قابلية اللحام الريولوجية

تُراعي قابلية اللحام الريولوجية ( RW ) للمواد البلاستيكية الحرارية خصائص تدفق المادة لتحديد قابلية لحامها. ^{[ 1 ]} تتطلب عملية لحام المواد البلاستيكية الحرارية ثلاث خطوات رئيسية: أولها تحضير السطح، وثانيها تطبيق الحرارة والضغط لخلق تلامس وثيق بين المكونات المراد لحامها وبدء الانتشار بين الجزيئات عبر الوصلة، وثالثها التبريد. ^{[ 2 ]} يمكن استخدام قابلية اللحام الريولوجية (RW) لتحديد فعالية الخطوة الثانية من العملية بالنسبة لمواد معينة.

علم الريولوجيا هو دراسة تدفق المواد وكيفية تشوهها تحت تأثير قوة خارجية. ^{[ 3 ]} تُطبق الخصائص الريولوجية عادةً على السوائل غير النيوتونية، ولكن يمكن تطبيقها أيضًا على المواد الصلبة اللينة ^{[ 4 ]} مثل اللدائن الحرارية عند درجات الحرارة المرتفعة التي تتعرض لها أثناء عملية اللحام. تشمل خصائص المادة المرتبطة بالسلوك الريولوجي اللزوجة، والمرونة، واللدونة، واللزوجة المرنة ، وطاقة تنشيط المادة كدالة لدرجة الحرارة. ^{[ 3 ] [ 2 ]}

لفهم الخصائص الريولوجية للمادة، من المهم أيضًا إدراك علاقة الإجهاد والانفعال لتلك المادة عند درجات حرارة مختلفة. وتُحقق هذه العلاقة من خلال القياس التجريبي للتشوه الناتج كدالة للقوة المطبقة. ^{[ 3 ]}

كلما انخفضت قيمة η ، كان أداء RW أفضل

فيما يتعلق بتقنية القطرة الساكنة ، يتم تحديد التبلل من خلال درجة التلامس البيني ويتم قياسه كمياً من خلال زاوية التلامس ( θ _c ) لسائل على سطح صلب عند التوازن ، كما هو موضح في الشكل 1. يتم إعطاء العلاقة المتبادلة بين زاوية التلامس والتوترات السطحية عند التوازن بواسطة معادلة يونغ: ^{[ 6 ]}

${\displaystyle \gamma _{SG}\ =\gamma _{SL}+\gamma _{LG}\cos {\theta _{c}},}$

أين:

• ${\displaystyle \gamma _{SG}}$= التوتر السطحي بين المواد الصلبة والغازية،
• ${\displaystyle \gamma _{SL}}$= التوتر السطحي بين المواد الصلبة والسائلة،
• ${\displaystyle \gamma _{LG}}$= التوتر السطحي بين السائل والغاز،
• ${\displaystyle \theta _{c}}$= زاوية التلامس.

لتحقيق ترطيب مثالي ، يجب تقليل زاوية التلامس ( θc ₎ عند الاتزان . مع ذلك، لا ينطبق هذا إلا عند الاتزان ، ويعتمد معدل الوصول إلى الاتزان على التوازن بين قوة دافعة الترطيب ولزوجة السائل. في حالة مصهورات البوليمر ، قد تكون اللزوجة عالية جدًا، وقد يستغرق الوصول إلى زاوية التلامس عند الاتزان وقتًا طويلًا (من المرجح أن تكون زاوية التلامس الديناميكية أعلى من زاوية التلامس عند الاتزان).

وبالتالي، عند تقييم قابلية اللحام ، يجب مراعاة لزوجة اللدائن الحرارية المنصهرة ( مصاهير البوليمر ) لأن اللحام عملية سريعة. ويمكن القول إنه كلما انخفضت اللزوجة أثناء عملية اللحام (عند درجة حرارة وضغط اللحام)، تحسنت قابلية اللحام .

مع الأخذ في الاعتبار أن اللزوجة ( η ) تنخفض مع ارتفاع درجة الحرارة ( T ) ومعدل القص (${\displaystyle {\dot {\gamma }}}$بالنسبة لمعظم مصهورات البوليمر ، تكون قابلية اللحام أفضل حيث تكون درجة الحرارة ومعدل القص (الحركة) أعلى ضمن المقطع العرضي الكامل لمنطقة اللحام. ^{[ 2 ] [ 1 ]}

كلما انخفضت مرونة المادة ، كان أداء RW أفضل

يمكن وصف المرونة بشكل أفضل من خلال شد شريط مطاطي. فعند شد الشريط المطاطي، يتمدد، وعند تخفيف قوة الشد وإزالتها تمامًا، يعود الشريط المطاطي إلى طوله الأصلي. وبالمثل، عند تطبيق قوة أو حمل على معظم المواد، تتشوه المادة، وطالما لم تتجاوز القوة حد المرونة، فإنها تعود إلى شكلها الأصلي عند إزالة القوة أو الحمل. تُسمى خاصية المادة المرتبطة بمرونتها معامل يونغ، وتُحدد العلاقة بين مقدار التشوه وحمل معين بقانون هوك . ^{[ 3 ]}

${\displaystyle \sigma =E\left(L-Lo\right)/Lo}$

أين${\displaystyle \sigma }$، أو الإجهاد الذي تتعرض له المادة ويساوي التغير في الطول مقسومًا على الطول الأصلي مضروبًا في مرونة المادة أو معامل يونغ "E".

كلما انخفضت لدونة المادة ، كان ذلك أفضل بالنسبة لـ RW

تُسمى قدرة المادة على التشوه المرن مع مقاومة التدفق باللدونة. ^{[ 3 ]} عندما تتجاوز القوة أو الحمل المطبق حد المرونة للمادة، تبدأ المادة بالتشوه اللدن، ولن تعود إلى شكلها الأصلي. خلال عمليات لحام البوليمرات، يحدث هذا عند درجات حرارة أعلى من درجة حرارة التحول الزجاجي وأقل من درجة انصهار المادة. ^{[ 3 ]}

كلما انخفضت قيمة | E _a |، كان أداء RW أفضل

أثناء عملية اللحام، يتدفق الجزء المنصهر من اللدائن الحرارية ( المنتجات البوليمرية ) عبر سطح التماس. يؤدي انخفاض التدفق إلى انخفاض الانتشار عند سطح التماس، وبالتالي انخفاض قوة اللحام. لكي يتدفق البوليمر المنصهر، يجب أن تكون أجزاء السلسلة الجزيئية الكبيرة قادرة على الحركة. عندما تكتسب هذه الأجزاء طاقة حرارية كافية لتجاوز حاجز الطاقة، تبدأ بالتحرك بسهولة. يُسمى حاجز الطاقة هذا طاقة التنشيط ( Ea ₎ . يمكن القول أنه كلما انخفضت القيمة المطلقة لطاقة التنشيط (| Ea _{| )} للبوليمر ، تحسنت قابليته للحام .

| E _a | تنخفض قيم البوليمرات مثل PVC مع زيادة معدل القص (${\displaystyle {\dot {\gamma }}}$^{[ 2 ] [ 1 ]} مما يعني قابلية لحام أفضل حيث يكون معدل القص (الحركة) أعلى ضمن المقطع العرضي الكامل لمنطقة اللحام.

باستخدام اللزوجة - معدل القص (${\displaystyle \eta -{\dot {\gamma }}}$) البيانات عند درجات حرارة مختلفة للبوليمر ، يمكن حساب طاقة التنشيط ( E _{a ) عبر} معادلة أرهينيوس : ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

${\displaystyle \eta =C\exp \left({\frac {-E_{a}}{RT}}\right),}$

أين:

• η هي لزوجة البوليمر المنصهر،
• C هو العامل الأسي المسبق ،
• R هو ثابت الغازات العام ،
• T هي درجة الحرارة المطلقة .

يمكن حساب القيمة المطلقة لطاقة التنشيط (| E _{a |) عن طريق أخذ} اللوغاريتم الطبيعي لمعادلة أرهينيوس . (انظر معادلة أرهينيوس ).

تعتمد عملية لحام البوليمرات على التلامس الوثيق الذي يؤدي إلى انتشار جزيئي وتشابك السلاسل عبر وصلة اللحام. يتطلب هذا أن يكون البوليمر في حالة انصهار، حيث تؤثر لزوجة المصهور وسلوك التدفق بشكل كبير على مقدار الانتشار والتشابك. ^{[ 10 ]} لذلك، تكون قابلية اللحام الريولوجية في أفضل حالاتها بين المواد ذات درجات حرارة انصهار ولزوجة متطابقة أو متقاربة جدًا. ^{[ 2 ]} كما أن انخفاض لزوجة المادة وطاقات تنشيطها يؤدي إلى تحسين قابلية لحامها. ^{[ 2 ]} على سبيل المثال، أظهر لحام المواد شبه البلورية مع مواد شبه بلورية متوافقة، والمواد غير المتبلورة مع مواد غير متبلورة متوافقة، أفضل النتائج. ^{[ 5 ]}  في حين أن التحليل الريولوجي يمكن أن يوفر فهمًا معقولًا لقابلية لحام المادة، ^{[ 2 ]} إلا أنه في معظم الحالات، يسبق لحام الإنتاج عادةً سلسلة من الاختبارات للتحقق من التوافق بين المادتين الأساسيتين والعملية المستخدمة. ^{[ 5 ]}

على غرار لحام المعادن، يتعرض لحام البوليمر المتصلب لإجهادات متبقية متأصلة في عملية الربط. في حالة البوليمرات، تُعزى هذه الإجهادات المتبقية جزئيًا إلى معدل تدفق الضغط، مما يؤدي إلى اتجاه محاذاة جزيئية محدد، يؤثر في نهاية المطاف على قوة اللحام وجودته الإجمالية. ^{[ 10 ]}   إن الفهم الدقيق للخصائص الريولوجية للمواد المراد ربطها يُساعد في تحديد الإجهادات المتبقية الناتجة، وبالتالي يُوفر رؤى ثاقبة حول طرق المعالجة التي يُمكن أن تُقلل من هذه الإجهادات. ^{[ 10 ]}

^{[ 5 ]}

• طاقة التنشيط
• معادلة أرهينيوس
• لحام البلاستيك
• علم الريولوجيا
• قابلية اللحام
• اللحام
• ترطيب