستیک:

• دمای خشک کردن: باید بر اساس توصیه‌های سازنده ماده پلاستیک تنظیم شود. دمای ناکافی باعث خشک شدن ناقص و دمای بیش از حد می‌تواند به تخریب حرارتی پلیمر منجر شود.
• زمان خشک کردن: مدت زمان کافی برای رسیدن به حداقل رطوبت مورد نیاز، بسته به نوع پلیمر و میزان رطوبت اولیه، ضروری است.
• نقطه شبنم (Dew Point): این پارامتر نشان‌دهنده میزان خشکی هوا است. برای پلیمرهای حساس به رطوبت، نیاز به نقطه شبنم بسیار پایین (مثلاً کمتر از −40∘C) است.
• جریان هوا: باید بهینه باشد تا هوای خشک و گرم به طور یکنواخت از بین گرانول‌ها عبور کند.
• حفظ خشکی مواد: پس از خشک کردن، مواد باید در محیط خشک نگهداری شوند تا مجدداً رطوبت جذب نکنند. استفاده از قیف‌های عایق و سیستم‌های حمل و نقل مواد بسته می‌تواند کمک کننده باشد.

با اجرای صحیح فرآیند خشک کردن، می‌توان از بروز بسیاری از مشکلات ناشی از رطوبت در پلاستیک‌ها جلوگیری کرد و به تولید محصولات با کیفیت بالا، خواص مکانیکی عالی و ظاهر مطلوب دست یافت.