بثق البلاستيك

تُعدّ عملية بثق البلاستيك عملية تصنيع واسعة النطاق، حيث يُصهر البلاستيك الخام ويُشكّل في شكل متواصل . وتُنتج هذه العملية منتجات مثل الأنابيب، وشرائط منع التسرب ، والأسوار، ودرابزينات الشرفات ، وإطارات النوافذ ، والأغشية والصفائح البلاستيكية ، والطلاءات الحرارية ، وعوازل الأسلاك.

تبدأ هذه العملية بتغذية مادة بلاستيكية (حبيبات، أو رقائق، أو مساحيق) من قادوس إلى أسطوانة جهاز البثق. تُصهر المادة تدريجيًا بفعل الطاقة الميكانيكية المتولدة من دوران البراغي والسخانات المرتبة على طول الأسطوانة. ثم يُدفع البوليمر المنصهر إلى قالب يُشكّله إلى شكل يتصلب أثناء التبريد. ^{[ 1 ]}

طُوِّرت النماذج الأولية للآلة الحديثة للبثق في أوائل القرن التاسع عشر. ففي عام ١٨٢٠، اخترع توماس هانكوك آلة "مضغ" مطاطية مصممة لاستعادة بقايا المطاط المُعالَج، وفي عام ١٨٣٦، طوّر إدوين تشافي آلة ذات بكرتين لخلط الإضافات بالمطاط . ^{[ ٢ ]} أُجريت أول عملية بثق للمواد البلاستيكية الحرارية في عام ١٩٣٥ على يد بول تروستر وزوجته آشلي غيرشوف في هامبورغ ، ألمانيا. وبعد ذلك بوقت قصير، طوّر روبرتو كولومبو من شركة LMP أولى آلات البثق ذات اللولب المزدوج في إيطاليا. ^{[ ٣ ]}

في عملية بثق البلاستيك، تكون المادة الخام عادةً على شكل حبيبات صغيرة (تُسمى غالبًا بالراتنج) تُغذى بالجاذبية من قادوس علوي إلى أسطوانة جهاز البثق. تُستخدم إضافات مثل الملونات ومثبطات الأشعة فوق البنفسجية (سواءً كانت سائلة أو حبيبية) ويمكن خلطها مع الراتنج قبل وصوله إلى القادوس. تتشابه هذه العملية إلى حد كبير مع قولبة حقن البلاستيك من حيث تقنية جهاز البثق، إلا أنها تختلف عنها في كونها عملية مستمرة في الغالب. بينما يُمكن لعملية السحب أن تُنتج العديد من الأشكال المشابهة بأطوال مستمرة، مع إضافة مواد تقوية عادةً، إلا أن ذلك يتم عن طريق سحب المنتج النهائي من قالب بدلاً من بثق مصهور البوليمر من خلاله.

يدخل البلاستيك عبر فتحة التغذية (فتحة قرب الجزء الخلفي من الأسطوانة) ويتلامس مع البرغي. يدفع البرغي الدوار (عادةً بسرعة 120 دورة في الدقيقة مثلاً) حبيبات البلاستيك إلى الأمام داخل الأسطوانة الساخنة. نادراً ما تتساوى درجة حرارة البثق المطلوبة مع درجة حرارة الأسطوانة المضبوطة بسبب التسخين اللزج وعوامل أخرى. في معظم العمليات، يُضبط برنامج تسخين للأسطوانة، حيث تعمل ثلاث مناطق تسخين مستقلة أو أكثر، يتم التحكم فيها بواسطة نظام PID، على رفع درجة حرارة الأسطوانة تدريجياً من الخلف (حيث يدخل البلاستيك) إلى الأمام. يسمح هذا لحبيبات البلاستيك بالذوبان تدريجياً أثناء دفعها عبر الأسطوانة، ويقلل من خطر ارتفاع درجة الحرارة الذي قد يؤدي إلى تدهور البوليمر .

يُساهم الضغط والاحتكاك الشديدان داخل الأسطوانة في زيادة الحرارة. في الواقع، إذا كان خط البثق يُعالج مواد معينة بسرعة كافية، يُمكن إيقاف تشغيل السخانات والحفاظ على درجة حرارة المادة المنصهرة بالاعتماد على الضغط والاحتكاك فقط داخل الأسطوانة. في معظم آلات البثق، توجد مراوح تبريد للحفاظ على درجة الحرارة دون قيمة محددة في حال توليد حرارة زائدة. إذا لم يكن التبريد بالهواء القسري كافيًا، تُستخدم أغلفة تبريد مصبوبة.

في مقدمة الأسطوانة، يخرج البلاستيك المنصهر من البرغي ويمر عبر مجموعة من الشاشات لإزالة أي شوائب. تُدعّم الشاشات بلوحة تكسير (قرص معدني سميك مثقوب) لأن الضغط عند هذه النقطة قد يتجاوز 34 ميجا باسكال (5000 رطل لكل بوصة مربعة ). كما تُسهم مجموعة الشاشات ولوحة التكسير في توليد ضغط عكسي داخل الأسطوانة. هذا الضغط ضروري لذوبان متجانس وخلط البوليمر بشكل صحيح، ويمكن التحكم في مقدار الضغط المتولد بتغيير تركيبة مجموعة الشاشات (عدد الشاشات، وحجم نسيجها السلكي، وغيرها من العوامل). كما تُزيل هذه المجموعة من لوحة التكسير والشاشات "الذاكرة الدورانية" للبلاستيك المنصهر، وتُنشئ بدلاً منها "ذاكرة طولية".

بعد مرور البلاستيك المنصهر عبر لوحة التكسير، يدخل إلى القالب. يُعطي القالب المنتج النهائي شكله، ويجب تصميمه بحيث يتدفق البلاستيك المنصهر بسلاسة من شكل أسطواني إلى شكل المنتج النهائي. قد يؤدي التدفق غير المنتظم في هذه المرحلة إلى إنتاج منتج ذي إجهادات متبقية غير مرغوب فيها في نقاط معينة من الشكل، مما قد يتسبب في التواء المنتج عند التبريد. يمكن إنتاج مجموعة واسعة من الأشكال، ولكنها تقتصر على الأشكال المتصلة.

يجب الآن تبريد المنتج، ويتم ذلك عادةً بسحب المادة المبثوقة عبر حمام مائي. تُعدّ المواد البلاستيكية عازلة حرارية ممتازة، ولذلك يصعب تبريدها بسرعة. بالمقارنة مع الفولاذ ، ينقل البلاستيك حرارته ببطءٍ أكبر بألفي مرة. في خط بثق الأنابيب، يُطبّق فراغ مُحكم التحكم على حمام مائي مغلق لمنع انهيار الأنبوب المُشكّل حديثًا والذي لا يزال منصهرًا. بالنسبة لمنتجات مثل الألواح البلاستيكية، يتم التبريد بسحبها عبر مجموعة من بكرات التبريد. أما بالنسبة للأغشية والألواح الرقيقة جدًا، فيمكن أن يكون التبريد بالهواء فعالًا كمرحلة تبريد أولية، كما هو الحال في بثق الأغشية المنفوخة.

تُستخدم آلات بثق البلاستيك على نطاق واسع لإعادة معالجة نفايات البلاستيك المعاد تدويرها أو غيرها من المواد الخام بعد تنظيفها وفرزها و/أو خلطها. ويتم بثق هذه المواد عادةً إلى خيوط مناسبة لتقطيعها إلى حبيبات أو كريات لاستخدامها كمادة أولية لمزيد من المعالجة.

يحتوي البرغي المصنوع من اللدائن الحرارية على خمس مناطق محتملة. ونظرًا لعدم وجود مصطلحات موحدة في هذا المجال، فقد تُطلق أسماء مختلفة على هذه المناطق. وتختلف تصاميم البراغي باختلاف أنواع البوليمرات، وقد لا يشمل بعضها جميع المناطق المحتملة.

تحتوي معظم البراغي على هذه المناطق الثلاث:

• منطقة التغذية (وتسمى أيضًا منطقة نقل المواد الصلبة): تقوم هذه المنطقة بتغذية الراتنج إلى جهاز البثق، وعادة ما يكون عمق القناة هو نفسه في جميع أنحاء المنطقة.
• منطقة الانصهار (وتسمى أيضًا منطقة الانتقال أو الضغط): يتم انصهار معظم البوليمر في هذا القسم، ويصبح عمق القناة أصغر تدريجيًا.
• منطقة القياس (وتسمى أيضاً منطقة نقل المصهور): تعمل هذه المنطقة على صهر الجزيئات الأخيرة وخلطها للحصول على درجة حرارة وتركيب متجانسين. وكما هو الحال في منطقة التغذية، يظل عمق القناة ثابتاً في جميع أنحاء هذه المنطقة.

بالإضافة إلى ذلك، يحتوي البرغي ذو الفتحات (ثنائي المراحل) على:

• منطقة تخفيف الضغط. في هذه المنطقة، على بعد حوالي ثلثي طول البرغي، تصبح القناة فجأة أعمق، مما يخفف الضغط ويسمح بسحب أي غازات محصورة (رطوبة، هواء، مذيبات، أو مواد متفاعلة) عن طريق الفراغ.
• منطقة القياس الثانية. تشبه هذه المنطقة منطقة القياس الأولى، ولكن بعمق قناة أكبر. وتعمل على إعادة ضغط المعدن المنصهر لتمريره عبر مقاومة الشاشات والقالب.

غالبًا ما يُشار إلى طول البرغي بالنسبة لقطره بنسبة الطول إلى القطر (L:D). على سبيل المثال، يبلغ طول برغي قطره 6 بوصات (150 مم) بنسبة 24:1، 144 بوصة (12 قدمًا)، بينما يبلغ طوله 192 بوصة (16 قدمًا) بنسبة 32:1. تُعد نسبة الطول إلى القطر 25:1 شائعة، ولكن بعض الآلات تصل إلى 40:1 لزيادة الخلط والإنتاجية مع الحفاظ على نفس قطر البرغي. أما البراغي ثنائية المراحل (ذات التهوية) فتكون عادةً بنسبة 36:1 لمراعاة منطقتي الخلط الإضافيتين.   

تُجهز كل منطقة بواحد أو أكثر من المزدوجات الحرارية أو أجهزة قياس درجة الحرارة المقاومة (RTDs) في جدار الأسطوانة للتحكم في درجة الحرارة. ويُعدّ "التوزيع الحراري"، أي درجة حرارة كل منطقة، بالغ الأهمية لجودة وخصائص المنتج النهائي.

تشمل المواد البلاستيكية النموذجية المستخدمة في عملية البثق على سبيل المثال لا الحصر: البولي إيثيلين (PE)، والبولي بروبيلين ، والبولي أسيتال ، والأكريليك ، والنايلون (البولي أميدات)، والبوليسترين ، وبولي فينيل كلوريد (PVC)، وأكريلونيتريل بوتادين ستايرين (ABS) ، والبولي كربونات . ^{[ 4 ]}

تُستخدم قوالب متنوعة في عملية بثق البلاستيك. ورغم وجود اختلافات كبيرة بين أنواع القوالب ومدى تعقيدها، فإن جميع القوالب تسمح بالبثق المستمر للبوليمر المنصهر، على عكس عمليات المعالجة غير المستمرة مثل قولبة الحقن .

بثق الأغشية المنفوخة

يتم تصنيع الأغشية البلاستيكية لمنتجات مثل عبوات الطعام وأكياس التسوق والصفائح المتواصلة باستخدام خط إنتاج الأغشية المنفوخة . ^{[ 5 ]}

تُشابه هذه العملية عملية البثق التقليدية حتى الوصول إلى القالب. تُستخدم ثلاثة أنواع رئيسية من القوالب في هذه العملية: القوالب الحلقية (أو ذات الرأس المتقاطع)، والقوالب العنكبوتية، والقوالب الحلزونية. تُعد القوالب الحلقية أبسطها، وتعتمد على توجيه مصهور البوليمر حول المقطع العرضي الكامل للقالب قبل خروجه منه؛ مما قد يؤدي إلى تدفق غير منتظم. تتكون القوالب العنكبوتية من مغزل مركزي متصل بحلقة القالب الخارجية عبر عدد من "الأرجل"؛ ورغم أن التدفق يكون أكثر تماثلًا من القوالب الحلقية، إلا أنه ينتج عددًا من خطوط اللحام التي تُضعف الفيلم. أما القوالب الحلزونية فتُزيل مشكلة خطوط اللحام والتدفق غير المتماثل، ولكنها الأكثر تعقيدًا. ^{[ 6 ]}

يُبرَّد المصهور قليلاً قبل خروجه من القالب، ما يُنتج أنبوبًا شبه صلب ضعيفًا. يتمدد قطر هذا الأنبوب بسرعة بفعل ضغط الهواء، ثم يُسحب لأعلى بواسطة بكرات، ما يؤدي إلى شد البلاستيك في الاتجاهين العرضي والسحب. يتسبب السحب والنفخ في أن يكون الغشاء أرق من الأنبوب المبثوق، كما يُرتب سلاسل جزيئات البوليمر بشكل تفضيلي في الاتجاه الذي يتعرض لأكبر قدر من الإجهاد البلاستيكي . إذا سُحب الغشاء أكثر مما نُفخ (أي أن قطر الأنبوب النهائي قريب من قطر الأنبوب المبثوق)، فإن جزيئات البوليمر ستكون متراصفة بشكل كبير مع اتجاه السحب، ما يُنتج غشاءً قويًا في هذا الاتجاه، ولكنه ضعيف في الاتجاه العرضي. أما الغشاء ذو ​​القطر الأكبر بكثير من قطر الأنبوب المبثوق، فسيكون أكثر قوة في الاتجاه العرضي، ولكنه أقل قوة في اتجاه السحب.

في حالة البولي إيثيلين والبوليمرات شبه البلورية الأخرى، عندما يبرد الغشاء، يتبلور عند ما يُعرف بخط التجمد . ومع استمرار تبريد الغشاء، يُسحب عبر عدة مجموعات من بكرات الضغط لتسويته وتحويله إلى أنبوب مسطح، والذي يمكن بعد ذلك لفه على بكرات أو تقطيعه إلى لفتين أو أكثر من الصفائح.

بثق الأنابيب

تُصنع الأنابيب المبثوقة ، مثل أنابيب PVC، باستخدام قوالب مشابهة لتلك المستخدمة في بثق الأغشية المنفوخة. يمكن تطبيق ضغط موجب على التجاويف الداخلية عبر الدبوس، أو ضغط سالب على القطر الخارجي باستخدام جهاز قياس فراغي لضمان الأبعاد النهائية الصحيحة. ويمكن إضافة تجاويف أو ثقوب إضافية عن طريق إضافة المندريلات الداخلية المناسبة إلى القالب.

تتواجد تطبيقات الأنابيب متعددة الطبقات بشكل دائم في صناعة السيارات، وصناعة السباكة والتدفئة، وصناعة التعبئة والتغليف.

البثق المشترك

البثق المشترك هو عملية بثق طبقات متعددة من المواد في آنٍ واحد. يستخدم هذا النوع من البثق جهازين أو أكثر لصهر وتوصيل تدفق حجمي ثابت من أنواع مختلفة من البلاستيك اللزج إلى رأس بثق واحد (قالب) يقوم ببثق المواد بالشكل المطلوب. تُستخدم هذه التقنية في جميع العمليات المذكورة أعلاه (الأغشية المنفوخة، والتغليف الخارجي، والأنابيب، والصفائح). يتم التحكم في سماكة الطبقات من خلال السرعات والأحجام النسبية لأجهزة البثق الفردية التي تُوصل المواد.

في العديد من التطبيقات العملية، لا يستطيع بوليمر واحد تلبية جميع متطلبات التطبيق. يسمح البثق المركب ببثق مادة ممزوجة، بينما يحافظ البثق المشترك على المواد المنفصلة كطبقات مختلفة في المنتج المبثوق، مما يسمح بوضع المواد ذات الخصائص المختلفة بشكل مناسب، مثل نفاذية الأكسجين، والقوة، والصلابة، ومقاومة التآكل.

البثق المركب هو عملية يتم فيها مزج بوليمر واحد أو أكثر مع إضافات لإنتاج مركبات بلاستيكية. قد تكون المواد الأولية على شكل حبيبات أو مسحوق أو سوائل، ولكن المنتج النهائي عادةً ما يكون على شكل حبيبات، لاستخدامه في عمليات تشكيل البلاستيك الأخرى مثل البثق والقولبة بالحقن. وكما هو الحال في البثق التقليدي، يوجد نطاق واسع من أحجام الآلات حسب التطبيق والإنتاجية المطلوبة. في حين أنه يمكن استخدام آلات البثق أحادية أو ثنائية اللولب في البثق التقليدي، فإن ضرورة الخلط الكافي في البثق المركب تجعل آلات البثق ثنائية اللولب شبه إلزامية. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

يوجد نوعان فرعيان من طاردات اللولب المزدوج: متزامنة الدوران ومتعاكسة الدوران. تشير هذه التسمية إلى اتجاه دوران كل لولب بالنسبة للآخر. في وضع الدوران المتزامن، يدور كلا اللولبين إما باتجاه عقارب الساعة أو عكسها؛ أما في وضع الدوران المتعاكس، فيدور أحد اللولبين باتجاه عقارب الساعة بينما يدور الآخر عكسها. وقد ثبت أنه بالنسبة لمساحة مقطع عرضي معينة ودرجة تداخل محددة، تكون السرعة المحورية ودرجة الخلط أعلى في طاردات اللولب المزدوج متزامنة الدوران. مع ذلك، يكون تراكم الضغط أعلى في طاردات اللولب المتعاكسة الدوران. ^{[ 10 ]} يتميز تصميم اللولب عادةً ببنيته المعيارية، حيث تُرتّب عناصر النقل والخلط المختلفة على الأعمدة للسماح بإعادة التكوين السريع لتغيير العملية أو استبدال المكونات الفردية بسبب التآكل أو التلف الناتج عن التآكل. تتراوح أحجام الآلات من 12  مم إلى 380 مم [12- خلط البوليمر بقلم جيمس وايت، الصفحات 129-140]

من أهم مزايا عملية البثق إمكانية تصنيع مقاطع مثل الأنابيب بأي طول. فإذا كانت المادة مرنة بما يكفي، يمكن تصنيع الأنابيب بأطوال طويلة حتى عند لفها على بكرة. ومن المزايا الأخرى إمكانية بثق الأنابيب المزودة بوصلة مدمجة، بما في ذلك مانع التسرب المطاطي. ^{[ 11 ]}