بهبود خواص پلیمر با افزودنی

پلیمر خام در کاربردهای ویژه ، مستلزم افزودنی هایی است که آن را در برابر شرایط فرایندی، محیطی و عملکردی، بهبود بخشیده و از طریق این گونه آمیزه سازی ها، انتظارات طراحی که نمی توان از یک پلیمر خام انتظار داشت، برآورده سازد.

موادد افزودنی به پلیمرها محدوده ای وسیعی از مواد شیمیایی را در بر می گیرند که برای بهبود خواص، شرایط فرایندی و یا کارایی پلیمر به آن اضافه می شود. امروزه مصرف مواد افزودنی در صنایع مختلف پلیمری، رشد روز افزون داشته و بازار خرید و فروش آنها سالانه به 16 میلیارد دلار می رسد. مهم ترین افزودنی های مواد پلیمری از نظر عملکرد، عبارتند از:

• مواد پرکننده
• مواد کوپلاژکننده ( سازگار کننده)
• نرم سازها و نرم کننده ها
• روان کننده ها و روان سازها
• افزودنی های ضد پیری
• تاخیر انداز شعله
• رنگ ها و رنگدانه ها
• عوامل پف دهنده
• عوامل شبکه کننده
• تخریب کننده های نوری
• مواد ضد بار ساکن
• بهبود دهنده های ضربه پذیری
• مواد محافظت کننده در برابر باکتری
• مواد بهبود دهنده حرارت
• کاتالیزورهای پلی اورتان

مواد پر کننده

این مواد، افزودنی های جامدی هستند که خواص فیزیکی پلیمر را اصلاح می کنند. در صنعت پلیمر این مواد به 4 دسته تقسیم بندی می شوند:

• مواد پر کننده ذره ای : پرکننده هایی که معمولا به دلیل کاهش هزینه به آمیزه های پلیمری اضافه می شوند و از میان آن ها می توان به کربنات کلسیم، خاک چینی ، تالک و سولفات باریم اشاره کرد. هرچه اندازه ذرات ریزتر باشد، خواصی نظیر استحکام کششی، مدول و سختی، بالاتر خواهد بود. طبیعت شیمیایی سطح در خواص ایجاد شده در آمیزه پلیمری موثر است به همین منظور برای اصلاح خاصیت خیس کنندگی و امتزاج پذیری با پلیمرها، معمولا  مواد پرکننده معدنی را آماده ساری می کنند. مثلا  کربنات کلسیم با اسید استئاریک آماده سازی می شود.
• پرکننده های لاستیکی: به منظور بهبود چقرمگی در ترموپلاستیک های بی شکل، از پر کننده های لاستیکی استفاده می شود. از نمونه های شناخته شده می توان به استفاده از SBR و پلی بوتادین در پلی استایرن، لاستیک های بوتادین- آکریلونیتریل در PVC و لاستیک های اتیلن پروپیلن در پروپیلن اشاره کرد.
• رزین ها( پرکننده های پلاستیکی): در صنعت لاستیک، اغلب از رزین های مصنوعی (پلاستیک ها) به عنوان پرکننده استفاده می شود. به طور نمونه، رزین های بوتادین- استایرن حاوی دست کم 50 درصد استایرن است که به منظور تولید آمیزه هایی برای تولید کفی کفش، با لاستیک آلیاژ می شوند.
• پرکننده های لیفی: استفاده از پرکننده های لیفی نظیر خاک اره، خرده پنبه، الیاف کوتاه آلی مصنوعی نظیر الیاف نایلون، می توانند استحکام ضربه ای و نیز سختی و چقرمگی آمیزه های قالب گیری شده را بهبود بخشند. الیاف معدنی نظیر پنبه نسوز و الیاف شیشه نیز در ترموپلاستیک ها و ترموست ها، در جایی که به ترتیب مقاومت گرمایی و استحکام مد نظر باشد، مورد استفاده قرار می گیرند. پرکننده های لیفی اغلب به شکل لایه ای قرار داده می شوند. الیاف مصرفی در مقایسه با پلاستیک هایی که در آن ها قرار می گیرند، از مدول بالاتری برخوردارند، به طوری که وقتی سازه با الیاف کشیده می شود، قسمت اعظم تنش وارد شده، توسط لیف گرفته می شود. این امر منجر به افزایش استحکام و مدول در مقایسه با پلاستیک اصلاح نشده می شود. از جمله معایب استفاده از پرکننده های لیفی این است که به شفافیت پلیمر لطمه زده و ممکن است ویسکوزیته پلیمر را در فرایند افزایش دهند. هرچه الیاف طویل تر باشند، ویسکوزیته بیشتر شده، اما توانمندی کامپوزیت نیز تقویت می شود. ازجمله مهم ترین الیاف پرکننده در پلاستیک ها، می توان به انواع الیاف شیشه، الیاف پنبه، الیاف پلی استر، الیاف پلی وینیل الکل، الیاف پلی اکریلو نیتریل و الیاف چتایی اشاره کرد. از دیگر پرکننده های لیفی، می توان به پرکننده های الیاف کربن/گرانیت اشاره کرد که کاربرد آن برای ساخت کامپوزیت هایی با استحکام بالا و وزن کم در صنایع است.

نرم کننده ها و نرم سازها

دسته ی دیگری از افزودنی ها به پلیمر، نرم کننده ها و نرم سازها هستندکه با کاهش انرژی چرخش پیوندهای مولکولی، پلیمرها را از ویژگی قابلیت جریان در دماهای پایین تر از دمای تجزیه خود، برخوردار می کنند. نرم کننده ها باعث کاهش ویسکوزیته مذاب و تغییر خواص فیزیکی محصول نظیر افزایش نرمی و انعطاف پذیری و کاهش دمای انعطاف سرد پلیمر می شوند.  امروزه در بسیاری از پلیمرها نظیر پلی وینیل استات، پلیمرهای اکریلیکی، استات سلولز و PVC ، از نرم سازهای داخلی استفاده می شود. نرم ساز ها در اصل حلال های غیر فرار هستند، درنتیجه باید از پارامتر انحلال پذیری نزدیک به پارامتر انحلال پذیری پلیمر و وزن مولکولی حداقل 300 برخوردار باشند. در صنعت لاستیک، اغلب از روغن های هیدروکربنی برای افزایش نرمی وتسهیل فرایندهای مربوطه به ویژه هنگام افزایش دوده به لاستیک استفاده می شود. در مواردی که آلودگی و بیرنگی آمیزه لاستیک اهمیت نداشته باشد، از روغن های آروماتیکی( محصولات فرعی روغن موتور) استفاده می شود ولی در مواردی که روغن های نفتی از کارایی لازم برخوردار نیستند، مانند الاستومرهای دارای قطبیت بالا نظیر NBR از نرم کننده های مصنوعی نظیر دی اکتیل فتالات( DOP ) ، دی اکتیل آدیپات( DOA ) و… استفاده می شود.

روان کننده ها

دسته ی دیگری از افزودنی های پلیمری هستند که به دلیل متفاوت بودن عملکرد آن ها به سه نوع اصلی تقسیم بندی می شوند.

• موادی که باعث کاهش اصطکاک مواد قالب گیری با دیگر محصولات تمام شده می شوند مثل گرافیت و سولفید روی مولیبدن که در نایلون ها و دیگر ترموپلاستیک های دارای کاربرد چرخ دنده و یاتاقان اضافه می شوند.
• روان کننده های بیرونی: این مواد در حین فرایند، از آمیزه پلیمری خارج شده و در سطح مشترک پلیمر مذاب و سطوح فلزی دستگاه فرایندی که با آن در تماس هستند، قرار گرفته فیلم نازکی ایجاد می کنند که مانع از چسبیدگی آمیزه پلیمری با دستگاه و در نتیجه تسهیل فرایند می شوند. این مواد عمدتا  قطبی بوده و با توجه به نوع پلیمر مورد استفاده و دمای فرایند، انتخاب می شوند. برخی از روان کننده های بیرونی در مورد PVC عبارتند از : اسید استئاریک و نمک های استئارات( کلسیم، سرب، کادمیم و باریم)، پارافین، وکس، پلی اتیلن سبک و برخی استرها نظیر اتیل پالمیتات.
• روان کننده های درونی: این روان کننده ها، موادی سبک هستند که جریان پلیمر در حالت مذاب را افزایش داده و برخلاف نرم سازها، تاثیر ناچیزی بر خواص حالت جامد پلیمر دارند. برای مثال در مورد PVC می توان به واکس های آمینی، مشتقات استری واکس مونتان، گلیسیریل استرها و استرهای زنجیر بلند اشاره کرد. این مواد، عموما از پارامتر انحلال پذیری مشابه با پلیمر پایه برخوردارند، اما در دمای فرایند، ویسکوزیته ای به مراتب کمتر دارند.

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان