X
تبلیغات
رایتل

دنیای پلیمر

دنیای پلیمر

باک‌های سوخت پلیمری خودروهای بنزین‌سوز

امروزه، نیازی روز‌افزون برای جایگزینی قطعات فلزی خودرو با موادی از جنس‌های دیگر، احساس می‌شود. علت این موضوع را باید در ویژگی‌های مثبت مواد جدید و ایرادهای قطعات فلزی در خودرو های امروزی و مسائل مربوط به آنها جست‌ وجو کرد باک‌های سوخت پلیمری خودروها از جمله قطعاتی هستند که امروزه به شکل جدی با مواد غیر فلزی جایگزین شده اند. علل این امر، وزن زیاد قطعات فلزی، مقاومت کم آنها در برابر خوردگی و پیچیدگی فرایند ساخت آنهاست.  محفظه نگهداری بنزین گفته می‌شود. محل استقرار این قطعه در قسمت تحتانی‌خودرو است. این قطعه از گروه قطعات ایمنی به‌شمار می‌آید و باید مقاومت مکانیکی خوبی در برابر ضربه داشته باشد تا درصورت بروز سانحه، بنزین به‌محیط تراوش نکند. معمولا باک بنزین باید دارای ویژگی‌های ذیل باشد:
- محفظه‌ای ایمن برای نگهداری بنزین باشد
- هنگام پر شدن بنزین، جرقه و جریانی در این محفظه ایجاد نشود
- محفظه باید مقدار معینی بنزین را در خود جای دهد و فاقد‌ هر‌گونه نشتی باشد
- مشخصه‌های حجم باک نسبت به ارتفاع بنزین باید منظور شده باشند
- باید شیرکنترل فشار و مسیر بخارات برای ورود وخروج بنزین باک در این مجموعه لحاظ شود
- سوخت از این محفظه توسط پمپ بنزین به موتور هدایت شود
- شناسایی حالات بالقوه آسیب‌دیدگی و جلوگیری از ریسک انهدام، در سوانح نظیر قابلیت عدم نشت به‌هنگام واژگونی خودرو
در دنیای خودرو‌های مدرن، مسئله وزن امری بسیار مهم تلقی می‌شود که توسط طراحان مورد توجه قرار می‌گیرد. استفاده از مواد سبکتر و دارای چگالی کمتر در مقایسه با فلزات، یکی از اولویت‌های مهم طراحی باک بنزین است. همچنین، مواد فلزی از جمله فولاد و آلومینیم می‌توانند در مدت زمان زیاد، با محتویات بنزین واکنش دهند و باک دچار خوردگی شود. علاوه براین، فرایند تولید باک‌های فلزی، فرایندی پیچیده و گران است زیرا این باک‌ها از طریق روش‌های کشش عمیق و جوشکاری تولید می‌شوند و برای طراحی شکل باک نیز محدودیت ایجاد می‌کنند. در واقع ایجاد در واقع شکل‌های پیچیده با فرایند کشش عمیق، عملاً امکان پذیر نیست. برای جایگزینی فلزات، تنها می‌توان از پلیمرها یاد کرد که به‌دلیل چگالی پایین و مقاومت شیمیایی بالا از اولویت بالایی برخوردارند.
دلایل جایگزینی باک‌های پلیمری بجای باک‌های فلزی در طراحی و تولید خودروهای روزجهان عبارتند از؟
-وزن کمتر باک‌های پلیمری
-استحکام بیشتر در برابر تست Falling به‌عنوان شبیه‌سازی تست تصادف، تست‌های slat و crash
-افزایش انعطاف در طراحی و ساخت
-افزایش حجم باک با استفاده بهینه از فضاهای خالی درون خودرو
- نرخ بالای تولید
- کاهش قیمت و افزایش کیفیت
-کاهش آلودگی محیط‌زیست
از دیگر ویژگی‌های پلیمرها، قابلیت پخش بار الکتریکی ساکن و توانایی جذب نوسان و ضربه بالاست. در پلیمرها، فرایند ساخت کم هزینه‌تر وساده‌تر بوده و دسترسی به طرح‌ها و شکل‌های پیچیده‌تری که متناسب با فضای طراحی هستند، امکان‌پذیر است. البته پلیمرها نیز مشکلاتی دارند که باید به آنها توجه شود. اول اینکه نرخ نشت‌پذیری یا قابلیت عبور گاز در آنها بالاست و این امر باعث می‌شود تا تمهیدات گوناگونی برای این موضوع مد‌نظرگرفته شود. به‌علت بالا بودن نشت‌پذیری در پلیمرها، ممکن است بوی بنزین در فضای خودرو بپیچد و مصرف سوخت افزایش یابد.

شکل 1: نمودار بررسی خواص مواد

شکل ۱: نمودار بررسی خواص مواد

عوامل مؤثر بر نشت‌پذیری پلیمر‌ها
۱٫ درصد فاز کریستالی
مطالعات تجربی درخصوص پلیمر‌هایPET ، PE و Nylon نشان داده است که نشت‌پذیری پلیمرها با توان دوم کسر فاز آمورف، رابطه‌ای مستقیم دارد. در این رابطه، نشت‌پذیری فاز آمورف است:بدیهی است که با افزایش مقدار فاز آمورف در ساختار پلیمر، به ساختاری بازتر می‌رسیم و تراکم کاهش می‌یابد.این امر باعث افزایش نشت‌پذیری پلیمر می‌شود. به هر طریق ممکن باید درصد فاز کریستالی را افزایش داد. پارامترهای مؤثر بر تمایل کریستالی شده یک پلیمر، عبارتند از:

-گروه‌های جانبی: به‌طورکلی، وجود گروه جانبی و همچنین پیچیده شدن آن، زمینه‌ساز کاهش تمایل به کریستالی شدن است. درجدول ۱، سه پلیمر با یکدیگر مقایسه شده است:
مشاهده می‌شود که HDPE که هیچ‌گونه گروه جانبی ندارد، واجد بیشترین فشردگی و کمترین نشت‌پذیری گاز ۲O است.

-طول زنجیره پلیمری: به‌طورکلی، با افزایش طول زنجیرۀ پلیمری، میزان درهم تنیدگی زنجیره‌‌ها افزایش یافته و در نتیجه، ساختاری متراکم‌تر با نشت‌پذیری کمتر به‌دست می‌آوریم. از سوی دیگر، با افزایش طول زنجیره، میزان کسر فاز کریستالی کاهش می‌یابد، لذا باید طول زنجیره را درحالتی بهینه نگه‌داشت.

-روان ساز: وجود‌ روان‌ساز، امری اجتناب ناپذیر است زیرا طی فرایند پلیمریزاسیون، همواره مقادیری از زنجیره‌های کوتاه وجود خواهند داشت. حال اگر فرایند پلیمریزاسیون به‌صورت مطلوب انجام شود، منحنی توزیع جرم مولکولی بسیار پهن خواهد شد و کسر روان‌سازها افزایش می‌یابد. وجود ناخالصی نیز تاثیری مشابه خواهد داشت. روان‌سازها، موجب کاهش کسر فاز کریستالی شده و با حضور در فاز کریستالی، پارامتر شبکه را افزایش می‌دهند. هر دو مورد یاد‌شده زمینه‌ساز موجب کاهش فشردگی پلیمر و افزایش نشت‌پذیری است.

 جدول 1: مقایسۀ میزان نشت‌پذیری سه پلیمر

جدول ۱: مقایسۀ میزان نشت‌پذیری سه پلیمر

2. چگالی
بررسی‌های انجام شده درخصوص PE ، نشان می‌دهند که رابطۀ یادشده برای نمونه‌هایی با چگالی کمتر از ۹۴/۰، برقرار نیست. دلیل این عدم انطباق را باید در تخلخل‌ها و حفره‌های میکروسکوپی ایجاد شده طی فرایند تولید، جست‌وجو کرد. بدیهی است که به‌طورکلی چگالی بالای ماده، همراستا با کسر فاز کریستالی است.

۳٫ جهت‌گیری زنجیره‌ها
طی فرایند تولید یک قطعۀ پلیمری، می‌توان با اعمال تنشی کششی، زنجیره‌های پلیمری را همراستا کرد. تاثیر این همراستایی به‌ترتیب در افزایش کسر فاز کریستالی و افزایش چگالی است. البته در نگاه اول، این نتیجه یکسان به‌نظر می‌آید، اما باید دقت کرد که با همراستایی زنجیرهای پلیمری، نواحی آمورف بین لایه‌های کریستالی نیز فشرده‌تر می‌شوند. لذا جهت‌گیری‌ها تاثیری دوگانه دارند که درنهایت منجر به کاهش نشت‌پذیری می‌شوند.

شکل 2: شمایی از فعل و انفعالات باک سوخت

شکل ۲: شمایی از فعل و انفعالات باک سوخت

4. قطبیت
به‌طورکلی، گونه‌های دارای قطبیت مشابه، به یکدیگر تمایل نشان می‌دهند و هیچ‌گاه نمی‌توان ماده‌ای ناقطبی مانند هگزان را درون ماده‌ای بشدت قطبی مانند آب، حل کرد و یا برعکس. موضوع قطبیت را به دو بخش زیر تقسیم کرده‌ایم:
الف- قطبیت زنجیره پلیمری
ب‌- قطبیت مولکول‌های نفوذ‌کننده
دقیقاً، شرایطی مشابه با حالت آب و هگزان می‌تواند رخ دهد. یعنی اگر نفوذ‌کننده قطبی بخواهد وارد زمینه نا قطبی پلیمری شود یا برعکس، ماده نفوذ‌کننده ناقطبی بخواهد وارد زمینه قطبی شود، از دیدگاه ترمو دینامیکی شرایط مساعدی نخواهد داشت. لذا این امر تا حد زیادی امکان‌ناپذیر خواهد بود. درهمین‌جا می‌توان به نتیجه‌ای اولیه دست یافت که عبارت است از: اگر به‌منظور کنترل نشت یک ماده قطبی بخواهیم پلیمری را انتخاب کنیم، بهتر است پلیمر مورد‌ نظر دارای گروه جانبی قطبی نباشد. درجدول ۲، چند گروه عاملی و میزان نشت‌پذیری آنها برای گاز ۲O مشاهده می‌شود.

 جدول 2: میزان نشت‌پذیری گروه‌های عاملی مختلف

جدول ۲: میزان نشت‌پذیری گروه‌های عاملی مختلف

حال اگر بخواهیم نشت‌پذیری یک ماده قطبی را کنترل کنیم، باید به دنبال پلیمری با زمینۀ ناقطبی باشیم.بدترین حالت ممکن برای انتخاب یک محفظه پلیمری این است که پلیمر و گروه نافذ، دارای قطبیت یکسان باشند. درجدول ۳، شماری از پلیمرها و میزان نشت‌پذیری آنها در دمای اتاق برای گونۀ نفوذ‌کننده ۲O (ناقطبی) و رطوبت (قطبی) نشان داده شده است.

 جدول 3: میزان نشت‌پذیری 2O و رطوبت برای پلیمرها

جدول ۳: میزان نشت‌پذیری ۲O و رطوبت برای پلیمرها

درجدول ۴، دو پلیمر PE و PP با درصد فاز کریستالی و چگالی‌های مختلف، مشاهده می‌شود.نکتۀ قابل توجه درجدول ۴، مقادیر نشت‌پذیری ۲N و ۲O است. مشاهده می‌شود که در تمام چگالی‌ها نشت‌پذیری ۲N کمتر از ۲O است. با توجه به اندازه این مولکول، در می‌یابیم که چون ۲O اندازه‌ای کوچکتر دارد، راحت‌تر نفوذ می‌کند.

 جدول4 : اثر چگالی و کریستالینیتی پلیمر روی نشت‌پذیری پلیمرها

جدول۴ : اثر چگالی و کریستالینیتی پلیمر روی نشت‌پذیری پلیمرها

5 . اندازه گونه نفوذ‌کننده
هرچه اندازه گونه نفوذ‌کننده کمتر باشد، راحت‌تر به درون ساختار باز پلیمری نفوذ می‌کند.

۶ . مواد پر‌کننده (فیلر)
البته بحث مواد پر‌کننده ربطی به ماهیت پلیمر ندارد، اما از آنجا که می‌توان با استفاده از آنها نشت‌پذیری پلیمر را کاهش داد، آنها را مورد بررسی قرار می‌دهیم. مثلاً افزودن گونه‌ای سرامیکی مانند کلسیم کربنات درون یک پلیمر، می‌توان نشت‌پذیری آن را کاهش داد:براساس جدول ۵، اگر گونه پرکننده را به‌صورت نادرست به پلیمر اضافه کنیم، نه تنها میزان نشت‌پذیری کاهش نمی‌یابد بلکه این مقدار می‌تواند افزایش یابد زیرا که اگر فاصله مشترک ذرات اضافه‌شده با زمینه، پیوستگی کافی نداشته باشد، همین صفحات می‌توانند به‌عنوان مسیر برای نشت عمل‌کنند. باید به این نکته دقت کرد که گونه سرامیکی، ذاتا تاثیری بر نشت‌پذیری ندارد، در واقع با کاهش کسر حجمی پلیمر مسیر برای عبور گونه نشت‌کننده، کم می‌شود و نشت‌پذیری کاهش می‌یابد.البته می‌توان مواد پر‌کننده را به‌صورتی دیگر نیز مورد توجه قرار داد زیرا می‌توانند نسبت به پلیمر، ارزان‌تر و از استحکام بالاتری برخوردار باشند.

 جدول 5: اثر پرکننده‌ها بر نشت‌پذیری پلیمرها

جدول ۵: اثر پرکننده‌ها بر نشت‌پذیری پلیمرها

معیار‌های انتخاب ماده و طراحی باک براساس کاهش نشت‌پذیری
-افزایش ضخامت دیواره باک باعث کاهش گرادیان غلضتی و صرف نظر از نوع پلیمر به‌کاررفته در باک، میزان شار خروجی را کاهش می‌دهد.
-کاهش فشار بخار سوخت درون باک فشار سوخت با میزان حلالیت رابطه‌ای مستقیم دارد، پس با کاهش آن می‌توان گرادیان غلضتی را کاهش داد و درنهایت از شار خروجی کاست.
-افزایش درصد فاز کریستالی
-استفاده از مواد پر‌کننده
-پوشش‌دهی پلیمر با استفاده از پلیمر دوم
-استفاده از چند لایه پلیمری متناوب

جدول 6: تاثیرعوامل مهم در بررسی خواص مکانیکی

جدول ۶: تاثیرعوامل مهم در بررسی خواص مکانیکی

انتخاب مواد
باید توجه شود که پلیمرهای گوناگون، به نوع سیالی که در مقطع آنها عبور می‌کند پاسخ‌های متفاوتی می‌دهند. در واقع رفتار نشت‌پذیری پلیمرها به قطبیت مولکول‌های عبوری بستگی دارد. عموما ۳ نوع ماده از یک باک می‌گذرند:
۱ . رطوبت که H2O بوده و نوعی سیال قطبی است
۲ . اکسیژن هوا که O2 و غیرقطبی است
۳ . مولکول‌های بنزین که عموماً ایزاکتان و غیر قطبی هستند
فاکتورهای گوناگونی بر میزان نشت‌پذیری پلیمرها تاثیر دارند که هر یک درجای خود مورد بحث قرارگرفته‌اند، اما طراحی مناسب برای برطرف‌سازی این مشکل، استفاده از مانعی ۳ لایه مطابق با طرح نشان داده شده در شکل ۳ است که دو لایه بیرونی آن از پلیمری ساخته می‌شوند که در برابر سیال‌های قطبی مقاومت دارد و لایه داخلی از پلیمری ساخته می‌شود که به‌عنوان مانعی در برابر سیال‌های غیر قطبی عمل می‌کند. البته در میان هر ۲ لایه، یک لایه چسب نیز قرارداده می‌شود. تمام این تمهیدات با درنظرگرفتن پلیمر‌هایی با خواص مکانیکی مناسب، قابل انجام است.

شکل 3: ساختار سه لایۀ باک پلیمری

شکل ۳: ساختار سه لایۀ باک پلیمری

انتخاب مواد براساس بررسی خواص مکانیکی
در ارتباط با خواص مکانیکی، ۴ عامل: چگالی، مدول یانگ، درصد کرنش تا شکست و چقرمگی، برای طراحی مد ‌نظرگرفته شده و مطابق با جدول ۷، به هر یک از آنها امتیاز مورد نظر داده شد. درنهایت، امتیازها جمع شده و با عدد ۲ جمع و وزن هر عامل مشخص شد. برطبق جدول ۷، چقرمگی بیشترین اهمیت را با وزن ۵ و مدول یانگ پس از آن با وزن ۴ پیدا کرد. درصد کرنش تا شکست و چگالی نیز با وزن‌های ۳، از اهمیتی مساوی برخوردار شدند. علاوه بر این، عوامل یادشده، معیاری مهم در طراحی شناخته شد که مربوط به ارتباط بین UTS و چگالی است. برطبق مدل‌های ارائه شده در کتاب «انتخاب مواد» تالیف «اشبی»، باک بنزین باید توانایی تحمل ضربه و تنش بالا را همزمان با سبکی دارا باشد. این معیار ما را به سمت عامل هدایت می‌کند، یعنی درنهایت باید پلیمرهای انتخاب شده از این معیار نیز عبور کنند.

جدول 7: مقایسۀ خواصّ 20 پلیمر برای انتخاب مادۀ مورد نظر

جدول ۷: مقایسۀ خواصّ ۲۰ پلیمر برای انتخاب مادۀ مورد نظر

 جدول 8: امتیازدهی براساس اهمیت پارامترهای بررسی شده

جدول ۸: امتیازدهی براساس اهمیت پارامترهای بررسی شده

پس از معرفی اولویت‌ها، شیوه انتخاب مواد به ترتیب زیر صورت می‌گیرد:
۱٫ حذف پلیمرهایی که در محدوده دمایی مورد نظر نباشند
طی این تحقیق، ۲۰ ماده پلیمری انتخاب شدند که ابتدا دمای کارکرد آنها مورد بررسی قرار گرفت. طبیعی است که خودروها می‌بایستی بتوانند در محدوده دمایی ۶۰ تا ۵۰-، عملکردی مناسب داشته باشند. در واقع پلیمر‌هایی که دمای عبورشیشه‌ای آنها ۵۰- بالاتر باشد، حذف می‌شوند. دراین تحقیق، پلیمر‌هایی نظیر: PVC، PP، PET براساس این معیار، حذف شدند.

جدول 9: حذف پلیمرهای دارای امتیاز کمتر

جدول ۹: حذف پلیمرهای دارای امتیاز کمتر

2. انتخاب براساس روش امتیازدهی
درمرحله دوم انتخاب مواد، حذف‌کردن براساس روش امتیاز‌دهی اتفاق می‌افتد. دراین قسمت، محدوده‌های هر یک از پارامتر‌های مکانیکی یادشده مشخص و مطابق جدول ۱۰، به هر یک از بازه‌ها امتیاز مورد نظر داده می‌شود. درنهایت، امتیاز هرکدام در وزن مربوط به پارامتر، ضرب و مجموع آنها محاسبه می‌شود. پلیمرهایی که مجموع امتیاز آنها زیر ۳۰ باشد، حذف می‌شوند.

جدول 10: مقادیر نشت‌پذیری پلیمرهای باقیمانده

جدول ۱۰: مقادیر نشت‌پذیری پلیمرهای باقیمانده

3. انتخاب براساس معیار
پس از مرحله دوم انتخاب، ۶ پلیمر PC ،HDPE ،LDPE ،EVAL،SBR،poly isoperene انتخاب شده و با معیار مورد بررسی قرار می‌گیرند. برطبق نمودار شکل ۴، PC ،SBR ،poly isoperene از محدودۀ مورد نظر حذف می‌شوند و تنها ۳ پلیمر HDPE ،LDPE ،EVAL به مرحله نهایی می‌رسند.

 شکل 4: نمودار مقادیر

شکل ۴: نمودار مقادیر

4. انتخاب براساس ضریب نشت‌پذیری
سه پلیمر باقی مانده از مرحله دوم انتخاب، از نظر خواص مکانیکی تمامی شرایط لازم را دارند و مشکلی از لحاظ مباحث مکانیکی وجود ندارد، اما مهم‌ترین پارامتر دخیل در طراحی، ضریب نشت‌پذیری بوده که باید برطبق آن تصمیم‌گیری شود. با بررسی جدول ۱۱، مشخص می‌شود که EVAL نسبت به سیال‌های غیر قطبی نظیر O2 مقاومت خوبی دارد و نشت‌پذیری آن پایین است؛ نسبت به H2O که قطبی است، پاسخ مطلوبی ندارد. در مقایسه HDPE و LDPE دیده می‌شود که هر دوی آنها نسبت به حلال‌های قطبی، پاسخ مناسبی دارند، اما نسبت به غیر‌قطبی‌ها، از مقاومت کافی برخوردار نیستند. البته همان‌طورکه مشاهده می‌شود HDPE در این مورد ارجح‌تر است و به‌علت یکسان بودن تقریبی قیمت هر دو پلیمر، می‌توان HDPE را به‌عنوان مانع مطلوب در برابر سیال قطبی، پیشنهاد کرد.

نویسندگان :امیر قاسمی، علیرضا بهرامی، مرتضی گرجی (دانشجویان کارشناسی مهندسی و علم مواد دانشگاه صنعتی شریف)

منابع
۱٫ دکتر ریاحی، طراحی و ساخت مخازن تحت فشار با روش پیچش الیاف.
۲٫ Ashby M.F. , Materials Selection in Mechanical Design (2nd Edition), Cambridge University Press.
3. J. Comyn, Polymer Permeability, Chapman and Hall.
4. Permeability Properties of Plastics and Elastomers, Third Edition.
5. http://old.sanatekhodro.com

نظرات (0)
برای نمایش آواتار خود در این وبلاگ در سایت Gravatar.com ثبت نام کنید. (راهنما)
نام :
پست الکترونیک : عدم نمایش ایمیل بعد از درج
وب/وبلاگ :