امتصاص الماء في البوليمرات: الآليات والتحكم

تُعتبر امتصاص الماء بواسطة البوليمرات عملية فيزيائية يتم فيها انتشار جزيئات الماء في الفجوات بين البوليمر القطاعات.

تحدد البنية الكيميائية للمادة معدل الامتصاص ومعدل امتصاص الماء عند التوازن. تحتوي البوليمرات القطبية (مثل PA و PET و PC) على مجموعات قطبية مثل مجموعات الأميد والإستر، والتي يسهل تشكيل روابط هيدروجينية معها جزيئات الماء وتتميز بامتصاص قوي للماء.

معدل امتصاص الماء عند التوازن لـ PA6 هو 2.5%~3.5%، ومعدل امتصاص الماء لـ PC غير المتبلور يبلغ حوالي 0.15%~0.3% في بيئة 23℃/50% RH. تعتبر البوليمرات غير القطبية (مثل PE و PP) صعبة الاختراق لجزيئات الماء بسبب نقص المجموعات القطبية، وعادة ما يكون معدل امتصاص الماء أقل من 0.01%.

ستؤدي تسرب جزيئات الماء إلى تدمير قوة فان der Waals وشبكة الروابط الهيدروجينية بين سلاسل البوليمر، مما يؤدي إلى تعزيز حركة القطاعات. هذا "التأثير البلاستيكي" سيغير بشكل كبير الخصائص الديناميكية الحرارية للمادة.

أظهرت الدراسات أن درجة حرارة انتقال الزجاج (Tg) لـ PA6 يمكن أن تنخفض من 60℃ إلى أقل من 40℃ بعد امتصاص الرطوبة، كما ستنخفض درجة حرارة الانصهار (Tm) تبعًا لذلك، مما يضع متطلبات صارمة على التحكم في معلمات عملية قولبة الحقن.

بالإضافة إلى ذلك، هناك اختلافات في سلوك امتصاص الماء للبوليمرات البلورية والبوليمرات غير البلورية: البنية المنتظمة للمنطقة البلورية تحد من انتشار جزيئات الماء، لذا فإن معدل امتصاص الماء للبوليمرات شبه البلورية (مثل PET) عادة ما يكون أقل من ذلك للبوليمرات غير البلورية (مثل PC)، لكن المنطقة غير البلورية لا تزال هي القناة الرئيسية لاختراق الماء.

التأثير القاتل لامتصاص الماء على عملية قولبة الحقن وحالات الفشل النموذجية

في قولبة الحقن، إذا كانت المواد الخام البوليمرية غير مجففة تمامًا، فإن الرطوبة المتبقية ستسبب عدة عيوب في المعالجة، ويمكن تقسيم آلية تلفها إلى فئتين: فيزيائية وكيميائية:

فشل فيزيائي: العيوب الناجمة عن البخار وعدم استقرار الأبعاد

عندما تدخل المواد الخام الرطبة إلى الأسطوانة، ستؤدي الحرارة العالية (200~300℃) إلى تبخر الماء بسرعة، وستنتج الفقاعات البخارية "تأثير التجويف" في المصهور. خلال مرحلة الحقن، يتم ضغط البخار داخل المنتج لتشكيل مسام دقيقة، مما يؤدي إلى ظهور خطوط فضية وفقاعات على سطح الأجزاء وبنية فضفاضة من الداخل.

على سبيل المثال، عندما يتم تشكيل مادة PC غير المجففة، ستظهر أنماط واضحة تشبه "الرش" على سطح المنتج، وستنخفض الخصائص الميكانيكية بأكثر من 30٪؛ بينما إذا تجاوزت الرطوبة المتبقية في منتجات PA6 0.2٪، يمكن أن تنخفض قوتها الشد من 80MPa إلى أقل من 50MPa، وستنخفض نسبة الإطالة عند الكسر بشكل كبير.

بالإضافة إلى ذلك، سيؤدي تبخر الماء إلى تمدد حجم المصهور، وتدمير توازن الضغط خلال عملية التعبئة، مما يتسبب في انحراف حجم المنتج. تستخدم قطعة داخلية معينة في السيارات مادة PP+30% ألياف زجاجية.

لأن محتوى الرطوبة في المادة الخام هو 0.3% (المعيار يتطلب

فشل كيميائي: التحلل المائي عند درجات حرارة عالية وتدهور الوزن الجزيئي

عندما تكون البوليمرات القطبية في حالة منصهرة عند درجات حرارة عالية، ستؤدي الرطوبة إلى تحفيز تفاعل تحلل السلسلة الرئيسية. خذ PET كمثال، ستتكسر مجموعة الأسترة عندما تواجه الماء عند درجات حرارة تزيد عن 240 درجة مئوية، مما يؤدي إلى انخفاض الوزن الجزيئي من 25,000Da إلى أقل من 15,000Da، وانخفاض لزوجة المصهور بشكل حاد، وتدهور الخصائص الميكانيكية للمنتج بشكل حاد.

إذا كانت محتوى الرطوبة في زجاجة الشراب هو مادة PET الخام بعد التجفيف > 0.02%، ستظهر "ثقوب" في جسم الزجاجة أثناء تشكيل النفخ، لأن التحلل المائي يؤدي إلى ضعف القوة المحلية. سيؤدي التحلل المائي للرابطة الأمينية لمواد PA إلى إنتاج مركبات الأمونيا، التي لا تؤثر فقط على رائحة المنتج، ولكنها أيضًا تتآكل قناة تدفق القالب وتقصير عمر القالب.

آلية تعزيز نفاذية الغاز للبوليمرات في حالة رطبة وتحديات تطبيق التعبئة

تحسين نفاذية الغاز للبوليمرات بعد امتصاص الرطوبة يرجع إلى "أثر الفتح" لجزيئات الماء على شبكة البوليمر. عندما تدخل جزيئات الماء بين قطع البوليمر، ستزداد نسبة الحجم الحر (الحجم الحر) مما يوفر المزيد من القنوات لانتشار جزيئات الغاز.

خذ PET كمثال. في بيئة 23℃/90% RH، تكون نفاذية الأكسجين فيه 2~3 مرات أعلى من تلك في الحالة الجافة، وهو عيب قاتل لمواد تعبئة الطعام. ستسرع زجاجات PET المبللة من اختراق الأكسجين، مما يسبب الأكسدة وتدهور المحتويات.

يتوافق سلوك نفاذ الغاز مع قانون فيك. العلاقة بين معدل النفاذية (P) ومعامل الانتشار (D) ومعامل الذوبان (S) هي P=D×S.

سيدخل تدخل جزيئات الماء في زيادة كل من D و S: من ناحية، تعمل جزيئات الماء كمواد مضافة تقلل من بلورية قطع السلسلة وتزيد من D؛ من ناحية أخرى، فإن الغازات القطبية (مثل CO₂) تميل إلى تشكيل معقدات مائية مع جزيئات الماء، مما يزيد من قيمة S.

تظهر البيانات التجريبية أنه عندما يكون محتوى الرطوبة في PA6 هو 2%، يمكن أن تصل نفاذية CO₂ إلى 4 مرات تلك في الحالة الجافة، وهو أيضًا السبب في أن تعبئة المشروبات الغازية عرضة لـ "تسرب الغاز" في بيئة رطبة.

في مجال الأجهزة الطبية، إذا تعرضت البوليمرات عالية الأداء مثل بولي إيثر إيثر كيتون (PEEK) لبيئة رطبة لفترة طويلة، فإن نفاذيتها لبخار الماء والأكسجين ستزداد، مما يؤدي إلى تقصير مدة الحفاظ على التعقيم للجهاز بعد التعقيم.

عندما تم تخزين زرع عظمي معين مصنوع من مادة PEEK عند 37℃/95% RH لمدة 30 يومًا، زادت نفاذية الأكسجين بنسبة 150% مقارنة بالحالة الجافة، متجاوزة متطلبات معيار تعبئة ISO 11607، وكان هناك حاجة إلى طبقة إضافية من حاجز الرطوبة.

تقنية التحكم في امتصاص الماء والحلول الهندسية

التحسين الدقيق لعملية تجفيف المواد الخام
تتطلب البوليمرات المختلفة حلول تجفيف مختلفة:
PA: تجفيف بالهواء الساخن المتداول، درجة الحرارة 80~120℃، الوقت 4~8 ساعات، يجب التحكم في محتوى الرطوبة أدنى من 0.1%;
PC/PET: تجفيف تحت الفراغ (-0.09MPa) مع إزالة الرطوبة باستخدام منخل جزيئي، درجة الحرارة 120~140℃، الوقت 6~10 ساعات، محتوى الرطوبة
خليط البلاستيك الهندسي: مثل سبيكة ABS/PC، هواء جاف بنقطة ندى أقل من -40℃، درجة حرارة التجفيف 80~90℃، الوقت 3~5 ساعات.

تحتوي معدات التجفيف الحديثة على نظام مراقبة رطوبة متكامل بالأشعة تحت الحمراء على الإنترنت. على سبيل المثال، يمكن لمجفف علامة تجارية ألمانية تقديم تغذية راجعة في الوقت الحقيقي عن محتوى الرطوبة للمواد الخام. عندما يكون محتوى الرطوبة في PA6 >0.15%، يتم تمديد وقت التجفيف تلقائيًا لضمان استقرار العملية.

تعديل مقاوم للرطوبة وتقنية الحاجز

تقليل امتصاص الماء من خلال تعديل المواد:
طلاء السطح: طلاء الجدار الداخلي لزجاجة PET بسيلوكسان (SiOx) أو كوبوليمر الإيثيلين-الفينيل الكحول (EVOH) لتشكيل طبقة حاجز على مستوى نانو يمكن أن تقلل من نفاذية الأكسجين بأكثر من 90%;
تعديل بالتكوبوليمر: إدخال قطاعات ديميثيل أديبات في PA6 يمكن أن يقلل من امتصاص الماء من 2.8% إلى 1.5%;
المركب غير العضوي: إضافة 20% ​​مونتموريلونيت (MMT) إلى PP، مما يمنع قناة الرطوبة من خلال هيكل الطبقة، وتقليل امتصاص الماء بنسبة 40%.

التحكم في الرطوبة في حلقة مغلقة خلال عملية المعالجة

تحتاج ورشة تشكيل الحقن إلى الحفاظ على بيئة رطوبة ثابتة تتراوح بين 40% إلى 50% RH لتجنب امتصاص الرطوبة الثانوي للمواد الخام. يستخدم خط إنتاج الموصلات الإلكترونية نظام تغذية مركزي.

يتم نقل المواد الخام بطريقة مغلقة من المجفف إلى قادوس آلة تشكيل الحقن. مع مراقب نقطة الندى، تكون محتوى الرطوبة في الذوبان دائمًا أقل من 0.03%، مما يقلل من احتمال فشل لحام الموصل من 5% إلى أقل من 0.5%.

كخاصية أساسية من خصائص المواد البوليمرية، يؤثر امتصاص الماء على السلسلة بأكملها من التصميم الجزيئي إلى التطبيقات النهائية.

فقط من خلال فهم آلية عمله بعمق ودمج الابتكار في العمليات مع التحكم الذكي يمكننا تحقيق قفزة من "الاستجابة السلبية" إلى "التنظيم النشط" في معالجة المواد البوليمرية، وهو أمر ذو أهمية رئيسية في تحسين موثوقية المواد في المجالات الراقية مثل الفضاء والمعدات الطبية.

تربط منصتنا مئات من الموردين الكيميائيين المعتمدين الصينيين مع المشترين في جميع أنحاء العالم، مما يعزز المعاملات الشفافة، وفرص العمل الأفضل، والشراكات ذات القيمة العالية. سواء كنت تبحث عن سلع بالجملة، أو مواد كيميائية متخصصة، أو خدمات شراء مخصصة، فإن TDD-Global جدير بالثقة ليكون خيارك الأول.