فهم صلابة الشاطئ: دليل على التشكيل الزائد للسيليكون و TPE

في المشهد المعاصر لتصميم وتصنيع المنتجات، تجاوزت الواجهة بين المستخدم والآلة مجرد الوظائف لتصبح عنصرًا محددًا لهوية العلامة التجارية وتجربة المستخدم. يتجلى هذا التطور بشكل أكثر وضوحًا في التبني الواسع لأسطح "اللمسة الناعمة" — واجهات مريحة وملموسة تنقل الجودة والسلامة والراحة. في قلب هذه الثورة الصناعية تكمن عملية التشكيل الزائد، وهي تقنية قولبة بالحقن متطورة حيث يتم ربط مادة مرنة ناعمة كيميائيًا أو ميكانيكيًا بركيزة صلبة. سواء كان ذلك هو المقبض الممتص للاهتزازات لأداة كهربائية، أو الختم المتوافق حيويًا لجهاز طبي، أو الحشية المقاومة للماء للإلكترونيات الاستهلاكية، فإن نجاح هذه المكونات يعتمد على فهم دقيق لصلابة المادة.

بالنسبة للمصنعين والمهندسين، وخاصة أولئك الذين يستفيدون من قدرات رواد الصناعة مثل HYM Plastic، فإن مقياس "صلابة الشاطئ" بمثابة اللغة المشتركة التي تترجم الرغبات اللمسية الذاتية إلى مواصفات هندسية موضوعية.¹ ومع ذلك، فإن صلابة الشاطئ هي أكثر من مجرد رقم بسيط مختوم على ورقة بيانات المادة؛ إنها خاصية لزجة مرنة معقدة تملي معلمات المعالجة، ومقاومة التآكل، وفعالية الختم، والميكانيكا الأساسية للالتصاق.

يقدم هذا التقرير الشامل تحليلًا شاملاً لصلابة الشاطئ في سياق قولبة حقن المطاط و التشكيل الزائد بالسيليكون. بالاعتماد على الكفاءات الفنية لمنشأة تصنيع HYM Plastic في شيامن — والتي تتخصص في التشكيل متعدد المواد عالي الدقة — سنقوم بتشريح فيزياء الانبعاج، والفروق الانسيابية بين اللدائن الحرارية المرنة (TPE) والمطاط السيليكوني السائل (LSR)، والمبادئ التوجيهية المعقدة للتصميم المطلوبة لتحقيق روابط قوية وخالية من الانفصال. من خلال تجميع علوم البوليمرات النظرية مع واقع ورش العمل العملية، يهدف هذا الدليل إلى تمكين المهندسين من تحسين تصميماتهم من أجل القدرة على التصنيع، مما يضمن أن المنتج النهائي يلبي المتطلبات الصارمة لتطبيقات السيارات والطبية والصناعية.

لاستخدام صلابة الشاطئ TPE بشكل فعال في التصميم، يجب على المرء أولاً أن يفهم الفيزياء الأساسية لكيفية تعريف الصلابة وقياسها في المواد البوليمرية. على عكس المعادن، حيث غالبًا ما تكون الصلابة مؤشرًا ثابتًا على قوة الشد ومقاومة الخدش، فإن صلابة المرنات هي استجابة ديناميكية تعتمد على الوقت للإجهاد المطبق.

تُظهر البوليمرات، بما في ذلك TPEs والسيليكونات المستخدمة في قولبة اللمسة الناعمة، سلوكًا لزجًا مرنًا. هذا يعني أنها تمتلك خصائص كل من السوائل اللزجة والمواد الصلبة المرنة. عندما يتم تطبيق قوة على مرن، تتفكك سلاسل البوليمر وتمتد (الاستجابة المرنة)، ولكنها تنزلق أيضًا فوق بعضها البعض (التدفق اللزج). تخلق هذه الازدواجية ظاهرة تُعرف باسم "الزحف" أو استرخاء الإجهاد.

عندما يتم الضغط على أداة قياس الصلابة في عينة مطاطية، فإن المادة تقاوم في البداية بقوة معينة. ومع ذلك، إذا تم الحفاظ على القوة، فإن سلاسل البوليمر تعيد الترتيب ببطء لاستيعاب الإجهاد، مما يتسبب في انخفاض القراءة بمرور الوقت. هذا هو السبب في أن معايير ASTM D2240 و ISO 868 تحدد أوقات بقاء دقيقة للقراءات.³ قد تكون القراءة التي تم الحصول عليها على الفور "Shore 60A"، بينما قد تنخفض القراءة التي تم الحصول عليها بعد 15 ثانية إلى "Shore 55A". بالنسبة للمهندسين الذين يحددون المواد لتطبيقات الختم، فإن فهم هذا الاسترخاء أمر بالغ الأهمية؛ سيفقد الختم الذي يسترخي كثيرًا بمرور الوقت مجموعة الضغط الخاصة به ويفشل في منع دخول السوائل.

لا يمكن قياس الطيف الواسع للصلابة البوليمرية — بدءًا من النعومة الهلامية لنعل الحذاء إلى الصلابة الهيكلية للقبعة الصلبة — بدقة بواسطة مقياس واحد. لذلك، يستخدم نظام صلابة الشاطئ مقاييس متعددة، يستخدم كل منها هندسة محددة لأداة قياس الصلابة وقوة زنبركية لاستهداف نطاق متميز من المواد.

مقياس الشاطئ A هو أداة العمل في صناعة قولبة حقن المطاط. إنه مصمم لقياس المرنات اللينة إلى شبه الصلبة، ويغطي الغالبية العظمى من تطبيقات التشكيل الزائد TPE والسيليكون.⁵

• هندسة أداة قياس الصلابة: تستخدم أداة قياس الصلابة A مخروطًا مقطوعًا بزاوية 35 درجة وقطر طرف مسطح يبلغ 0.79 مم.³ يمنع هذا الطرف غير الحاد أداة قياس الصلابة من اختراق المواد اللينة، مما يسمح لها بقياس مقاومة التشوه الانضغاطي بدلاً من مقاومة الثقب.

• قوة الزنبرك: يطبق الجهاز قوة تبلغ حوالي 8.06 نيوتن (822 جم).⁵

• نطاق التطبيق: هذا المقياس مناسب للمواد التي تتراوح من الأشرطة المطاطية اللينة (Shore 20A) إلى مداسات إطارات السيارات (Shore 60A) وعجلات التزلج الصلبة (Shore 90A).⁷ في سياق إنتاج HYM Plastic، يعد Shore A هو المقياس الأساسي لتحديد المقابض ذات اللمسة الناعمة على الأجهزة المحمولة والأختام المرنة في التجميعات الطبية.⁹

عندما تصبح المواد أكثر صلابة، فإن أداة قياس الصلابة A غير الحادة لم تعد تخترق بشكل كافٍ لتوفير دقة قابلة للقراءة. يتم تقديم مقياس الشاطئ D لهذه المواد البلاستيكية الأكثر صلابة وشبه الصلبة إلى الصلبة، مثل ركائز البولي بروبيلين (PP) أو ABS التي غالبًا ما تستخدم كطبقة أساسية في التشكيل الزائد.⁵

• هندسة أداة قياس الصلابة: أداة قياس الصلابة D عبارة عن نقطة حادة، مخروط بزاوية 30 درجة بنصف قطر طرف كروي يبلغ 0.1 مم فقط.³ تسمح هذه الحدة لها بتركيز الإجهاد واختراق اللدائن الحرارية الصلبة.

• قوة الزنبرك: للتغلب على معامل اللدائن الصلبة، تطبق أداة قياس الصلابة D قوة أعلى بكثير تبلغ حوالي 44.5 نيوتن (4536 جم).⁵

• نطاق التطبيق: يقيس هذا المقياس المواد البلاستيكية الهيكلية مثل القبعات الصلبة وأنابيب PVC والمساكن الصلبة للأجهزة الإلكترونية.¹¹ في حين أن الجلد المشكل بالحقن الزائد يكون عادةً Shore A، فإن الركيزة تكون دائمًا تقريبًا Shore D، والتفاعل بين هاتين الصلابتين المميزتين هو المكان الذي يكمن فيه التحدي الهندسي.

في الطرف المقابل من الطيف توجد المواد الهلامية فائقة النعومة والرغوات والمطاط الخلوي. هذه المواد مرنة للغاية لدرجة أن قوة الزنبرك لأداة قياس الصلابة A ستضغط عليها بالكامل، مما يؤدي إلى قراءة "0" غير مجدية. يستخدم مقياس الشاطئ OO أداة قياس الصلابة الكروية وقوة زنبركية منخفضة جدًا (~1.11 نيوتن) لقياس هذه المواد الرقيقة.¹¹ في حين أنها أقل شيوعًا في التشكيل الزائد الهيكلي، يتم استخدام مواد Shore OO في بعض الأحيان في تطبيقات التوسيد المتخصصة حيث يكون امتصاص الصدمات هو الوظيفة الأساسية.

مصدر الارتباك المتكرر في اختيار المواد هو التداخل بين المقاييس. المقاييس ليست مستمرة؛ بل إنها تمثل استجوابات مختلفة للإجهاد والانفعال للمادة. المادة التي تسجل على أنها Shore 95A تقيس في الأساس نفس الصلابة مثل المادة التي تسجل Shore 45D.¹¹

ومع ذلك، فإن الاعتماد على مخططات التحويل يمكن أن يكون خطيرًا للتطبيقات الحرجة. تحفز أداة قياس الصلابة D الحادة التشوه البلاستيكي والإجهاد الموضعي المرتفع، في حين أن أداة قياس الصلابة A غير الحادة تحفز الضغط المرن. للحصول على مواصفات هندسية دقيقة، خاصة عند التعامل مع متطلبات الدقة العالية لعملاء مثل عملاء HYM Plastic، يجب تحديد المقياس بشكل صريح. لا يكفي القول "صلابة 50"؛ يجب على المرء تحديد "Shore 50A" أو "Shore 50D" لتجنب أخطاء التصنيع الكارثية.

الجدول 1: تحليل مقارن لمقاييس صلابة الشاطئ

يعد اختيار مادة التشكيل الزائد هو القرار الأكثر أهمية في عملية تطوير المنتج. في حين أنه يمكن صياغة كل من TPE والسيليكون لتحقيق قيم صلابة الشاطئ المتطابقة (على سبيل المثال، Shore 40A)، فإن هياكلها الكيميائية ومتطلبات المعالجة وخصائص الأداء على المدى الطويل مختلفة تمامًا. تقدم HYM Plastic إمكانات في كل من التشكيل الزائد بالسيليكون وحقن TPE، مما يسمح بتقييم غير متحيز بناءً على احتياجات التطبيق.¹

تمثل TPEs فئة من البوليمرات المشتركة أو الخلائط المادية من البوليمرات التي تجمع بين الخصائص الميكانيكية للمطاط المتصلد بالحرارة مع قابلية المعالجة للبلاستيك الحراري. يتم اشتقاق هذا السلوك الفريد من شكلها المنفصل الطور.

تتكون TPEs عادةً من مقاطع "صلبة" (مجالات بلورية) ومقاطع "ناعمة" (مجالات غير متبلورة). تعمل المقاطع الصلبة كروابط متقاطعة مادية في درجة حرارة الغرفة، مما يوفر القوة ويحدد صلابة الشاطئ. توفر المقاطع الناعمة المرونة والمرونة.⁶ عن طريق تعديل نسبة المقاطع الصلبة إلى المقاطع الناعمة أثناء البلمرة، يمكن للمصنعين ضبط صلابة الشاطئ TPE بدقة من Shore 20A الشبيهة بالهلام إلى Shore 70D الصلبة.⁶

الميزة الأساسية لـ TPE في قولبة حقن المطاط هي طبيعتها الحرارية. على عكس المطاط المتصلد بالحرارة، الذي يخضع لتفاعل كيميائي لا رجعة فيه (الفلكنة)، تتجمد TPEs ببساطة عند تبريدها وتذوب عند تسخينها.

• وقت الدورة: نظرًا لعدم الحاجة إلى وقت معالجة داخل القالب، تكون دورات TPE أسرع بشكل عام، وتقتصر فقط على معدل تبريد الجزء.

• إعادة التدوير: يمكن إعادة طحن القنوات والعدائين والأجزاء المعيبة وخلطها مع المواد الخام، مما يقلل بشكل كبير من هدر المواد والتكلفة — وهو عامل رئيسي للإنتاج بكميات كبيرة في مرافق مثل HYM Plastic.¹⁶

• الترابط: تتوفر TPEs في كيمياء متنوعة (ستايرين، أوليفيني، يوريثان) يمكن مطابقتها مع الركيزة للترابط الكيميائي الطبيعي. على سبيل المثال، يلتصق TPE-S (ستايرين) بشكل طبيعي بالبولي بروبيلين (PP) دون الحاجة إلى مواد لاصقة.¹⁷

LSR عبارة عن مادة متصلدة بالحرارة من مكونين تعتمد عادةً على هيكل أساسي من السيالوكسان (ذرات السيليكون والأكسجين المتناوبة). يتم توفيره كجزء A والجزء B، اللذين يتم خلطهما بنسبة 1:1 مباشرة قبل الحقن.

رابطة Si-O أقوى وأكثر استقرارًا بشكل ملحوظ من رابطة C-C الموجودة في TPEs. يمنح هذا السيليكون مقاومة استثنائية لدرجات الحرارة القصوى (-60 درجة مئوية إلى +250 درجة مئوية)، والأشعة فوق البنفسجية، والأوزون، والهجوم الكيميائي.¹⁹ في حين أن قبضة TPE قد تلين وتصبح لزجة إذا تركت على لوحة القيادة في السيارة في الصيف، فإن قبضة LSR ستظل دون تغيير.

يخضع LSR لتحفيز الهيدروسيليليشن المحفز بالبلاتين، وهو تفاعل ربط متقاطع لا رجعة فيه. يتطلب هذا تسخين القالب (غالبًا 150 درجة مئوية إلى 200 درجة مئوية) لتسريع المعالجة. هذا الاختلاف الأساسي في المعالجة — قالب ساخن لـ LSR مقابل قالب بارد لـ TPE — يتطلب أدوات حقن LSR وآلات مخصصة، وهي قدرة تميز الشركات المصنعة المتقدمة مثل HYM Plastic.¹⁴

LSR خامل ومتوافق حيويًا بطبيعته، مما يجعله المادة المفضلة للأجهزة الطبية وتطبيقات ملامسة الطعام. إنه يلبي معايير USP Class VI و ISO 10993 الصارمة بسهولة أكبر من العديد من تركيبات TPE. تشير خبرة HYM Plastic في أغلفة الأجهزة الطبية إلى كفاءة قوية في الاستفادة من هذه الخصائص لعملاء الرعاية الصحية.¹

عند الاختيار بين TPE و LSR لمشروع قولبة اللمسة الناعمة، يجب الموازنة بين العوامل التالية: