پوشش‌های پلیمری و فرآیندهای تشکیل فیلم
رنگ و پوشش همه جا در اطراف ما دیده می‌شوند. در درون ساختمان ها، پوشش دیوارها، مبلمان، لوازم منزل و حتی در محل هایی که امکان رویت مستقیم ندارند، مانند پوشش سیم های انتقال جریان الکتریسیته، بردهای مدار چاپی درون وسایل صوتی و تصویری و غیره، به کارگیری گسترده پوشش‌ها و رنگ ها مشهود است. در بیرون از ساختمان نیز از پوشش قطعات داخلی و خارجی اتومبیل‌ها، خط کشی‌های ترافیکی، مخازن نگه داری ترکیبات نفتی و محصولات پتروشیمی گرفته تا سایر کاربردهای رنگ و پوشش، چشم هر بیننده ای را نوازش می‌کند.
پوشش‌ها را می‌توان هم بر اساس حالت ظاهری آ‌‌ن‌ها، مانند شفاف، رنگدانه دار، متالیک، براق یا سایر و هم بر اساس نقش و هدفی که بر عهده آ‌‌ن‌هاست، مانند ایجاد مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر سرخوردگی، ایجاد زیبایی و آثار تزئینی، حساسیت نوری و غیره تعریف کرد. دراینجا، واژه پوشش فقط برای پوشش‌ها یی با پیوندهای آلی (پلیمری)، که به منظور ایجاد یا رسیدن به اهداف خاصی روی سطح اجرا می‌شوند، به کار برده می‌شود. پوشش‌ها ی آلی کاربردهای متعددی را از قبیل پوشش‌ها ی تزئینی، ساختمانی، صنعتی، جوهرهای چاپ، رنگ‌های آرایشی و بهداشتی شامل می‌شود.
اصلی ترین ماده اولیه هر نوع پوشش سطح، رزین یا پیونده آن است که وظیفه ایجاد فاز پیوسته برای پراکنش رنگدانه، تشکیل فیلم جامد یکنواخت با قابلیت چسبندگی مناسب به سطح زیرآیند و ایجاد خواص موردنیاز را برعهده دارد.
فرآیندهای تشکیل فیلم پوشش‌های پلیمری پس از اجرا
مرحله تشکیل فیلم پوشش‌های سطح را می‌توان از جمله مهم ترین مراحل تهیه، اجرا و سرویس دهی پوشش‌ها دانست. چنانچه فرآیند تشکیل فیلم به خوبی انجام نگیرد، در زمان سرویس دهی، پوشش دچار نقص، تضعیف و از بین رفتن خواص می‌شود. در این فرآیند، مواد پوششی از حالت عموماً مایع ( به استثنای پوشش‌ها ی پودری یا مذاب داغ) به فیلم جامد تبدیل می‌شوند. به دلیل ماهیت ساختاری پوشش‌ها ی پلیمری، فرآیند تشکیل فیلم طی مراحل متعدد انجام می گیرد.
برای دنبال کردن و ارزیابی مراحل پخت از روش های متعددی می‌توان بهره جست. از مهم ترین این روش ها در بررسی فرآیند تشکیل فیلم در پوشش‌ها ی پلیمری، ارزیابی گرانروی پوشش (یا دمای انتقال شیشه ای Tg) است.
پلیمرهایی که در تهیه فیلم های پوششی به کار می روند به دو دسته تبدیل پذیر ( تغییر در ساختار شیمیایی و وزن مولکولی در زمان تشکیل فیلم) و تبدیل ناپذیر ( بدون تغییر در ساختار شیمیایی) تقسیم می‌شوند.
فرآیند تشکیل فیلم آ‌‌ن‌ها را بر حسب سازوکار تشکیل و قابلیت برگشت پذیری فیلم می‌توان به گروه های زیر تقسیم بندی کرد.
1- پلیمرهای گرمانرم:
تشکیل فیلم در پلیمرهای گرمانرم در نتیجه تبخیر حلال بوده و فرآیندی کاملاً فیزیکی است. در این فرآیند، هنگام تشکیل فیلم تغییری در وزن مولکولی و ساختار شیمیایی پلیمر به وجود نمی آید. فیلم های گرمانرم پس از تشکیل فیلم، مجدداً در یک حلال مناسب حل و به مایع تبدیل می‌شوند. رزین های نیتروسلولوزی نمونه شناخته شده ای از این نوع سامانه ها هستند که به عنوان لاک های فوری کاربرد زیادی در صنایع پوششی دارند. برخی از پلیمرهای گرمانرم که در صنایع پوششی کاربردهای بیشتری دارند، عبارتند از: آکریلیک ها، وینیل ها، لاستیک های کلردارشده، استرهای سلولوز و رزین های قیری و استیرنی.
پلیمرهای گرمانرم از مولکول های خطی با زنجیرهای بلند و انعطاف پذیر تشکیل شده اند که اتصالات بین زنجیرهای اصلی، فیزیکی و از نوع پیوندهای ثانویه اند. گرانروی ترکیبات گرمانرم در مقایسه با سامانه های گرماسخت، به علت وزن مولکولی زیادتر، بیشتر است. بنابراین، دستیابی به گرانروی مطلوب در زمان اعمال پوشش، نیاز به حلال بیشتر و قوی تر دارد.
2- لاتکس‌های پلیمری:
لاتکس‌ها، پلیمرهایی با وزن مولکولی زیادند که به روش پلیمر شدن امولسیونی تهیه شده و به شکل بسته های جدا از یکدیگر (قرار گرفته در ذرات میسل) در درون فاز پیوسته (آب) پراکنده شده اند. لاتکس‌های پلیمری به ویژه رزین های آکریلی از مخلوط مونومرها تهیه می‌شوند تا افزون بر تنظیم Tg پلیمر در حد لازم، از لحاظ خواص فیزیکی و مکانیکی مانند سختی، انعطاف پذیری و چسبندگی، هزینه توازن مناسبی را دارا باشد.
لاتکس‌ها را بر حسب ماهیت شیمیایی، می‌توان به دو گروه عمده تقسیم کرد: گروه اول سامانه های لاتکس بوده که شامل وینیل استات بر پایه پلیمرهای آکریلی، پلیمرهایی بر پایه وینیل کلرید، پلیمرهای آکریلی و پلیمرهای بر پایه استیرن بوتادی ان هستند. گروه دوم لاتکس‌ها، پلاستی سل ها، ارگانوسل ها و پراکنش های غیر آبی بوده که این دسته هم شامل وینیل ها، آکریلی ها و پلی اولفین ها و فلوئوروپلیمرها هستند.
3- سامانه های پخت شونده:
سامانه هایی هستند که فیلم آ‌‌ن‌ها در نتیجه انجام واکنش های شیمیایی بین اجزای واکنشگر تشکیل می‌شود. واکنش های شیمیایی که در تشکیل پوشش‌ها ی پلیمری گرماسخت نقش دارند، به دو شکل افزایشی( مانند سامانه های اپوکسی- آمین) یا تراکمی ( مانند رزین های فنولی و سیلیکونی) انجام می‌شود. در واکنش های افزایشی، هیچ گونه محصول جانبی یا فرعی در نتیجه واکنش بین اجزای اصلی سامانه به وجود نمی آید. این در حالی است که در واکنش های تراکمی، افزون بر محصول اصلی واکنش، ترکیبات جانبی کوچک مولکول (مانند آب یا الکل ها) نیز به وجود می آیند.
4- سامانه های خشک شونده:
سامانه های خشک شونده به سامانه هایی اطلاق می‌شود که تشکیل فیلم در آ‌‌ن‌ها در نتیجه انجام واکنش های شیمیایی بین رزین با اکسیژن موجود در محیط مانند سامانه های بر پایه روغن های غیر اشباع (آلکید، اپوکسی استر) یا با رطوبت موجود در محیط مانند سامانه های یورتانی است. سامانه های خشک شونده را می‌توان به سامانه های فعال در اتمسفر و سامانه های پخت شونده با رطوبت تقسیم کرد. پوشش‌ها ی تک جزئی بدون رنگ دانه، پخت شونده با رطوبت معمولاً برای زیرآیندهای چوبی، مانند پارکت، کف پوش و سایر کاربردهای داخل ساختمان، استفاده می‌شوند. یکی دیگر از کاربردهای مهم این نوع پوشش‌ها ، درزگیری یا پوشش‌ها ی سقف های بتنی و کف های بی درز تزئینی است.
تشکیل فیلم از پیوندهای گرمانرم:
ایجاد فیلم از پلیمرهای گرمانرم به روش های مختلف امکان پذیر است. یکی از ساده ترین آ‌‌ن‌ها حل کردن پلیمر خطی در حلال مناسب (یا مخلوطی از حلال ها) با غلظت مناسب برای اعمال است. سپس، پوشش اعمال شده و نهایتاً با تبخیر حلال، فیلم آن تشکیل می‌شود. در روش دیگر، پوشش مورد نظر ابتدا تا دمای بیش از دمای ذوب پلیمر گرما داده می‌شود. سپس در حالت مذاب با افشانه، اسکرید و سایر روش های مناسب روی سطح زیرآیند اعمال می‌شود. علائم جاده ای گرمانرم مثال مناسبی از کاربرد روش گرمایی برای اجرای پوشش است. مواد گرمانرم ترافیکی بر اساس ساختار رزینی به سه نوع عمده آلکیدی، هیدروکربنی و اپوکسی تقسیم بندی می‌شوند. پوشش‌ها ی پودری گرمانرم هم مثال دیگری از پوشش‌ها ی گرمانرم اند که با استفاده از گرما ابتدا ذوب و سپس روی سطح اجرا می‌شوند.
در سامانه های گرمانرم، وزن مولکولی قابل توجهی برای رسیدن به خواص فیزیکی و مکانیکی مطلوب مورد نیاز است. بدین علت برای رسیدن به گرانروی مناسب برای اعمال پوشش به مقدار بسیار بیشتری حلال (گاهی %80 تا%90) نیاز است. هر قدر سرعت تبخیر حلال بیشتر باشد، زمان تشکیل فیلم کوتاه تر و مقدار حلال حبس شده در پوشش نیز کمتر می‌شود.
تشکیل فیلم از محلول رزین گرماسخت
به دلیل وزن مولکولی نسبتاً کم رزین های گرماسخت، برای تنظیم گرانروی مناسب برای اجرای پوشش، به حلال کمتری نیاز است. در این نوع سامانه پس از اعمال پوشش، ابتدا حلال موجود در پوشش تبخیر و سپس واکنش های تشکیل فیلم (واکنش های پلیمر شدن و شبکه ای شدن) آغاز می‌شود و تا رسیدن به وزن مولکولی موردنظر، ادامه پیدا می‌کند. واکنش های شبکه ای شدن ممکن است در دمای محیط یا در دمای زیاد (سامانه های پخت شونده ) انجام شود. مشکل اساسی در سامانه های شبکه ای شونده، ارتباط بین پایداری پوشش در زمان انبارش و زمان و دمای مورد نیاز برای شبکه ای شدن پس از اعمال است. حالت ایده ال این است که پوشش به گونه ای باشد که بتوان آن را ماه ها و سال ها در انبار نگه داشت، بدون آنکه افزایش قابل توجهی در گرانروی ، در اثر واکنش های شبکه ای ناخواسته، به وجود آید. از سوی دیگر، پس از اعمال نیز حداکثر شبکه ای شدن در حداقل زمان و در کمترین دمای ممکن انجام گیرد.
در سامانه های گرماسخت که تبخیر حلال و واکنش های شبکه ای شدن به طور هم زمان انجام می گیرد، هر قدر سرعت تبخیر حلال بیشتر باشد، غلظت حلال از عمق به سطح کاهش می یابد. در نتیجه در لایه های نزدیک به سطح، واکنش های شبکه ای شدن با سرعت بیشتری پیش می رود. هر قدر شبکه ای شدن لایه ها بیشتر شود، نفوذ حلال از لایه های زیرین به سطح با سختی بیشتری انجام می گیرد. در این حالت مولکول های حلال با پرش به فضاهای خالی بین زنجیرهای پلیمری به سمت سطح حرکت می کنند. با پیشرفت واکنش های پخت و کاهش فضاهای خالی، حرکت حلال آهسته تر و سخت تر می‌شود. در این حالت گفته می‌شود، سازوکار تبخیر حلال تحت کنترل نفوذ است.
تشکیل فیلم با به هم پیوستگی ذرات پلیمری (لاتکس)
تشکیل فیلم محلول های گرمانرم حاوی ذرات پلیمری نامحلول (لاتکس) پس از اعمال، شامل تبخیر ترکیبات فرار از سامانه و سپس به هم پیوستگی ذرات در یکدیگر به شکل یک فیلم پیوسته است. یک سامانه لاتکس از پراکنش ذرات پلیمری با وزن مولکولی زیاد در آب تشکیل شده است.
بیشتر لاتکس‌ها از راه واکنش های رادیکال آزاد شروع شده و با فرآیندهای پلیمر شدن رشد زنجیر، تهیه می‌شوند. به علت اینکه ابتدا مونومرها در آب به حالت امولسیون در می آیند، واکنش های تشکیل لاتکس را پلیمر شدن امولسیونی می نامند. مراحل تشکیل فیلم در سامانه های لاتکسی (گرمانرم) به اینصورت تقسیم می‌شوند: 1- تبخیر آب و حلال های محلول در آب از سطح (افزایش غلظت لاتکس) 2- تغییر شکل ذرات میسل، پاره شدن آ‌‌ن‌ها و تشکیل فیلم ضعیف پلیمری 3- به هم پیوستگی ذرات لاتکس 4- حداقل دمای تشکیل فیلم (کمترین دمایی که در آن به هم پیوستگی ذرات پلیمر و حصول یک فیلم یکنواخت انجام گیرد).
به طور کلی باید در نظر داشت که خواص فیزیکی و مکانیکی یک پوشش، تحت تاثیر ساختار و فرآیند تشکیل فیلم آن قرار دارد، بنابراین به منظور ارزیابی صحیح یک سامانه پوششی و انتخاب پوشش بر اساس انتظارات کاربردی آن، در وهله نخست باید به فرآیند تشکیل توجه شود. سپس با توجه به انتظارات از پوشش، نوع آن بر اساس ساختار و فرآیند تشکیل فیلم انتخاب شود.
واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان
دیدگاه خود را ثبت کنید
تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟در گفتگو ها شرکت کنید.