سیلیکون ( silicone ) در تولید قالب

سیلیکون ( silicone ) در تولید قالب

از زمان های دور مردم آگاهی داشتند که خاک رس ( clay ) را می توان برای ساخت نقوش ساده مانند برگ و سکه استفاده نمود. در حقیقت با بدست آمدن یک جسم منفی یا قالب منفی و با استفاده از ماده ای مانند گچ، ریخته گری انجام می شود. و می توان با تولید قالب گچی از روی شکل اصلی کپی تهیه کرد. امروزه خاک رس هنوز برای ساخت قالب استفاده می شود مخصوصاً برای بازسازی قطعات تاریخی مانند مجسمه ها. علت استفاده از خاک رس تنها قیمت ارزان این ماده نیست بلکه به خاطر این مسئله است که خاک رس با آب شسته می شود. و ازاین رو اثری بر روی قطعه ی اصلی نمی گذارد. قالب های گلی با ایجاد یک لایه ی گلی به ضخامت چند سانتیمتر بر روی نمونه ی اصلی بدست می آید که درصد رطوبت گل آن زیاد نبوده و همچنین از پودر تالک برای ایجاد جدایش و عدم اتصال گلی به نمونه ی اصلی استفاده می شو. قالب گچی تهیه شده در بخشی گچی قرار می گیرد. این بخش گچی مانند یک بخش پوسته ای صلب عمل کرده که به آن کانتر مولد (contermold) می گویند. یک سیم فلزی نرم را می توان بر روی قطعه ی اصلی و پیش از اعمال گل قرار داده تا عمل جداسازی قالب ها از نمونه ی اصلی آسان تر انجام شود. این سیم قالب گلی را به چند بخش کوچکتر تقسیم می کند. این قطعات گلی در صورت نیاز تکثیر می شوند و پس ازاتصال دوباره ی بخش های جداشده به هم و پخت آنها می توان از گچ برای تهیه ی قالب برای تولید نمونه های گچی از قالب گلی استفاده کرد. یکی از سوالاتی که ممکن است بوجود آمده باشد این است که چرا از نمونه ی اصلی کپی برداری می شود؟ در پاسخ این سوال باید گفت که قطعات کپی معمولاً برای نمایش در موزه استفاده می شود تا از سرقت نمونه ی اصلی جلوگیری شود.
تکنیک بالا دارای کاستی هایی نیز هست. مثلاً به خاطر اینکه گل مورد استفاده در قالب گیری دارای رطوبت زیادی نیست، جزئیات نمونه ی اصلی به طور واضح ایجاد نمی شوند. همچنین محل جفت شدن قطعات قالب موجب پدید آمدن عیوب در نمونه ی قالب گیری شده می شود. امکان ترمیم قالب پس از شکل دهی و تغییر شکل های بوجود آمده در قالب که به خاطر طبیعت گل اتفاق می افتد باعث پدید آمدن اعوجاج در قالب تهیه شده می شود. این اعوجاج ها سبب می شود که چنین قالبی تنها برای ساخت یک نمونه ی کپی مناسب باشد. 
بهبود عمده ای که در زمینه ی قالب سازی پدید آمده است، استفاده از کشپارها (elastomers) به عنوان مواد قالب سازی است. این کشپارها (الاستومرها) به صورت ترکیباتی مایع تهیه شده و معمولاً از دو ماده تشکیل می شوند. به خاطر مایع بودن این مواد، قالب گیری آنها آسانتر می باشد. پس از سخت شدن الاستومر، ماده ای با قابلیت انعطاف پذیری تولید می شود. این ماده به آسانی کشیده می شود و از این رو به راحتی از نمونه ی اصلی جدا می شود. به هر حال به دلیل طبیعت کشسان، مواد قالب گیری الاستومری پس از کشیده شدن به اندازه ی اولیه برگشته و شکل اولیه ی خود را حفظ می کنند. این شکل بدست آمده دارای تورفتگی های منفی است که تمام جزئیات سطح نمونه ی اصلی را نشان می دهند. 
اولین منبع مورد استفاده از قالب های سیلیکونی (silicone) به دهه ی 50 برمی گردد. در این منبع با استفاده از یک قالب سیلیکونی کامپوزیتی از میکا یا کاغذ به همراه یک بایندر تهیه شده بود. که این کامپوزیت در اطراف یک پیچه ی الکتریکی جای می گرفت. اگر بخواهیم درست نگاه کنیم اولین کاربرد سیلیکون در مسائل قالب گیری مربوط به قالب های دندانی (dental molds) می شود. در این نوع قالب ها کلیه ی جزئیات مدنظر طراح بدست می آید. محصولات تجاری تولیدی در این زمینه از سال 1955 به بازار عرضه گشته و پس از آن ترکیبات با گیرش سریع (fast-curing) نیز به بازار آمد. 
در مقایسه با قالب گیری فلزی، قالب های کشپاری نیازمند ابزارآلات بسیار کمی هستند. در واقع در روز قالب سازی از فلز این نیاز وجود دارد که همه ی جزئیات به صورت منفی بر روی قالب حکاکی گردد. که این مسئله نیازمند وسایل فلزکاری زیادی است. به عنوان یک نتیجه باید گفت که قالب های فلزی در هنگامی مناسبند که بخواهیم تعداد زیادی نمونه تکثیر کنیم. قالب های الاستومری نیز برای تکثیر تعداد کم نمونه مناسب است.
روش تولید 

محصولات الاستومری مختلفی برای تهیه ی قالب موجود می باشند. ویژگی کلیدی و عمومی این محصولات این است که آنها در ابتدا ترکیباتی مایع هستند و می توان به آسانی آنها را در اطراف نمونه ی اصلی قرار داد و پس از کامل شدن شکل گیری با استفاده از فرآیند سخت کردن، الاستومر جامد را تشکیل داد. فرآیند سخت کردن مواد الاستومری به نوع ماده (ترموست یا ترموپلاست) بستگی دارد. مثلاً مواد الاستومری ترموپلاست بوسیله ی سردکردن، امولسیون های لاتکس بوسیله ی تبخیر آب و سیستم های دارای دو جزء شیمیایی فعال بوسیله ی واکشن شیمیایی سخت می شوند. 
ساده ترین نوع قالب، قالب یک تکه (one-piece block mold) است. (شکل 1) فرآیند تولید این قالب شامل مراحل زیر است:
1) قطعه ی اصلی یا مدل تهیه شده در داخل یک ظرف یا کانتر مولد ثابت می شود. (نمونه و کانترمولد باید به طور کامل تمیز شده باشد).
2) ترکیب مایع الاستومر به داخل فضای خالی بین کانتر مولد و نمونه ریخته می شود (ترکیب مایع الاستومر قبلاً بوسیله ی فرآیند مخلوط کردن یا ذوب کردن تهیه می شود).
3) پس از سخت شدن و جدایش بخش های کانتر مولد و نمونه از بخش الاستومری، قالب پدید می آید. سطح این قالب تمام جزئیات نمونه اصلی را به صورت منفی دارد.
قالب یک تکه ی تولیدی در این فرآیند را می توان برای ریخته گری گچ، پلی استرو یا هر ماده ی مناسب دیگر استفاده کرد و نمونه های مثبت را از نمونه ی اصلی تهیه کرد. (شکل2)
برای قطعات پیچیده تر از قالب های چند تکه استفاده می شود. یک نمونه ی سه بُعدی (مانند مجسمه) بوسیله ی یک قالب دو یا چند تکه تولید می شود. (در واقع برای ایجاد سطوح پشت و جلو قالب های یک تکه مناسب نیستند). برخلاف آن، برای تکثیر قطعات بزرگ که به صورت صفحه ای (مانند یک در کلیسا) می توان از قالب های پوسته ای (skin mold) استفاده کرد. در این روش جسم اصلی بوسیله ی تنها یک لایه ی نازک از مواد قالب گیری تیکسوتروپ (making materials thixotropic mold) کپی برداری می شود. این روش به خاطر این ابداع شده است تا میزان ماده ی قالب گیری مصرفی کاهش یابد و قیمت تمام شده ی تولید آنها کاهش یابد. ویژگی تیکسوتروپی این مواد بوسیله ی اضافه نمودن موادی مانند گلیکول یا پلی اتر سیلیکون بوجود می آید.
مکانیزم عمل این مواد بدین صورت است که با افزوده شدن آنها میانکنشی بین آنها و ذرات پرکننده ایجاد می شود. و پیوند هیدروژنی بوجود آمده دراین محیط باعث پدید آمدن موادی با قابلیت عدم سیالیت می شود. چنین قالب هایی کلیدی جزئیات سطح اصلی را ایجاد می کنند. اما دقت آنها در حد قالب های یک تکه نیست. پس از آنکه مواد قالب گیری دراین روش سخت شدند، یک کانتر مولد از جنس پلی استر تقویت شده با الیاف شیشه بر روی پوسته ی قالب ایجاد می گردد.
بنابراین قالب های پیچیده از تعداد زیادی قطعه تشکیل می شود. در این قطعات ماده ای الاستومری کمتری مصرف می گردد ولی زمان آماده سازی قالب و نمونه اصلی زیادتر است. (شکل3)
الاستومرهای قالب گیری

مواد الاستومری متنوعی در ساخت قالب استفاده می شوند. این مواد عبارتند از: 
1) ترموپلاست ها مانند پی وی سی نرم. این مواد ارزان قیمت اند ولی باید نمونه ی اصلی نسبت به دما حساس نباشد و توانایی تحمل دما را تا نقطه ی ذوب این ترموپلاست ها داشته باشد. 
2) امولسیون های برپایه ی لاتکس (Latex-based emulsions)
3) الاستومرهای سیلیکونی دو بخشی(two-part silicone emastomers 
الاستومرهای سیلیکونی دوبخشی

این مواد دارای ویژگی های ممتاز زیر هستند :
1) این مواد به صورت مخلوطی متشکل از دو ماده هستند. این مواد پیش از قالب گیری مخلوط می گردد. در صورتی که این مواد نسبت 10 به 1 یا 1 به 1 مخلوط شوند، مخلوط هایی مایع ایجاد می کنند که این مایع به آسانی می تواند حفرات بین کانتر مولد و نمونه را پر کند. 
2) کشش سطحی کم این مواد باعث می شود تا جزئیات کاملی از سطح نمونه بدست آید. 
3) این مواد در دمای اتاق و بدون آزاد کردن حرارت سخت می شوند. بنابراین تنش گرمایی به نمونه وارد نمی شود. 
4) به دلیل انرژی سطحی پایین این مواد، این نوع مواد برای قالب گیری گستره ی وسیعی از مواد استفاده می شوند. بدون آنکه احتمال چسبیدن سطح سیلیکونی به نمونه باشد. همچنین سیلیکون ماده ای با قابلیت پایداری گرمایی بسیار خوبی است از این رو می توان از رزین های گرما زا نیز در تولید قالب استفاده کرد.
استفاده از الاستومرهای سیلیکونی دوبخشی در قالب سازی 
پلیمرهای تولیدی از پلی متیل سیلوکسان (PDMS) در دمای اتاق مایع هستند. این مسئله حتی برای آنهایی که وزن ملکولی بالایی دارند نیز صادق است. دمای تبدیل شدن به حالت شیشه ای (Tg) پایین و انعطاف پذیری زنجیره ی ملکولی این پلیمرها باعث شده تا مواد DDMS به عنوان گزینه ای مناسب برای استفاده شدن در صنت قالب سازی باشند. یکی از ملزومات این نوع قالب ها بوجود آوردن یک واکنش در داخل بدنه ی آنهاست. این واکنش شیمیایی سبب پدید آمدن پیوندهای عرضی در پلیمر می گردد و با ایجاد شبکه ای سه بعدی در ماده سبب پدید آمدن یک جامد الاستومر با قابلیت تحمل تغییر شکل مکانیکی می گردد. برای برآورده شدن شرط با & باید گروه های با قابلیت پیوند عرضی در زنجیره های سیلیکونی وجود داشته باشند. این گروه های فعال در حضور کاتالیزور پیوند عرضی تشکیل می دهن. عمل آوری افزایشی برپایه ی پلیمرهای PDMS با گروه های انتهایی ونییل است. در این نوع پلیمرها پیوند عرضی بوسیله ی واکنش SiH با استفاده از یک کاتالیزور بر پایه ی پلاتین و با توجه به واکنش شکل 1 بوجود می آید. 

اگر عامل SiH پلیمر PDMS شامل سه یا بیشتر گروه واکنش پذیر SiH باشند، تعداد زیادی زنجیره ملکولی به هم پیوند عرضی می دهند و شبکه ی سه بعدی مناسبی تشکیل می شود. علت این که این واکنش عمل آوری، افزایشی می گویند این است که محصول فرعی در این واکنش بوجود نمی آید. قالب هایی که با این مکانیزم سخت می شوند شرنیکیج ندارند (انقباض ندارند). در این واکنش از یک کاتالیزور بر پایه ی پلاتین استفاده می شود که این کاتالیزور باعث آماده شدن گروه های زنجیره ی ملکولی می شوند. علت استفاده از این نوع کاتالیزور این است که این کاتالیزورها می توانند با گروه های آمینی و سولفیدی پیوند ضعیف الکترونی برقرار کنند. این پیوندها باعث تماس بیشتر کاتالیزور و پلیمر گشته و باعث افزایش عملکرد کاتالیزور می شوند. 

مکانیزم عمل آوری تراکمی بر پایه ی گروه های هیدروکسی پلیمر PDMS اتفاق می افتد. این گروه ها با گروه های الکوکسی سیالان و در حضور کاتالیزور قلع پیوند عرضی می دهند. این واکنش در شکل 2 نشان داده شده است. الکل مورد استفاده در این فرآیند عمل آوری باعث پدید آمدن شرنیکیج در این نوع قالب ها می شود. (درصد شرنیکیج خطی بیش از 2% است). قالب های تولیدی بوسیله ی این فرآیند عمل آوری ابعاد اولیه ی خود را حفظ نمی کنند و باید این تغییر ابعادی در طراحی مد نظر قرار گیرد. 
مزایا و معایت هر دو نوع عمل آوری (افزایشی و تراکمی) در جدول 1 آورده شده است.

الاستومرهای دوبخشی از دو جزء تشکیل شده اند (جزء A و B یا ماده ی پایه و عامل عمل آوری). این دو جزء از پلیمر، عامل ایجاد کننده ی پیوند عرضی و کاتالیزور تشکیل شده اند. و به نسبت معین مخلوط می شوند. افزودنی های متنوعی ممکن است به این اجزاء اضافه شوند مانند فیلرها، این افزودنی ها به طور قابل توجهی خواص مکانیکی پلیمر را بهبود می دهنند و عمر مفید آنها را بالا می برد. 
هنر قالب سازی با الاستومرهای سیلیکونی دوبخشی 
ساخت قالب را از الاستومرهای سیلیکونی دوبخشی یک هنر است. جنبه های فراوانی را باید مدنظر قرار دهیم تا بتوانیم قالبی مناسب جهت تکثیر نمونه ی اصلی بسازیم. در این نوع قالب سازی نیاز کمی به آماده سازی نمونه ی اصلی است. اما نمونه باید توانایی پایداری در محیط قالب سازی را داشته باشد. کانتر مولد نیز از مواد مختلفی مانند مقوا یا پلی استر تقویت شده با الیاف شیشه ساخته می شود. 
عوامل جداسازی برای جلوگیری از چسبیدن الاستومر سیلیکونی به نمونه ی اصلی و کانتر مولد استفاده می شود. از این مواد همچنین برای جلوگیری از چسبیدن بخش های در تماس با هم قالب های چند تکه نیز استفاده می شود. عوامل جداسازی برپایه ی مواد صابونی، وازلین، رزین های آلی و یا فلئورو پلیمرها تهیه می شوند. 
مخلوط الاستومر سیلیکونی به میزان کافی مخلوط می شوند و سپس در حالت تحت خلأ ریخته گری می شوند تا از بوجود آمدن حباب هوا در داخل قالب جلوگیری شود. قالب های یک تکه معمولاً پس از یک بار ریخته گری و قالب های چندتکه پس از چندبار ریخته گری تولید می شوند. برای جلوگیری از پدید آمدن عیوب خطی در ریخته گری باید قطعات قالب های چندتکه به طور مناسب برروی هم جفت شوند. گاهی اوقات می توان با سیخ ها این جفت شدگی مناسب را انجام دهیم. 
بوسیله ی قالب های اشاره شده در بالا مواد مختلفی مانند گچ، پلی استر عمل آوری شده با پروکسید، یا برخی از رزین های ریخته گری مانند پلی یوریتان یا اپوکسی را می توان ریخته گری کرد. عمر قالب یکی از مسائل مهم در صنعت قالب سازی است. برخی از این رزین ها می توانند به مرور باعث باد کردن الاستومر شوند. این مسئله می تواند به سرعت منجر به تغییر فرم نمونه های تکثیر یافته شود. همچنین باد کردن قالب که با نفوذ رزین در داخل قالب اتفاق می افتد، برخی اوقات باعث چسبیدن قالب به نمونه می شود. 
بواسطه ی استفاده از قالب های سیلیکونی تمام جزئیات نمونه ی اصلی به نمونه های تکثیر شده منتقل می شود و سطح پایانی نمونه نیز مناسب است. الاستومرهای سیلیکونی قابلیت انتقال جزئیات زیرمیکرون را از نمونه ی اصلی به نمونه ی تکثیر شده دارد. مثلاً این قالب ها به آسانی جزئیات مخمل مانند و ساختار چوب را منتقل می کنند. مرحله ی پایانی آماده سازی قالب یکی از مراحلی است که بستگی فراوانی به هنر تولید کننده ی قالب دارد. در فرآیند پایانی ساخت قالب می توان از رزین، پیگمنت و یا عوامل پر کننده برای ایجاد هر چه بهتر جزئیات استفاده نمود. 

کاربردها 

بیشتر مسائلی که در بالا به آنها اشاره شد در مورد استفاده از الاستومرهای سیلیکونی دوبخشی برای بازسازی اشیای مصنوعی مانند اشیای تاریخی بود. البته این روش برای بازسازی اشیاء بسیار بزرگ مانند مجسمه های بزرگ، دایناسورها و... نیز استفاده می شود. 
همچنین از این الاستومرها در زندگی روزمره نیز استفاده می شود. مثلاً مواد دندانی یکی از این کاربردهاست. البته چالشی که در زمینه ی استفاده از این الاستومرها در کاربردهای دندانی است مشکل واکنش رطوبت دهان با پیوندهای عرضی این مواد است. 
از این مواد همچنین برای ساخت مدل ها مخصوصاً پیش از به بازار آمدن یک وسیله استفاده می شود. 
منبع انگلیسی مقاله :
silicones as mold-making elastomers/A.colas, A., dow coring eruope. SA, seneffe
 

فیروز رضائی ; ۱٢:٤٠ ‎ب.ظ ; ۱۳٩٠/٤/٦