رزین فنولی

صنایع پلیمری حدود 90 سال است پا گرفته اند که اصل آن‌ها به رزین های فنولی و تلاش های اولیه لئوباکلند باز می‌گردد. لئوباکلند در سال 1907 توانست روشی اقتصادی برای تبدیل این رزین‌ها به فرمول بندی های قابل قالبگیری ابداع کند که در اثر گرما و فشار به قطعات قالبگیری شده مقاوم و سختی تبدیل شوند.    رزین‌های فنولی به دلیل داشتن خواص عایق بودن عالی جایگزین رزین های طبیعی مانند صمغ کائوچو شدند. مهمترین بخش بازار رزین‌های فنولی به صنایع چوب، عایق های گرما و ترکیبات قالبگیری مربوط می شود. در بیشتر کاربردها رزین‌های فنولی با پرکننده های تقویت کننده با الیاف ترکیب می‌شوند تا به عنوان پیوند دهنده یا چسب کارامد در ترکیب عمل کنند. ماهیت برجسته رزین های فنولی از نظر تنوع کاربرد، از اهمیت آن در طیف صنایع امروز مشخص می شود. خواص کلیدی آن مانند مقاومت در دمای بالا، ذوب ناپذیری و بازدارندگی شعله از مشخصات ویژه این ترکیبات است که همچنان رشد بازار آن‌ها ادامه دارد.  رزین‌های فنولی از واکنش فنول‌ها با آلدهیدها حاصل می شوند. فنول ها خانواده ای از ترکیبات آروماتیک با گروه هیدروکسیل متصل( به طور مستقیم) به حلقه آروماتیک اند. فنول ها مانند اسیدهای ضعیف عمل می کنند و به جز مورد آلکیل فنول‌های مایع، بقیه جامداتی بی رنگ اند. دمای ذوب فنول خالصC ° 40.9  است. بیشترین مصرف فنول در ساخت و تولید رزین های فنولی است. حدود 3 % تولید فنول از زغال سنگ است. از روش‌های سنتزی، فرایند کومن از همه معروف تر است و مواد خام اساسی برای تولید آن بنزن و پروپیلن است. تولید کل جهانی فنول حدود 3.5 میلیون تن است. در گروه آلدهیدها، فرمالدهید عملاً تنها جزء کربونیلی برای سنتز رزین‌های فنولی تجارتی است. فرمالدهید به وسیله هیدروژن گیری از متانول روی کاتالیزور نقره یا اکسیدهای آهن و مولیبدن تولید می‌شود. فرمالدهید گازی بی رنگ با بوی زننده و التهاب آور است.

سنتز رزین‌های فنولی

سنتز پلیمرهای فنول- فرمالدهید معمولاً دو مرحله دارد: مرحله اول، تولید یک پیش پلیمر که به صورت مخلوطی از مولکول‌های الیگومری یا در نهایت مولکول‌های جزئی پلیمر شده است. پیش پلیمر دو مشخصه مهم دارد: مایعی است عملاً غیر فرار و گاهی گرانرو که شکل پذیر است. در مرحله بعد پلیمر شدن کامل می شود و رزین سختی شکل می‌گیرد. در معمول‌ترین فرایندها کاتالیزور بازی در مرحله اول به کار گرفته می شود و پیش پلیمری معروف به رزول به دست می آید. کاربردهای اصلی رزول ها تولید شکل های کامپوزیتی چوب  مانند تخته چندلاست.

کاربردهای رزین‌های فنولی

مواد چوبی کامپوزیتی: مهمترین کاربرد رزین‌های فنولی در مواد چوبی کامپوزیتی است که در آن مواد چوبی به وسیله رزین‌های فنولی پیوند شده اند، مانند تخته‌های دارای ذرات ریز و درشت چوب، تخته چند لا، تخته های لیفی و محصولات ساختمانی چوبی دارای چسب‌های فنولی. مورد اخیر به علت مقاومت بسیار زیاد پیوند چسب‌های فنولی در برابر رطوبت زیاد و هوازدگی و استحکام بالای ویژه اتصالات چسبی در محیط های بسیار مرطوب نیز کاربرد دارد. دلیل استفاده از رزین‌های فنولی، بکارگیری چوب های پست و ضایعات چوبی صنایع چوب است که با این فن محصولات چوبی با شکل های بهتر و با صرفه اقتصادی تولید می‌شود. بیش از یک سوم تولید رزین های فنولی به مواد چوبی اختصاص داده شده است. چسب چوب‌های ساختاری حاصل از رزین های رزورسینول/ فنول یا رزین‌های رزورسینول اهمیت زیادی پیدا کرده اند، زیرا نقص های چوب مانند باد کردن یا انقباض چوب با استفاده از این چسب‌ها، که بین لایه های نازک چوب اعمال می شوند، کاهش می یابد. همچنین این ساختارهای چوبی به دلیل رسانندگی گرمایی کم و تشکیل خاکستر عایق کننده در برابر آتش خوب عمل می‌کنند.

ترکیبات قالبگیری فنولی:  مشخصه مهم ترکیبات قالبگیری فنولی این است که نخستین پلاستیک های مهندسی واقعیند و از این خواص کلیدی برخوردارند: مقاومت در دمای بالا، حفظ مدول در دماهای زیاد، مقاومت در برابر شعله و قوس الکتریکی، مقاومت در برابر مواد شیمیایی و شوینده ها، سختی سطحی بالا، خواص الکتریکی خوب، هزینه واحد نسبتاً پایین.

مواد عایق صدا و گرما: عایق‌های گرمایی شامل کاربرد رزین‌های فنولی به عنوان پیوند دهنده یا چسب برای الیاف شیشه و معدنی است، همین طور حجم‌های کمتر از این عایق ها در ساخت اسفنج‌های فنولی مصرف می‌شوند. نمدهایی که از تکه های الیاف آلی پیوند داده شده با رزین فنولی تهیه می‌شوند، محصولات عایق صدای متداولند. این محصولات در صنایع خودرو و برای وسایل ماشینی در محل کار و خانه به کار می روند. با عبور صدا از الیاف  به هم متصل، انرژی صدا به گرمای اصطکاکی و ارتعاشی تبدیل شده و صدا تضعیف می شود.

چند لایه های صنعتی و آغشته سازی کاغذ: ساختار آبدوست رزین‌های فنولی پخت نشده این مواد را برای آغشته سازی کاغذ و پارچه‌های پنبه ای به منظور استفاده در ساخت چند لایه های تزیینی و الکتریکی، قطعات قالبگیری، کاغذهای صافی و جداگرهای باتری مفید می سازد.

پوشش ها : تمام فلزات در محیط طبیعی دچار مقداری خوردگی می شوند. موادی که به ویژه مستعد خوردگی اند عبارتند از آهن و فولاد که خوردگی آن‌ها در مجاورت اکسیژن و هوا سرعت می یابد. پوشش های آلی کارآمد، عمل غیر فعالسازی، محافظت گالوانی و خواص نفوذ ناپذیری (سدی) لازم را برای  جلوگیری از خوردگی فراهم می‌آورند. چسبندگی خوب به فلز و و انتقال بخار آب یا اکسیژن کم عوامل کلیدی برای تاثیر پوشش‌های فنولی است. مزایای دیگر آن شامل مقاومت شیمیایی و سایشی عالی و ویژگی‌های دما بالاست. رنگ‌ها و پوشش‌های تاسیسات دریایی باید ضمن جلوگیری از پوسته پوسته شدن، ناهمواری سطح را نیز کاهش دهند و از همه مهمتر خوردگی الکتروشیمیایی را مانع شوند. پوشش‌های قطعات زیر آب معمولاً از سه پوشش اصلی تشکیل می شوند که در هر سه    رزین‌های فنولی مصرف دارند. مهمترین کاربرد رزین‌های فنولی به عنوان پیوند دهنده برای مرکب چاپ برای چاپ گراور، چاپ مجله و کاتالوگ هاست.

ساینده ها: وسایل ساینده دارای رزین‌های فنولی به عنوان پیوند دهنده در 1907 به عنوان اختراع ثبت و به عنوان عوامل پیوندی برای مواد ساینده توصیف و به کار گرفته شد. ساینده های تولید شده رشد زیاد و مصرف بیشتری نسبت به ساینده های طبیعی دارند. ساینده های طبیعی مانند الماس و ساینده های تولید شده مانند Al2O3 و SiC رشد زیادی داشته است.

چرخ‌های ساینده یکی از این کاربردهاست که از سه جزء اساسی تشکیل شده است: دانه‌های ساینده، پرکننده و عوامل پیوند دهنده. در این نوع کاربردها مزیت اساسی رزین های فنول در مقایسه با لاستیک، مقاومت در دماهای بالا ضمن سایش در برخی کاربردهاست. ساینده‌های پوشش یافته، تسمه ها، دیسک‌ها، صفحات و استوانه های ساینده برای صیقل دادن یا عملیات پرداخت کاربرد دارند و با استفاده از  رزین‌های سنتز شده انعطاف پذیر، استحکام لازم حاصل می شود.

مواد اصطکاکی: ویژگی‌های عملکردی لازم برای وسایل اصطکاکی مثل لنت ترمز موثر شامل ضریب اصطکاک مستقل از دما و نسبتاً بزرگ، مقاومت گرمایی بالا، استحکام زیاد و کشسانی قابل توجه، سایش پذیری کم و مقاومت در برابر سیال‌های هیدرولیک، بنزن و آب است. بهینه سازی همه این ویژگی‌ها فقط در صورتی امکان پذیر است که موازنه دقیقی از اجزای گوناگون برقرار شود. مواد اصطکاکی شامل یک ماده تقویت کننده و پایدار گرمایی لیفی، پرکننده های جامد ذره ای یا پودری فلزی یا غیر فلزی گوناگون، اصلاح کننده های اصطکاک و رزینی است که پیوند دهنده این مواد است. الیاف مصرف شده آزبست است که از نظر ایمنی مشکلاتی دارد و برای جایگزینی آن الیاف معدنی، الیاف کربن، آرامید ( کولار)، الیاف فلزی و ترکیب آنها توصیه شده است. انواع پرکننده های متفاوت آلی و معدنی برای بهبود اصطکاک، رسانندگی گرمایی، مقاومت سایشی و استحکام وسیله اصطکاکی ساخته شده به کار می رود.    رزین‌های بسیار متنوع به عنوان پیوند دهنده مواد  اصطکاکی از جمله    رزین‌های فنولی مانند نووالاک و رزول و آمیزه های آن‌ها مصرف می‌شود.

 رزین‌های فنولی در لاستیک و چسب‌ها: عموماً رزین‌های فنولی ویژگی‌های چسبندگی را عملاً در هر نوع کاربردی نشان می‌دهند و همراه با الیاف تقویت کننده یا پرکننده ها مصرف می‌شوند. چسبندگی خوب این مواد به علت قطبیت قابل توجه ساختار فنولی است. معایب آن شامل شکنندگی در ترکیب‌های اصلاح نشده، دما پخت بالا وشرایط لازم فشار است. بهبود قابل توجه خواص شیمیایی و فیزیکی لاستیک از وولکانش با گوگرد حاصل می‌شود. هم لاستیک طبیعی و هم سنتز شده را می توان با بعضی از رزین‌های فنولی بدون افزودنی‌های دیگر وولکانش کرد. مزیت    رزین‌های فنولی در مقایسه با وولکانش با گوگرد، مانایی فشاری کم و مقاومت شیمیایی بهتر است. رزین‌های فنولی با پلیمرهای گرمانرم در چسب‌های ساختاری آمیخته می‌شوند که رزین فنولی نقش چسباندن لاستیک و فلز را به عهده دارد. خواص ویژه این ترکیب‌ها، که معمولاً به آن‌ها آلیاژ نیز می گویند، این است که این مواد را می توان در شرایط ویژه ( نسبت رزین‌ها) به دست آورد. به عنوان فاز مورفوروژیکی نرم، پلی وینیل استال‌ها، NBR ، پلی آمیدها  و پلی آکریلات‌ها برتری دارند. بدین ترتیب ازدیاد طول، کشسانی و جهندگی رزین فنولی به ویژه در دماهای پایین بهبود می یابد. انتشار ترک به دلیل سیستم دوفازی به مقدار زیادی کاهش می یابد و در نتیجه استحکام ضربه ای بهبود پیدا می‌کند.

 

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان

 

پلی یورتان‌های بیو پزشکی

پلی یورتان ها بلوک کوپلیمرهایی هستند که در آن‌ها بلوک های نرم پلی استر یا پلی اتر با وزن مولکولی کم به وسیله گروه یورتان به یکدیگر متصل شده اند، در ساختار این پلیمر سگمنت های سخت، نیمه سخت یا انعطاف پذیر وجود دارد. پلی یورتان ها به عنوان مواد مقاوم در مقابل اشعه گاما، روغن ها، اسیدها و بازها شناخته شده اند و از کاربردهای پلی یورتان ها در صنعت پزشکی می توان به تکنولوژی پیوند اعضاء مصنوعی اشاره نمود.

گزارشات منتشر شده در مورد کاربردهای پزشکی پلی یورتان تقریباً به سال 1959 باز می‌گردد. زمانی که اسفنج سخت پلی استر یورتان با نام تجاری استامر را برای تثبیت استخوان در محل اصلی به آن پیوند زدند، ادعاهای اولیه حاکی از این بود که این ماده استحکام ساختاری لازم را تا رشد استخوان جدید تامین می کند. مطالعات بعدی آشکار کرد که استامر استحکام ساختاری ناکافی، پیشرفت کم رشد استخوان، چسبندگی و میزان بالایی از عفونت در زخم را موجب و در بدن تجزیه می شود. در سال 1961 تعدادی از وسایل مورد استفاده در پیوند قلب و عروق به وسیله یک نوع پلی یورتان تهیه شده توسط شرکت بی اف گودریچ با نام استان وی سی و با استفاده از تترا هیدروفوران پوشش داده شدند. این ماده که یک پلی استر یورتان مانند استامر بود علیرغم خواص سازگاری زیستی اولیه قابل قبول در طول یک سال به طور کامل تجزیه می شد. در سال 1967 مجموعه ای از الاستومرها توسط شرکت آوکو معرفی شدند که از بلاک کوپلیمرهای یورتان- پلی دی آلکیل سیلوکسان تشکیل شده بودند. این پلی یورتان های سگمنته موفقیت بسیاری در تهیه اعضاء قابل پیوند و وسایل کمکی جریان خون خارج از بدن، با حداقل آسیب خونی یا نارسایی به علت خستگی کسب کردند. این مواد به عنوان اولین نمونه های پلی یورتان که اختصاصاً برای کاربردهای پزشکی طراحی شده بودند، اهمیت یافتند. این موفقیت ها، سبب تشویق پژوهشگران شد تا طی دهه های گذشته تلاش های فراوانی در جهت توسعه وسایل پزشکی با استفاده از مواد پلی یورتان انجام دهند. مطالعات انجام شده منجر به توسعه و پیشرفت قلب های مصنوعی کاملاً پیوند پذیر شد که از پلی یورتان ها تهیه می شدند.

پلی یورتان هایی که برای مصارف پزشکی به کار می روند نیز در دو دسته پلی استر یورتان ها و پلی اتر یورتان ها طبقه بندی می شوند. این دسته ها می توانند پلیمرهای دیگری را نیز در خود داشته باشند. (برای مثال اوره، سیلوکسان، بیوره و غیره). پلی اتر یورتان ها به عنوان پیوندهای بافتی، پایداری درازمدتی را از خود نشان می دهند و واکنش های جسم خارجی عمده ای را ایجاد می کنند. از طرف دیگر مشخص شده که پلی استر یورتان ها در مدت چند ماه در بدن تجزیه شده و عموماً برای پیوندهای دراز مدت توصیه نمی شوند. به نظر می رسد که علت تجزیه نسبتاً سریع آن‌ها تجزیه هیدرولیتیک ( واکنش با آب) عوامل استری موجود در اجزاء پلی ال زنجیره بلند این ترکیبات است. مواد زیستی پلیمری که به عنوان عضو پیوندی در تماس با خون در حال جریان قرار می گیرند عموماً همانند ساختار بافت همبند از نظر آزمایش های سم شناسی بررسی می شوند. علاوه بر آن سازگاری خونی نیز باید از طریق مجموعه آزمایش هایی تایید شود.

پیکربندی فیزیکی ( به عنوان مثال: نرمی، اندازه و …) از نظر سازگاری بافت همبند پیوندهای در تماس با خون اهمیت دارد. مهم ترین عامل در سازگاری خونی مواد پیوند شده مقاومت آن‌ها در مقابل ایجاد لخته است این قبیل مواد نباید به طور مشهود سبب آسیب پروتئین ها، آنزیم ها یا اجزاء سلولی خونی شوند.

پلی یورتان سگمنته بیومر

بیومر، یک پلی یورتان سگمنته است که از سگمنت های نرم مشتق از پلی تترا متیل اترگلیکول و سگمنت های سخت 4 و4 دی فنیل متان دی ایزوسیانات و یک دی آمین تشکیل شده است. چون این پلیمر در زنجیره دارای ساختار اوره ای است در قالب ریزی تزریقی یا اکستروژن بدون تجزیه شدن، به راحتی فرایند پذیر نیست.

این پلیمر با نشان دادن سازگاری خونی عالی و حالت ارتجاعی، ماده منتخب برای کاربردهای بسیار متنوع در زمینه فیلم های نازک است. کیسه ها و پوشش هایی برای پمپ های خونی کمک کننده بطن چپ، قلب مصنوعی و پمپ های بالون داخل آئورتی از کاربردهای برجسته این مواد می باشند. بیومر به عنوان پوششی بر روی سطوح در تماس با خون در لوله ها، کانترها و اجزاء دیگر به کار می رود.

پلی یورتان کاردیوتان

پلی یورتان کاردیوتان، نام تجارتی برای مجموعه الاستومرهایی است که از سال 1967 معرفی شده اند. این مواد به صورت کوپلیمرهای سگمنته پلی یورتان- پلی دی آلکیل سیلوکسان مشخص شده اند. توسعه یافته ترین ماده، کاردیوتان 51 است که از پلی یورتان( %90) و پلی دی متیل سیلوکسان (%10) و حداقل سه گروه انتهایی استوکسی واکنش پذیر به ازاء هر زنجیر تشکیل می شود. کاردیوتان 51 همان کاربردهای بیومر را در تماس با خون دارد. با بیش از 30000 پیوند تا سال 1980 کارکرد استثنایی این ماده در پمپ های بالون داخل آئورتی (یاری رسان های جریان خون قلبی) اثبات شده است.

پلی یورتان های جدید هیدروژلی برای کاربردهای بیوپزشکی

پلی یورتان های هیدروژلی از پیش پلیمر یورتان قابل پخت توسط اشعه ماوراء بنفش و مونومرهای هیدروفیلیک به دست آمده و خواص آنها ارزیابی گردیده است.

پلیمرهای یورتان به صورت فوم ها، پوشش ها، چسب ها، لاستیک ها و الیاف مورد استفاده قرار می گیرند. پلی یورتان‌ها مهم ترین پلیمرهایی هستند که جهت ساخت ابزار برای کاربردهای بیوپزشکی مورد استفاده قرار گرفته اند. بر اساس آمار در سال 1990 برای کاربردهای پزشکی بیش از 35 میلیون پوند از این پلیمر مصرف شده است و رشد سریع آن نیز قابل پیش بینی است. Hudgin و Blair از پلیمرهای هیدروفیلیک جهت ساخت اتصالات لنزهای چشمی نرم استفاده کرده اند. Johnston و Gould شبکه هایی در هم فرو رفته از پلی یورتان ها و اکریلات ها را به وسیله پلیمریزه کردن دی اکریلات ها در حضور پلی یورتان های هیدروفیلیک درست کرده اند (IPN). این سیستم ها (یعنی    IPNها) تشکیل هیدروژل را می دهند که کاربردهایی در لنز چشمی و جراحی دارند.

پلی یورتان هیدروژل که از پیش پلیمرها و مونومرهای هیدروفیل بدست می آیند، جهت کاربردهای عینک سازی به کار می روند. به استثنای بعضی از هیدروژل ها با میزان آب موجود بالاتر از 38 درصد، مقاومت در مقابل پارگی و مدول هیدروژل های پلی یورتان خیلی بالاتر از آنهایی هستند که در حال حاضر جهت کاربرد عینک سازی استفاده می شوند. هیدروژل های با مقاومت بالا در مقابل پارگی موید این مطلب هستند که وسایل پزشکی ساخته شده از آنها دوام بیشتری خواهند داشت.

 

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان

 

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

روش های ارزیابی مقدار پخت پوشش و تعیین مشخصه های فیزیکی و شیمیایی آن

خواص نهایی پوشش های پلیمری گرما سخت به مقدار پیشرفت واکنش های پخت و شبکه ای شدن آن ها بستگی دارد. افزون بر خواص مکانیکی از قبیل سختی، انعطاف پذیری و مقاومت در برابر ضربه، مولفه های دیگری مانند سیالیت طی تشکیل فیلم، شکل ظاهری و مقاومت شیمیایی فیلم پخت شده، حفظ براقیت و عمر سرویس دهی نیز مستقیماً به فرایند پخت آن ها مربوط می شود. در شرایط عملی، پخت به مقدار قابل توجهی به شیوه گرمادهی وابسته است.
پخت پوشش های گرما سخت، فرایند تبدیل مواد پلیمری از فاز مایع، مانند مخلوط رزین های مایع، رنگدانه و سایر مواد افزودنی، به فاز جامد در اثر واکنش های شیمیایی است. این واکنش ها یا در دمای محیط و با استفاده از مواد شتاب دهنده و کاتالیزورها یا با افزایش دما و گرمادهی انجام می شود. پیشرفت واکنش های پخت، با افزایش وزن مولکولی و گرانروی همراه است.  با پیشرفت بیشتر واکنش ها، سامانه ژل شده و دیگر قابلیت جریان یافتن نخواهد داشت. در نهایت شیشه ای ( جامد) شدن رخ می دهد. با توجه به اثر قابل توجه مقدار پخت بر خواص نهایی پوشش، بررسی و تعیین مقدار پخت پوشش از اهمیت زیادی برخوردار است . در این باره روش های مختلفی توسعه یافته که برخی از آن ها عبارت است از:

·       طیف سنجی زیر قرمز (IR)

·       رزونانس مغناطیسی هسته ( NMR)

·       تجزیه شیمیایی

·       تجزیه دی الکتریکی

·       گرماسنجی پویشی تفاضلی (DSC) و تجزیه گرماوزن سنجی ( TGA)

·       تجزیه شیمیایی

·       تجزیه دی الکتریکی

·       تجزیه های گرمایی مکانیکی از قبیل تحلیل جهشی پیچشی ( TBA) یا تجزیه مکانیکی دینامیکی( DMA)

·       اندازه گیری خواص مکانیکی خاصی از قبیل سختی، انعطاف پذیری و مقاومت در برابر ضربه، مقاومت در برابر حلال و نرم شدگی فیلم پخت شده.

بیشتر این روش ها برای شناسایی و پیگیری فرایند پخت پوشش ها و تعیین مشخصه های فیزیکی آن ها مناسب اند، اما بسیاری از آن ها داده های کافی و مناسبی برای تفسیر کمی نمونه های آزمون به دست نمی دهند یا اینکه نتایج بدست آمده را نمی توان مستقیماً به پدیده تشکیل فیلم ارتباط داد.

از نظر شیمیایی، بهترین وسیله برای شناسایی و بررسی سازوکارهای پخت، روش های طیف سنجی است، اما از آنجا که پدیده پخت، یک فرایند فیزیکی- شیمیایی پیچیده است، این روش ها اطلاعات زیادی را درباره تشکیل فیلم نمی دهند. بنابراین توصیه می شود، به کارگیری روش های مزبور و تفسیر نتایج حاصل از آن ها همراه با بررسی خواص فیلم پوشش در شرایط کاربردی و عملی انجام پذیرد.

روش های تجزیه گرمایی

روش های تجزیه گرمایی برای بدست آوردن اطلاعات کیفی و کمی درباره اثر گرما بر انواع مواد از جمله: پوششها و مواد پلیمری، سرامیک ها، آلیاژها، مواد معدنی، غذا و دارو به کار می رود. به طور خلاصه روش تجزیه گرمایی، متعلق به گروهی از روش های تجزیه و تحلیل گرمایی است که در آن خواص فیزیکی یک ماده یا محصولات واکنش آن به عنوان تابعی از دما در شرایطی که ماده تحت یک برنامه دمایی کنترل شده قرار دارد، اندازه گیری می شود. برخی از روش های تجزیه گرمایی عبارت است از: تجزیه گرمایی تفاضلی، گرماسنجی پویشی تفاضلی، تجزیه گرما وزن سنجی، تجزیه گرمایی- مکانیکی و …

در روش های تجزیه گرمایی، با اعمال یک برنامه دمایی مشخص، تغییر برخی از خواص مواد بررسی می شود. این برنامه دمایی می تواند دینامیک باشد که در آن نمونه ها با سرعت ثابتی در محدوده دمایی مورد نیاز، گرم یا سرد شوند. همچنین ممکن است آزمون دمای ثابت از پیش تعیین شده (هم دما) انجام شده و تغییرات در محدوده زمانی مشخص، بررسی شود. مواردی که با روش های گرمایی اندازه گیری می شوند، عبارتند از:

–        تغییرات ساختاری مانند دمای انتقال شیشه ای وپدیده های ذوب، جوش و تصعید

–        خواص مکانیکی مانند انعطاف پذیری و مدول

–        ثابت های گرمایی مانند ظرفیت گرمایی ویژه (Cp) و دماهای ذوب و جوش

–        فعالیت های شیمیایی شامل واکنش های جامد- مایع- گاز

–        از دست دادن آب و پخت، پایداری گرمایی مواد در جوهای مختلف گازی و واکنش های تجزیه گرمایی.

روش های تجزیه گرمایی به تنهایی در تشخیص و شناسایی مواد موثر نیستند، اما به شناسایی کمک می کنند. با تلفیق دستگاه های تجزیه گرمایی، طیف نگار جرمی(MS) و زیر قرمز تبدیل فوریه (FTIR)، می توان اطلاعات بسیار مفیدی از نمونه بدست آورد.

در ارزیابی خواص فیزیکی و مکانیکی پوشش های پلیمری، روش های تجزیه و تحلیل گرمایی که کاربرد بیشتری در ارزیابی خواص دارند شامل تجزیه گرمایی تفاضلی(DTA)، گرماسنجی پویشی تفاضلی(DSC) و تجزیه گرما وزن سنجی(TGA) هستند.

تجزیه گرمایی تفاضلی(DTA)

شناخته شده ترین روش تجزیه گرمایی، تجزیه گرمایی تفاضلی است. وقتی نمونه ای با سرعت ثابت گرم می شود، سرعت افزایش دمای نمونه، با تغییرات گرمایی به وجود آمده در نمونه تغییر می کند. اساس این روش، اندازه گیری اختلاف دمای نمونه آزمون و نمونه مرجع است، در حالی که هر دو نمونه با برنامه گرمایی یکسان گرما داده می شوند. نمونه های آزمون و مرجع به گونه ای در داخل کوره قرار می گیرند که هر دو آن ها، انرژی گرمایی یکسانی را از کوره دریافت می کنند. با استفاده از ترموکوپل، اختلاف دمای به وجود آمده بین ماده مرجع و ماده آزمون، به دست می آید. این اختلاف دما که در اثر جذب یا رهاسازی انرژی در اثر تغییرات ساختاری از قبیل انتقالات فازی نوع اول یا دوم، به وجود می آید، به شکل پیک گرمازا، گرماگیر یا جابجایی خط پایه ظاهر می شود. پس از خاتمه تغییرات گرمایی، دوباره به خط صاف تبدیل می شود. چنانچه طی فرایند گرمادهی، اختلاف دمای نمونه آزمون با نمونه مرجع برابر با صفر باشد، خط پایه به شکل یک خط مستقیم ظاهر می شود. بدیهی است، این حالت زمانی رخ می دهد که ظرفیت گرمایی دو نمونه یکسان باشد.

معمولاً آشکار سازی اختلاف دما با ترموکوپل بسیار حساس انجام می شود. این حساسیت به گونه ای است که امکان آشکارسازی مقادیر ناچیز تغییر دما در حدC °0.002  در محدوده دماییC ° 200  وجود دارد. آزمون DTA را می توان تحت اتمسفر بی اثر، اکسنده یا کاهنده انجام داد و با دستگاه های مناسب، واکنش گازهای خورنده نظیر So2 و Cl2 را بررسی کرد. نمونه مرجع به هنگام گرمایش تغییر فیزیکی وشیمیایی، که سبب جذب یا رها شدن ناگهانی گرما می شود، ندارد و از نظر گرمایی خنثی است. به طور معمول از پودر آلومینا آلفا برای این منظور استفاده می شود. نحوه قرارگیری نمونه درون کوره به گونه ای است که هر دو نمونه گرمای یکسانی را در هنگام گرمایش دریافت می کنند.

عوامل موثر بر نتایج DTA، عبارت از سرعت گرمادهی، جنس، شکل و هندسه ظرف نمونه، ویژگی های نمونه مانند اندازه ذرات پودر و فشردگی آن و همچنین جو کوره است. سرعت گرمایش در روش DTA به طور معمول 5 تا  C/min°10 انتخاب می شود. بر خلاف روشTGA که فقط منحنی تغییر وزن هنگام گرمایش رسم می شود، در این روش امکان رسم منحنی سرمایش نیز برای برگشت پذیری واکنش ها، وجود دارد. اگرچه ممکن است، آزمایش با سرعت گرمادهی زیاد انجام شود، ولی باید توجه کرد که در سرعت های زیاد، نه تنها پیک ها به دماهای بیشتر منتقل می شوند، بلکه توان تفکیک آن ها نیز کاهش می یابد.

 شکل پیک می تواند نشان دهنده نوع رویداد گرمایی پدید آمده باشد. به عنوان مثال، تغییر ساختار بلوری و ذوب به شکل پیک تیز نمایان می شود، در حالی که تجزیه گرمایی و واکنش های شیمیایی به شکل پیک پهن ظاهر می شود. از سطح زیر پیک، اطلاعات مفیدی درباره مقدار گرمای تبادل شده به دست می آید که می تواند به محاسبه گرمای واکنش کمک کند.

گرماسنجی پویشی تفاضلی( DSC)

DSC یکی از روش های تجزیه گرمایی است که در آن تغییرات فیزیکی و شیمیایی نمونه ناشی از فرایندهای گرمازا یا گرماگیر و یا تغییر در ظرفیت گرمایی به شکل تابعی از دما و با استفاده از مقدار بسیار کمی از ماده، نشان داده می شود.

معمولاً این تغییرات با سرعت خطی برنامه ریزی می شود. روش DSC براساس تعیین انرژی لازم برای نگه داشتن نمونه های آزمون و مرجع در دمای مشابه، کار می کند و به نوعی می توان آن را مکمل روش تجزیه گرمایی تفاضلی( DTA) در نظر گرفت. روش DCS دارای مزایای متعددی از قبیل سهولت تهیه نمونه، سرعت زیاد انجام آزمون، قابلیت استفاده از مواد در هر دو حالت مایع و جامد و کار کردن در محدوده گسترده ای از دماست. با استفاده از روش DSC می توان دماهای مرتبط با رویدادهای گرمایی نمونه را مشخص کرد. تعیین تاریخچه گرمایی، به ویژه برای پلیمرهای گرمانرم به عنوان عامل فرایندی اثر گذاربر مقدار بلورینگی، با استفاده از این فن قابل انجام است. به عبارت دیگر، از اطلاعات بدست آمده از این آزمون می توان شرایط فرایندی را به گونه ای تغییر داد که مقدار مشخصی از بلورینگی در پلیمر ایجاد شود. همچنین می توان آنتالپی پخت پوشش های گرماسخت یا به عبارتی درجه و مقدار پخت آن ها را به دست آورد.

برخی از پارامترهایی که با آزمون DSC قابل اندازه گیری است، شامل: دمای انتقال شیشه ای، دماهای ذوب و جوش، زمان و دمای لازم برای ایجاد بلورینگی، درصد بلورینگی، آنتالپی ذوب و واکنش پخت، گرمای ویژه و ظرفیت گرمایی، سرعت و مقدار پخت، سینتیک واکنش، درصد خلوص و پایداری گرمایی است.

عوامل موثر بر نتایج حاصل از آزمونDSC  را می توان به دو دسته دستگاهی و پارامترهای مربوط به نمونه تقسیم کرد. عوامل مربوط به نمونه مانند وزن، فشردگی، اندازه ذرات، ظرفیت گرمایی و رسانایی گرمایی و مولفه های دستگاهی از قبیل سرعت گرمادهی، جنس ظرف های نمونه و مرجع، ترموکوپل ها و جو آزمون هستند. مقدار زیاد نمونه، امکان تشخیص آثار گرمایی کم و اندازه گیری دقیق کمی را فراهم می آورد. در حالی که مقدار کم نمونه برای افزایش وضوح پیک ها و منظم بودن شکل آن ها، تماس گرمایی خوب نمونه با ظرف، حذف آسان گازهای حاصل از تجزیه، حداقل شدن گرادیان دما در نمونه، امکان استفاده از سرعت گرمادهی زیاد و به دست آوردن نتایج کیفی بسیار خوب، مناسب است.

برای بررسی رفتارهای گرمایی که آثار کمی در نمودار DSC به جا می گذارند ( مانند Tg) نیاز به مقدار نمونه بیشتری است و برای بررسی آثار گرمایی مثل ذوب و تبخیر ( تغییر فاز) به مقدار ماده کمتری نیاز است.

دو نوع دستگاه DSC که برای آزمون گرماسنجی کاربرد گسترده ای دارند، عبارتند از: DSC  شار گرمایی و DSC  جبرانی – قدرتی.

 با استفاده از روش DSC، افزون بر تعیین متغیرهای سینتیکی فرایند پخت، می توان به نتایج مفید دیگری از قبیل دمای انتقال شیشه ای پوشش و اجزای مصرفی در آن، دماهای ذوب بلور پلیمرها ( به ویژه گرمانرم ها) و مواد شبکه ساز و دمای شروع واکنش های پخت پی برد. به طور غیر مستقیم با استفاده از متغیرهای سینتیکی، مقدار تبدیل واکنش های پخت بر حسب زمان در یک دمای ثابت را می توان به سهولت محاسبه کرد. بدین ترتیب می توان زمان لازم برای انجام فرایند پخت را در یک دمای معین یا برعکس معین کرد.

تجزیه گرماوزن سنجی (TGA)

روش TGA را می توان برای بررسی تغییرات وزن در یک نمونه، در اثر فرایندهایی از قبیل تجزیه، تصعید، احیا، واجذب و تبخیر به عنوان تابعی از دما در حالت پویشی یا تابعی از زمان در حالت هم دما مورد استفاده قرار داد. اندازه گیری پیوسته افت وزنی در اثر تجزیه یا از دست دادن آب و افزایش وزن به دلیل جذب یا اکسایش با استفاده از این روش قابل انجام است. زمان اندازه گیری در آزمون TGA نسبتاً طولانی است، به همین دلیل پایداری مواد و مراقبت های ضد ارتعاشی دستگاه در زمان آزمون، باید در نظر گرفته شود. این روش معمولاً برای مطالعه فرایندهای تخریب با ارائه اطلاعاتی درباره سرعت تخریب در شرایط اکسیدی و دمای تخریب گرمایی مواد پلیمری استفاده می شود. اما برای ترکیباتی حساس به دما، مانند چسب ها و رزین ها، به دلیل وجود مراحل مختلف پخت مناسب نیست. از روش ها و استانداردهای مختلفی از قبیل ASTM E1131 برای تعیین درصد اجزا به وسیله روش گرماوزن سنجی استفاده می شود.

مقدار نمونه مورد نیاز برای آزمون TGA، حدود  mg 50 است. لازم به ذکر است، انجام و تفسیر این آزمون نیاز به تعیین دقیق سرعت گرمادهی، جو آزمون و دمای انتهایی آزمون دارد. در روش TGA تغییرات وزن ماده به طور کمی اندازه گیری می شود. برای اندازه گیری جرم از یک ترازوی گرمایی استفاده می شود که می تواند در جو گازهای مختلف عمل کند. جایگاه نمونه، یک تشتک آلومینیمی یا پلاتینی است که از بازوی ترازوی میکروالکترونیکی که در محفظه شیشه ای قرار گرفته، آویزان است. در عمل ارتفاع کوره افزایش داده می شود تا همراه با محفظه شیشه ای فضای درزگیری شده ای ایجاد شود. کنترل جو یا جریان گاز در محفظه انجام می شود. پس از اتمام آزمایش، کوره با جریان آب سرد شده و امکان انجام آزمایش بعدی فراهم می شود.

کاربردهای روش گرماوزن سنجی یا TGA عبارت است از: 

  • بررسی فرایندهای جذب (واجذب)
  • تخریب
  • تخریب اکسایشی
  • پایداری گرمایی
  • مراحل افت وزن وشرایط دمایی آن
  • بررسی مواد کمپلکس
  • تجزیه کمی

روش TGA، روش تجزیه گرمایی نسبتاً قدیمی محسوب می شود. دستگاه TGA به گونه ای طراحی شده است که تغییرات وزن را به شکل تابعی از دما به طور پیوسته ثبت می کند. معمولاً نمونه در معرض یک تغییر دمایی خطی یا در شرایط هم دما قرار داده می شود. بخش های اصلی دستگاه TGA شامل کوره، بخش برنامه ریزی دمای کوره، قسمت ثبت کننده وزن، بخش نگه دارنده نمونه مجهز به سامانه حساس به دما و سامانه ثبت کننده نتایج است. مهم ترین بخش دستگاه TGAدما و سامانه ثبت کننده نتایج است. مهم ترین بخش دستگاه TGA، بخش ثبت کننده وزن است. بر اساس سامانه عملکرد، ثبت کننده های وزن را می توان به سه گروه اصلی تقسیم بندی کرد: الف) دستگاه های نوع انحرافی ب) نوع صفر ج) دستگاه هایی که بر اساس تغییر در بسامد تشدید کار می کنند.

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان

الاستومرهای پلی یورتان

الاستومرهای پلی یورتان بر اساس فرایند آن ها به سه دسته اصلی تقسیم می شوند:

1-    پلی یورتان های قابل ریخته گری

 2- پلی یورتان های غلتک پذیر

3- پلی یورتان های ترموپلاستیک

پلی یورتان های قابل ریخته گری:

پلی یورتان های این دسته بیشترین کاربرد در تولید پلی یورتان های الاستومری را به خود اختصاص داده اند و به یکی از دو روش تولید پیش پلیمری و یا یک مرحله ای فرایند می شوند. روش های مورد استفاده در قالبگیری عبارتند از: ریخته گری باز، مرکز گریزی، چرخشی، افشاندن، قالبگیری تحت فشار و قالبگیری تزریقی واکنشی( RIM). با تغییر دادن هر یک از سه عامل مهم شرکت کننده در واکنش یعنی: پلی ال، ایزوسیانات یا زنجیر افزاینده، الاستومرهایی با طیف وسیعی از خواص فیزیکی و مکانیکی مختلف به دست می آیند. این طیف خواص از حالت ژلاتینی بسیار نرم شروع و به محصول بسیار مقاوم و سخت ختم می شود. مقاومت پلی یورتان ها در مقابل عمل سایش و روغن بسیار عالی است و به همین دلیل خواص فوق العاده، الاستومرهای یورتان زمینه های کاربردی موفقیت آمیزی را در تولید لاستیک های جامد قابل استفاده در ماشین های صنعتی، غلطک ها به ویژه آن دسته که در ماشین های چاپ مورد استفاده قرار می گیرند، قلاب ها، چرخ دنده ها و … پیدا کرده اند.

به دو دلیل اصلی کارایی و تعادل قیمت-کارایی الاستومرهای قابل ریخته گری در مقایسه با مواد دیگر انتخاب می‌شوند. استفاده از این مواد موجب افزایش در خواصی مثل مقاومت سایشی، سختی، مقاومت در برابر پارگی، توانایی تحمل بار می شود. دومین دلیل تعادل قیمت- کارایی مناسب این مواد است. پلی یورتان ها اغلب خیلی گران تر از مواد دیگر می باشند ولی از آنجا که دارای کارایی بهتری در زمان طولانی تری هستند، این هزینه بالای آن ها جبران می شود. این مسئله به ویژه در کاربردهایی مانند تسمه نقاله های مورد استفاده در صنایع معدن و غلتک های مورد استفاده در صنایع کاغذسازی بسیار واضح می باشد. در این صنایع هزینه توقف خط تولید بسیار بالا است. هزینه تقریبی صرف شده تعویض قسمت های خراب یا کهنه حدود هزار دلار در هر ساعت است، در حالی که قطعات یورتانی، دو، چهار و یا حتی ده برابر بیشتر از قطعات فلزی دوام دارند و کاملا واضح است که هزینه بالایی که در ابتدا صرف قطعات یورتانی می شود بسیار به صرفه تر از هزینه توقف خط تولید می باشد.

یکی از مزیت های یورتانها در برابر فلزات وزن سبک آن ها می باشد. وزن قطعات ساخته شده از یورتان ها خیلی سبک تر از قطعات ساخته شده از فلزات است و خیلی راحت تر به کار برده می شوند و لذا وزن نهایی قطعه و ماشین مربوطه کمتر خواهد شد. مزیت دیگر این است که قطعات فلزی تولید صدا می کنند در حالیکه یورتان ها جاذب صدا هستند. پلی یورتان ها می توانند به عنوان یک پوشش خارجی برای فلزات، به خصوص در مواردی که فلزات در معرض مواد خورنده هستند، به کار برده شوند؛ زیرا یورتان ها در برابر خوردگی مقاوم هستند. در بسیاری از کاربردهایی که در صنایع معدنی وجود دارد محلول های خورنده قوی باعث سرعت زوال فولاد می شوند. هر جا که عامل ساینده و خورنده همزمان وجود داشته باشند، عمر قطعات فلزی به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. اما یورتان ها به علت داشتن مقاومت بالا در برابر سایش و خوردگی نسبت به فلزات دوام بیشتری دارند.

بزرگترین محدودیت برای پلی یورتان ها گرما است. به علت وجود یک خصوصیت گرما نرمی در طبیعت این مواد امکان استفاده در دماهای بالا وجود ندارد. از این رو استفاده از پلی یورتان های معمولی در دمای بالاتر ازC ° 120 توصیه نمی شود. مشکل دیگر پلی یورتان ها هیدرولیز آن ها در حضور رطوبت و دمای بالا است. هنگامی که دما پایین باشد، بیشتر پلی یورتان ها می توانند چندین سال محیط را تحمل کنند اما هنگامی که تلفیق رطوبت و گرما را داشته باشیم زمان عملکرد پلی یورتان به مقدار زیادی کاهش می یابد. محیط های شیمیایی خاص وجود دارند که برای پلی یورتان ها مناسب نیستند، اسید ها و بازهای قوی، حلال های آروماتیک و بعضی از استرها برای پلی یورتان ها زیان آور هستند.

شرایط انتخاب یک الاستومر برای کاربرد موردنظر

خواص پلی یورتان الاستومرها توسط طبیعت شیمیایی مواد اولیه و همچنین روش تهیه پلی یورتان کنترل می شوند. یکی از اجزای سیستم پلی یورتان پیش پلیمر مختوم به ایزو سیانات می باشد. پیش پلیمرهای تجاری قابل دسترس بر پایه تولوئن دی ایزوسیانات (TDI) و 4و4 دی فنیل متان دی ایزوسیانات (MDI) هستند. این دی ایزو سیانات ها خواص متفاوتی را به پیش پلیمر می دهند و به سیستم های فرایندی متفاوت نیاز دارند. دی ایزوسیانات های دیگری نیز مانند انواع آلیفاتیک دی ایزو سیانات ها، پارافنیلن دی ایزو سیانات ها و نفتالین دی ایزوسیانات ها در صنعت ریخته گری پلی یورتان ها استفاده شده اند.

واکنشگر دیگری که در تهیه پیش پلیمر به کار می رود، پلی ال می باشد. دو نوع عمده پلی ال ها عبارتند از پلی ال های اتری و استری که پلی تترا متیلن اتر گلیکول (PTMEG) و پلی پروپیلن گلیکول (PPG) و پلی ال استری بر پایه آدیپیک اسید نمونه هایی از این مواد هستند.

دومین بخش سیستم یورتان عامل پخت است. یک الاستومر قابل ریخته گری از واکنش شیمیایی دو ترکیب پیش پلیمر و عامل پخت به دست می آید. همانند پیش پلیمرها انواع عامل های پخت استفاده شده می توانند بر روی خواص فیزیکی مکانیکی محصول نهایی اثر بگذارند. معمولی ترین عامل پخت دی آمینی استفاده شده 4 و 4 متیلن بیس(2 – کلرو آنیلین ( MOCA)) می باشد که غالبا با سیستم TDI استفاده می شود.

 

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان

پلی یورتان (PU)

پلی یورتان ها که گاهی به اختصار یورتان هم نامیده می شوند، مجموعه نسبتا جدیدی از پلیمرهای بسیار مهم اند که طی سی سال گذشته مصرف آن ها در تهیه اسفنج ها، الیاف مصنوعی، روکش ها، رنگ ها، چسب ها و الاستومرها به سرعت افزایش یافته است. گروه های یورتانی از واکنش شیمیایی گرماده میان یک گروه عاملی هیدروکسیلی (الکلی) و یک گروه عاملی ایزوسیاناتی به وجود می آیند. باید توجه داشت که گروه های مشخصه دیگری مانند استر، آمید، بیوره و آلوفانات نیز در ساختمان پلیمری آن ها وجود دارند.

از اولین لاستیک های پلی یورتان، ولکالان بوده که نوعی از الاستومرهای قابل ریخته گری پلی یورتان است و در آلمان ساخته شد. ولکالان ها از اولین لاستیک های پلی یورتان بوده و از ترکیب دی ایزوسیانات های مختلف و پلی استر به دست می آیند. این مواد علاوه بر داشتن خواص الاستومری، به دلیل نشان دادن خواص فیزیکی ویژه و عالی از جمله مقاومت در مقابل پارگی و سایش، قدرت کششی بالا و مقاومت خوب در مقابل روغن ها، مصارف صنعتی فراوانی پیدا کرده اند. زمینه های دیگر کاربردی پلی یورتان ها در تهیه اسفنج ها، روکش ها، پلاستیک ها، چسب ها، مواد درزگیر و الیاف است که خواص آن ها بستگی به نوع مواد اولیه مورد مصرف، درجه پیوند عرضی و روش ساخت آن ها دارد.

شیمی الاستومرهای پلی یورتان

یکی از محصولات بدست آمده از پلی یورتان ها، مواد الاستومری آن ها می باشد. الاستومرها معمولا سیستم های کوپلیمری هستند که در زنجیر پلیمری آن ها قسمت های سخت Hard segment  و قسمت های نرم Soft segment  متناوبا قرار دارند. قسمت های نرم به ساختار پلی استر و یا پلی اتر به کار رفته مربوط می شود و قسمت های سخت اوره و یا یورتان به دست آمده از واکنش بین دی ایزو سیانات و دی آمین و یا دی ال را شامل می شود. بنابراین مواد اولیه ای که در تشکیل الاستومرهای پلی یورتان مصرف می شوند عبارتند از: دی ایزوسیانات ها، پلی ال ها و زنجیر گستراننده های دی ال و دی آمین.

سنتز پلی یورتان ها

در سنتز پلی یورتان ها، برای کنترل سنتز و خواص فیزیکی محصول نهایی بدست آمده، نسبت استوکیومتری مواد شرکت کننده در واکنش (نسبت مولی)، بسیار مهم است. با انتخاب نسبت مولی معینی از NCO و OH، نوع ساختار پلیمر نهایی را می توان تعیین کرد. روش هایی که در سنتز پلی یورتان ها مورد استفاده قرار می گیرند، عبارتند از: الف) روش پیش پلیمری ب) روش نیمه پیش پلیمری ج) روش یک مرحله ای

روش پیش پلیمری:

از آنجا که روش پیش پلیمری هنوز هم از مهم ترین و متداول ترین روش های تهیه پلی یورتان هاست، بنابراین اغلب روش های تهیه الاستومرهای جامد پلی یورتان بر تکنیک فوق استوار است. پیش پلیمر از واکنش یک پلی ال بلند زنجیر ( پلی اتر یا پلی استر) با مقادیر اضافی از ایزوسیانات ( بیش از حد استوکیومتری) به دست می آید. بنابراین پیش پلیمر بدست آمده با داشتن وزن مولکولی متوسط، دارای عامل ایزوسیانات (NCO) در قسمت های انتهایی زنجیر نیز هست. در اثر واکنش این پیش پلیمر با یک دی ال و یا دی آمین با وزن مولکولی کم، که به عنوان زنجیر افزاینده مصرف می شود، پلیمر نهایی بدست می آید.

روش نیمه پیش پلیمری:

این روش نیز گاهی در تهیه پلی یورتان ها مورد استفاده قرار می گیرند. بدین صورت که تنها بخشی از پلی ال مورد نیاز بر اساس محاسبه استوکیومتری را با تمام ایزوسیانات لازم جهت واکنش مخلوط کرده و هم می زنیم تا واکنش پلیمر شدن انجام شود. سپس این پلیمر را که یک پیش پلیمر است و در قسمت های انتهایی زنجیر پلیمری خود گروه های NCO- آزاد دارد با مخلوط پلی ال باقی مانده و زنجیر افزاینده مخلوط می کنیم و هم می زنیم تا پلیمر نهایی به دست آید.

روش یک مرحله ای:

اساس این روش در سنتز پلی یورتان ها این است که مواد شرکت کننده در واکنش به طور یکجا و همزمان با یکدیگر مخلوط می شوند. در عمل، ابتدا پلی ال و زنجیر افزاینده را با هم مخلوط و تحت خلاء خشک می کنیم. سپس ایزوسیانات را به آن افزوده و هم می زنیم تا پلیمر نهایی به دست آید. نظر به اینکه در این روش هیچ نوع کنترلی بر روی واکنش های انجام شده وجود ندارد، پلی یورتان بدست آمده ساختاری درهم و نامنظم دارد. به دلایل اقتصادی، بعضا از این روش در تولید ترموپلاستیک های یورتان استفاده می شود. بدین صورت که کلیه مواد اولیه مورد نیاز در سنتز پلی یورتان یک جا با هم مخلوط و به داخل قالب تزریق می شوند. این روش معمولا در تولید اسفنج ها بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.

 

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان

بازیافت لاستیک

در بازیافت انواع ضایعات مواد پلیمری گرمانرم، ابتدا مواد ضایعاتی جمع آوری می شوند. سپس، انواع مختلف این مواد را از هم جدا می کنند تا پس از زدودن انواع آلودگی ها فراوری مجدد شوند. از آنجا که این مواد ساختار شبکه ای دارند، قابلیت ذوب شدن و فرایند پذیری مجدد را ندارند. ضایعات مواد گرماسخت شامل پلی استرهای اشباع نشده، پلی یورتان ها، لاستیک های طبیعی و مصنوعی و اپوکسی ها هستند که در میان آن ها لاستیک های ولکانیده شده بیش ترین بخش را تشکیل داده اند.

برای استفاده مجدد از ضایعات لاستیکی سه روش وجود دارد:

–        پودر کردن ضایعات لاستیکی و استفاده از آن در آسفالت، محصولات لاستیکی و کامپوزیت های پلاستیکی – لاستیکی

–        تجزیه گرمایی ضایعات لاستیکی و استفاده از مواد تولید شده در اثر آن

–        واولکانش ضایعات لاستیکی و استفاده از آنها در محصولات لاستیکی یا پلاستیکی.

سه روش برخورد با ضایعات مواد لاستیکی  دفن کردن، سوزاندن و بازیافت  می باشد. راحت ترین راه دفع ضایعات لاستیکی، دفن کردن آن هاست. تا سال 1997 تقریبا 70 درصد لاستیک های دور ریخته شده دفن می شدند که بیشتر آن لاستیک ها را تایرها تشکیل می دادند. با کاهش محل های ویژه دفن و افزایش چشمگیر قیمت مواد اولیه تولید لاستیک ها، این روش دیگر مقرون به صرفه نبود. از طرفی، سازمان های حفاظت از محیط زیست نیز دفن ضایعات لاستیکی را مناسب نمی دانند. زیرا مواد ضایعاتی دفن شده به مرور زمان به سطح زمین می آیند و محلی برای تخم گذاری پشه ها می شوند. مواد افزودنی و کوچک مولکول مصرف شده در آمیزه لاستیک، با مهاجرت به سطح لاستیک وارد محیط زیست می شوند و موجب ازبین رفتن باکتری های مفید خاک می شوند.

آمار نشان می دهد در سال 1996، 800 میلیون حلقه تایر ضایعاتی در نقاط مختلف این کشور انباشته شده است. سالانه حدود 270 میلیون حلقه تایر و 160 هزار تن زائدات و ضایعات نیز از تولید دیگر محصولات لاستیکی دور ریخته می شود و تنها %9 آن دفن شده است که نشانگر کاهش حجم دفن ضایعات لاستیکی در سال های اخیر است.

 

استفاده از لاستیک های ضایعاتی به عنوان منبع سوخت

بیش از 90% تایرها را، که بیش ترین حجم را در ضایعات لاستیک دارند، موادآلی تشکیل می دهد. بنابراین،  تایرها دارای ارزش گرمایی MJ/kg 32.6  هستند. به بیان دیگر، ارزش گرمایی تایرها 20 تا 75 درصد بیشتر از ارزش گرمایی ذغال سنگ (MJ/kg 18.6-27.9 ) است. آمارهای موجود نشان می دهد، در سال 1997، حدود 64% تایرهای دور ریخته شده در آمریکا، به عنوان سوخت در صنایع سیمان سازی، کاغذ سازی و نیروگاه ها استفاده شده اند.که این مقدار در سال 2000  به 61 % کاهش یافته است. به دلیل ارزش گرمایی بسیار زیاد تایرهای ضایعاتی، صنایع مصرف کننده سوخت های فسیلی تمایل فراوانی به استفاده از آنها به عنوان منبع سوخت دارند. اما از آنجا که اغلب محصولات لاستیکی با گوگرد پخت شده اند و دارای مواد پایدارکننده هستند، سوزاندن آن ها به آزاد شدن اکسیدهای گوگودی و نیتروژنی و آلوده کردن هوا منجر می شود. ایراد دیگر این روش، پر هزینه بودن مرحله خرد کردن ضایعات به شکل چیپس و کاهش اندازه آن ها برای سوزاندن است.

بازیافت ضایعات مواد لاستیکی

از مطلوب ترین کاربردهای ضایعات لاستیکی، بازیافت آنهاست. بازیافت ضایعات لاستیکی افزون بر از بین بردن مشکلات زیست محیطی ناشی از دفن و  سوزاندن، به حفظ منابع ارزشمند نفتی و گازی نیز کمک می کند. از سال 1910 تاکنون، تلاش های زیادی برای بازیافت ضایعات لاستیکی انجام شده است که Goodyear آغازگر این فعالیت ها بود. او پس از انجام ولکانش لاستیک با گوگرد، تلاش های خود را برای بازیافت ضایعات لاستیک شروع کرد. و چون نزدیک 70 درصد لاستیک های سنتزی و طبیعی در صنعت تایر به کار می روند، بیشتر پژوهش های انجام شده در راستای بازیافت مواد لاستیکی به بازیافت تایر مربوط است. در تایرهای ضایعاتی انواع مختلف لاستیک مانند لاستیک طبیعی، استیرن-بوتادی ان، اتیلن-پروپیلن- دی ان مونومر، پلی بوتا دی ان، بوتیل و لاستیک های هالوژن دار وجود دارند.

1-   پودر کردن لاستیک و کاهش اندازه ذرات

اولین مرحله در تولید لاستیک بازیافتی، خرد کردن لاستیک ضایعاتی است. کاهش اندازه ذرات موجب افزایش سطح شده و واکنش ها درطول فرایند بازیافت کامل تر انجام می شوند. همچنین لاستیک پودر شده را می توان در آمیزه و محصولات پلاستیکی به کار برد. سه روش خرد کردن و کاهش اندازه ذرات لاستیک وجود دارد که شامل خرد کردن در دمای محیط، خرد کردن در محیط خیس و خرد کردن در محیط سرد است.

خرد کردن در دمای محیط:

این روش همان آسیاب کردن مکانیکی ضایعات لاستیک است. بدین معنی که ضایعات لاستیک با استفاده از تجهیزاتی مثل غلتک خردکننده یا خردکن اره ای به ذرات ریزی با اندازه دانه بندی 40-10 مش تبدیل می شوند. معمولا phr 5-20 از این ذرات در تایر و دیگر قطعات لاستیکی استفاده می شوند. استفاده از ذرات درشت ضایعات خرد شده در محصولات لاستیکی، سطح محصول را زبر می کند. اگرچه این فرایند را خرد کردن ذرات لاستیک در دمای محیط نامیده اند اما گرمازا بودن فرایند گاهی به تخریب در زنجیر اصلی پلیمر منجر می شود.

خرد کردن در محیط خیس

در این روش، لاستیک خرد شده ( با اندازه دانه بندی 20-10 مش) در محیط مایع ( به طور معمول آب) قرار می گیرد و با کمک دو چرخ خردکن، خرد می شود. با این شیوه ذراتی در محدوده اندازه 500-400 مش تولید می شود. استفاده از این ذرات در آمیزه های لاستیکی به جای ذرات درشت تر باعث بهبود فرایند پذیری می شود.

خرد کردن در محیط سرد

در اواسط دهه 1960 روش خرد کردن لاستیک های ضایعاتی در محیط سرد با استفاده از نیتروژن مایع گسترش یافت. در این فرایند، قطعات کوچکی از لاستیک ضایعاتی با ابعاد کمتر از cm  7 در نیتروژن مایع قرار داده شده و به سرعت منجمد می شوند.   این قطعات، در آسیاب ضربه ای یا پین دار به پودری نرم، با اندازه ذرات 100-30 مش تبدیل می شوند. از پودر بدست آمده می توان به مقدارphr 5-10 در آمیزه های لاستیکی استفاده کرد، زیرا سطح محصول در اثر استفاده از ذرات بزرگتر، کمی زبر می شود.

در آمریکا ، روش خرد کردن در دمای محیط با استقبال بیشتری مواجه شده است زیرا هزینه آن نسبت به هزینه روش محیط سرد کمتر بوده و انعطاف پذیری در اندازه ذرات محصول نیز بیشتر است. روش محیط سرد، به سبب راحت تر جداشدن الیاف و سیم های فولادی از ذرات، پودر تمیز تری ایجاد می کند.اما هزینه زیاد نیتروژن مایع و خشک کردن ذرات ، دلیل کم کاربرد بودن این روش است.

2 – پیرولیز ضایعات لاستیک

در این فرایند ضایعات لاستیک در برابر گرمای زیاد قرار می گیرند و محصولاتی مانند دوده، روغن، مولکول های آلیفاتیک و آروماتیک، کربن مونوکسید، کربن دی اکسید، هیدروژن و مقادیر جزئی از مواد دیگر به دست می آید. نسبت محصولات بدست آمده، به دمای پیرولیز بستگی دارد. دوده محصول اصلی در دمای کمتر از  C°400 است. در حالی که در دماهای بیشتر، محصولات غالب مایعات، روغن و گازها هستند.

محصولات پیرولیز ضایعات لاستیک به طور معمول شامل 20-5 % گازهای هیدروکربنی سبک، 50-20 % روغن های هیدروکربنی و مایعات آروماتیکی و 50-30% دوده است . پژوهش های زیادی روی شرایط فرایند انجام شد تا دوده بدست آمده از قابلیت استفاده در آمیزه سازی لاستیک برخوردار شود. Roy مشاهده کرد، برای دستیابی به بیشترین مساحت سطح دوده، لازم است دما درC 500° ثابت و فشار در کمینه مقدار باشد.

3-   روش های واولکانش

فرایند واولکانش را به سه روش فیزیکی، شیمیایی و فیزیکی- شیمیایی روی ضایعات لاستیک می توان انجام داد. در اثر فرایند واولکانش، شبکه های سه بعدی نامحلول و ذوب نشدنی لاستیک به ساختار دوبعدی محلول، فرایندپذیر، پلاستیکی، نرم، چسبنده، دارای قابلیت پخت مجدد و با مدول کمتر تبدیل می شوند که بسیاری از خواص لاستیک خام را نیز دارند. در روش واولکانش شیمیایی، مخلوطی از لایه های نازک لاستیک، در حلالی آروماتیک و محیط بازی و در مجاورت کاتالیزور بازروان می شود. این مخلوط به مدت h2 به طور پیوسته با همزن پارویی در دمای بازروانی( کمتر ازC 100° ) هم زده می شود. در مرحله بعد، لاستیک از مخلوط جدا شده شسته و خشک می شود. مقدار واولکانش را می توان با کمک اندازه گیری درصد وزنی ژل ( جزء نامحلول لاستیک) وتعیین چگالی پیوندهای عرضی ( تعداد مول بخش های متصل شده موجود در شبکه لاستیک در واحد حجم)، تعیین کرد. یا در گونه ای دیگر از این روش، ذرات لاستیک برای چند ساعت در دما و فشار محیط در برابر آهن کلرید و فنیل هیدرازین قرار داده می شوند تا پیوندهای عرضی گوگردی به وسیله این عوامل شیمیایی شکسته شوند.

در بازیافت ضایعات لاستیکی اغلب از عوامل شیمیایی برای واولکانش کمک گرفته می شود. این ترکیبات معمولا  دی سولفیدهای آلی، مرکاپتان ها و گاهی ترکیبات غیر آلی و سایر ترکیبات متفرقه آلی هستند. این عوامل شیمیایی به شکل انتخابی باعث شکسته شدن پیوندهای گوگرد- کربن و گوگرد -گوگرد می شوند اما پیوند کربن – کربن را نمی شکنند.

4-   روش های فیزیکی بازیافت ضایعات لاستیک

در روش فیزیکی برای بازیافت ضایعات لاستیک، ساختار شبکه ای پلیمر، که تنها ماهیت فیزیکی دارد، با اعمال انرژی خارجی شکسته می شود. محصول این عمل را دوباره می توان با لاستیک خام مخلوط کرد و به عنوان پرکننده غیر تقویت کننده استفاده کرد. اما در اثر اعمال مقدار خاصی از انرژی به شبکه لاستیک، شکسته شدن پیوندهای عرضی و ایجاد پلیمری گرمانرم امکان پذیر است که خواص آن از بسیاری جهات به لاستیک خام اولیه شباهت دارد. این روش های فیزیکی بازیافت به چهار دسته 1- روش مکانیکی 2- روش گرمایی 3- روش فراصوت و 4- روش مکانیکی – گرمایی  تقسیم می شوند.

روش مکانیکی:

در این روش، ذرات لاستیک در غلتک باز قرار داده شده و فرایند غلتک زنی در دماهای حدود 100 انجام می شود. به دلیل اعمال تنش های برشی به وسیله غلتک، زنجیرها می شکنند و وزن مولکولی افت پیدا می کند. این فرایند گاهی در مجاورت عوامل واولکانش اتفاق می افتد، در این حالت نام فرایند از روش مکانیکی به روش مکانیکی -شیمیایی تغییر می یابد.

روش گرمایی:

در این روش بدون استفاده از عوامل واولکانش و تنها با اعمال گرما، در اثر تابش ریزموج ها به ذرات لاستیک ضایعاتی، فرایند بازیافت انجام می شود. انرژی ریزموج با بسامد و شدت کنترل پذیر و مناسب برای شکستن پیوندهای S-S و C-S استفاده می شود. پژوهشگران ادعا می کنند در این روش برخلاف سایر روش های بازیافت، زنجیر اصلی پلیمر تخریب نمی شود و تنها پیوندهای عرضی شکسته می شود. بنابراین، لاستیک بازیافتی از این روش به لاستیک خام اولیه شباهت زیادی دارد. در نتیجه، با آمیزه سازی و پخت مجدد آن می توان خواص مطلوبی بدست آورد.

روش فراصوت:

برای بازیافت ضایعات لاستیک با این روش، لاستیک جامد در بستری مایع و سپس در برابر منبع انرژی تامین کننده ارتعاشات فراصوت قرار داده می شود. ارتعاشات به پیوندهای عرضی تنش های کششی و فشاری وارد می کنند و در اثر آن، توده لاستیک از هم گسسته شده و در بستر مایع حل می شود. شدت توان این فرایند بیش از 100W و بسامد ارتعاشات  حدود kHz20 است.

روش مکانیکی – گرمایی:

این روش که در آن هم زمان، انرژی مکانیکی و گرمایی به شبکه لاستیک اعمال می شود معمولا در اکسترودر انجام پذیر است.  

5-   روش های فیزیکی – شیمیایی بازیافت ضایعات لاستیک

این روش ها عبارتند از :1) روش های شیمیایی – مکانیکی،2) شیمیایی- گرمایی و3) شیمیایی، مکانیکی- گرمایی

روش شیمیایی- مکانیکی:

در این روش ها ابتدا ذرات لاستیک در مجاورت عوامل واولکانش قرار می گیرند. سپس به آنها انرژی مکانیکی اعمال می شود. در روش دیگری، ذرات تایرهای ضایعاتی به مدت h24 در مخلوطی از حلال های هیدروکربن آروماتیکی، نفتی و پارافینی متورم می شود. سپس این ذرات از دای اکسترودری با قطر mm2 و زیر فشار bar20-60 عبور می کنند. در نتیجه خمیر لاستیکی بدست می آید که می توان حدود  phr40-60 از آن را در آمیزه ایزوپرن استفاده کرد.

روش شیمیایی – گرمایی:

روش های شیمیایی – گرمایی از اولین تلاش های پژوهشگران برای بازیافت محصولات لاستیک پخت شده با گوگرد، پس از اختراع آن توسط Goodyear بود. یکی از این فرایندها گرم کردن ضایعات در تابه نام داشت. این فرایند، برخلاف نام آن، در اتوکلاو بخار در فشارpsi  100-300  انجام پذیر بود. در این فرایند لاستیک خرد شده با عوامل واولکانش مانند محلول %20 آمونیوم پرسولفات مخلوط شده و همراه روغن های نرم کننده در تابه ای با عمق حدودcm  15 قرار داده می شد. مواد، پس از مدتی قرار گرفتن در محیط اتوکلاو و در مجاورت بخار، از ظرف  خارج شده و روی غلتک و به همراه روغن های آروماتیک با دمای جوش زیاد، به ورق تبدیل می شوند تا دوباره استفاده شوند. در روشی دیگر، که مشابه روش گفته شده بوده، اتوکلاو دارای پوشش گرمایی بود. در این روش که فرایند هضم کننده نامیده می شود، قطعات ریز لاستیک به مدت چند ساعت در محلول سود سوزآور قرار داده می شدند. این مواد در فشار بخار psi200 و دمای حدودc و° 200 واولکانیده می شدند. از آنجا که در این فرایند ذرات لاستیک کمتر در مجاورت اکسیژن هوا قرار می گرفت تخریب اکسایشی زنجیر اصلی کمتر اتفاق می افتاد. پس از اتمام فرایند، ذرات لاستیک با آب شست و شو داده و خشک شده و در نهایت در غلتک به ورق تبدیل می شدند. این فرایند برای لاستیک طبیعی مناسب بود اما در بازیافت لاستیک سنتزی خوب عمل نمی کرد. برای بازیافت لاستیک های سنتزی به جای محلول قلیایی از محلول کلرید فلزات استفاده می شد.

در فرایند گرم کردن با تابه، تنها موادی بازیافت می شدند که هیچ گونه الیافی در آن وجود نداشت. اما در فرایند هضم کننده، الیاف و رشته های داخل تایر در محلول حل می شدند.

روش های شیمیایی – مکانیکی – گرمایی

در این روش به طور همزمان، از عوامل شیمیایی، انرژی مکانیکی و انرژی گرمایی، به منظور واولکانش ضایعات لاستیک استفاده می شود.

6-   بازیافت پیوسته ضایعات لاستیک با استفاده از اکسترودر

در این روش با استفاده از اکسترودر دو پیچی در چند دقیقه با افزودن لاستیک ضایعاتی خرد شده به اکسترودر در شرایط خاص عملیاتی لاستیک واولکانیده شده و مشابه آمیزه خام از دستگاه خارج می شود. بزرگ ترین مزیت این روش، پیوسته بودن و سرعت عمل زیاد آن است. Mouri و همکاران از اکسترودر دوپیچی به منظور واولکانش ضایعات EPDM دور پنجره خودرو استفاده کردند. EPDM ضایعاتی مدنظر با کمک گوگرد پخت شد که نتیجه آن، دستیابی به استحکام کششیMPa 10.2 و افزایش طول در نقطه شکست %410 بود.

در این فرایند خرده های لاستیک با سرعت kg/h20 به وسیله قیف اصلی به داخل اکسترودر تغذیه می شوند. ابتدای پیچ، خرده های لاستیک ( با اندازه های حدود mm5 ) در ناحیه خرد سازی در اثر گرما و اعمال نیروی برشی از طرف پیچ به ذرات ریزتری تبدیل می شوند. ذرات وارد ناحیه واولکانش می شوند. وجود اجزای برگشتی یا چپ گرد در مارپیچ در ناحیه واولکانش باعث می شود ذرات لاستیک در آن ناحیه تجمع یابند و زیر فشار زیادی قرار گیرند. با افزایش فشار در ناحیه واولکانش و اعمال گرما و تنش های برشی از طریق چرخش قطعات خمیر ساز با شکل های مخصوص، واولکانش در لاستیک اتفاق می افتد. در نهایت، لاستیک بازیافتی مانند آمیزه ای خام اما با استحکام بیشتر، از سر دای به شکل رشته خارج می شود. این رشته پس از خنک شدن در حمام آب، برش داده شده و به گرانول تبدیل می شود. Mouri و همکاران با انجام این آزمایش ها ثابت کردند، لاستیک بازیافتی از این روش را می توان مانند آمیزه خام در انواع روش های شکل دهی استفاده کرد.

سازوکار واولکانش در بازیافت:

واولکانش، ترکیبی از واپلیمر شدن، اکسایش و شکست پیوندهای عرضی است که به طور حتم در فرایند بازیافت اتفاق می افتد. آنچه در واولکانش مطلوب به شمار می آید، شکسته شدن تمام پیوندهای عرضی شبکه لاستیکی بدون ایجاد تخریب در زنجیر اصلی است. در این حالت می توان گفت، عمل واولکانش به طور کامل انجام شده است.

 

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان

پلیمر و ورزش!!!

🔹لباس‌های پلیمری اغلب به عنوان پوشاک اسپرت یا ورزشی شناخته می‌شوند. در تولید لباس‌های پلیمری از انواع مختلف پلیمرها استفاده می‌شود که هر یک از این پلیمرها ویژگی‌ها و مصارف خاص خود را دارند. برخی از پلیمرهای مورد استفاده در لباس‌های پلیمری عبارتند از:

🔹پلی‌استر (Polyester): پلی‌استر یکی از رایج‌ترین پلیمرهای استفاده شده در لباس‌های پلیمری است. این پلیمر مقاومت خوبی در برابر پارگی و سایش دارد و از جمله ویژگی‌های آن می‌توان به دارا بودن تنفس پذیری و خشک شدن سریع اشاره کرد.

🔹نایلون (Nylon): نایلون یک پلیمر مصنوعی است که مجموعه‌ای از پلی‌امیدها را شامل می‌شود. این پلیمر مقاوم در برابر حرارت و رطوبت است و عمدتاً در تولید لباس‌های تنیس و پوشاک ورزشی استفاده می‌شود.

🔹پلی‌اتیلن (Polyethylene): پلی‌اتیلن یکی از رایج‌ترین پلیمرها است که در تولید لباس‌های پلیمری استفاده می‌شود. این پلیمر به دلیل خواص عایق آب و جذب آب کم، در تولید لباس‌های بارانی و لباس‌های شنا استفاده می‌شود.

🔹الیاف نساجی مداکرلیک (Modacrylic fibers): الیاف مداکرلیک پلیمری هستند که مقاومت در برابر حرارت بالا و سایر خواص مثل مقاومت در برابر آتش و استحکام مکانیکی بالا را دارا می‌باشند. این الیاف اغلب در تولید لباس‌های مقاوم در برابر حرارت و لباس‌های حفاظتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

به علاوه، پلی‌اورتان، لایکرا، پلی وینیل کلراید (PVC) و رابر (Rubber) نیز از دیگر پلیمرهای استفاده شده در برخی از لباس‌های پلیمری هستند. هرکدام از این پلیمرها ویژگی‌ها و مزایای خاص خود را دارند و به نوع فعالیت و نیاز کاربر بستگی دارد که کدام پلیمر برای تولید لباس‌های پلیمری مناسب است. ویژگی‌هایی که لباس‌های پلیمری دارند عبارتند از:

🔸سبک و راحت: لباس‌های پلیمری به دلیل کمی‌ بودن وزن و استفاده از مواد خنک کننده، سبک و راحت بر روی بدن قرار می‌گیرند که در فعالیت‌های ورزشی بسیار مناسب هستند.

🔸جذب رطوبت: این لباس‌ها از موادی تشکیل شده‌اند که رطوبت را از بدن جذب کرده و به سرعت خشک می‌شوند. این خاصیت باعث می‌شود بدن در طول فعالیت‌های ورزشی خنک و خشک بماند.

🔸ایجاد تنفس پذیری: لباس‌های پلیمری دارای تکنولوژی‌هایی هستند که اجازه می‌دهند به پوست هوا رسانده شود و بدون مشکل تعریق را از بدن بیرون ببرد.

🔸مقاوم در برابر رطوبت: این لباس‌ها تا حدودی ضد آب بوده و قابلیت جذب آب را به حداقل می‌رسانند.

🔸مقاوم در برابر پارگی و سایش: به دلیل استفاده از مواد پلیمری، این لباس‌ها مقاومت بیشتری در برابر پارگی و سایش دارند.

با توجه به این ویژگی‌ها، لباس‌های پلیمری برای فعالیت‌های ورزشی مانند دویدن، تمرینات بدنسازی، یوگا و ورزش های آبی بسیار مناسب هستند.

 

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان

آزمون تنش- کرنش در پلیمرها

مقدمه

آزمون های تنش- کرنش نسبت به سایر آزمون های مکانیکی به طور بسیار گسترده ای استفاده می شوند. به دلیل طبیعت ویسکوالاستیک پلیمرها و حساسیت های آن ها به بسیاری از عوامل، آزمون های تنش- کرنش در بهترین حالت فقط یک راهنمای تقریبی برای اینکه یک پلیمر در شکل نهایی خود چگونه رفتار می کند، می باشد. آزمون های تنش- کرنش نه تنها مدول به عنوان مشخصه استحکام ماده را می دهند بلکه چقرمگی آن را نیز اندازه می گیرند. مفهوم چقرمگی با روش های مختلفی بیان می شود که یکی از آ نها محاسبه سطح زیر منحنی تنش- کرنش است. بنابراین چقرمگی نمایان گر انرژی است که مواد می توانند قبل از شکسته شدن جذب کنند. پس چقرمگی و استحکام ضربه به نوعی به هم مربوط هستند. مواد شکننده دارای چقرمگی کمی هستند در حالی که پلیمرهای انعطاف پذیر که به صورت سرد کشیده شده اند خیلی چقرمه هستند. دلیل این امر این است که برای شکسته شدن آن ها احتیاج به مقدار زیادی تغییر طول می باشد.

تئوری های تسلیم و کشش سرد

تسلیم و کشش سرد پدیده های بسیار مهمی هستند، زیرا همه پلیمرهای چقرمه و آن هایی که استحکام ضربه ای بالایی دارند این پدیده ها را نشان می دهند. تسلیم به یک نقطه بر روی منحنی تنش – کرنش اشاره می کند. نقطه تسلیم در منحنی تنش- کرنش، خودش را به صورت یک بیشینه متمایز یا یک منطقه با انحنای شدید که به سمت شیب صفر حرکت می کنند، نشان می دهد. کشش سرد خود را با باریک شدگی پلیمر در حین کشش نشان می دهد. باریک شدگی از یک نقطه مشخص در نمونه شروع شده و سطح مقطع آن نسبت به جزء باقی مانده نمونه در حالی که نیرو تقریبا در طی کشش ثابت می ماند، بسیار کمتر می شود.کشش سرد بعد از نقطه تسلیم این معنی را می دهد که باید یک فرایند سخت شدن کرنش انجام شود وگرنه ماده بدون کشش در یک سطح مقطع که در حال کوچک شدن است در جایی که باریک شدگی اتفاق می افتد، پاره می شود. سخت شدگی در هنگام اعمال کرنش، نتیجه آرایش یافتگی مولکول هاست که استحکام کششی و مدول را افزایش می دهد. با این وجود، سخت شدن کرنش در پلیمرهای بلورین ممکن است تا حدی نتیجه باز بلورینگی توسط کرنش القایی باشد. طول بخش باریک شده با ادامه کشش تا زمانی که همه نمونه کشیده شوند افزایش می یابد. با این وجود، کشش سرد در یک منطقه مشخص در یک افزایش طول بحرانی متوقف می شود که به عنوان نسبت کشش طبیعی،d λ  شناخته می گردد. نسبت کشش تابعی از دما، آرایش یافتگی مولکول ها و سایر متغیرهاست.

نسبت کشش طبیعی، یعنی نسبت طول منطقه کشش سرد به طول ماده قبل از کشش، ممکن است با دما افزایش یا کاهش یابد ولی این نسبت با وزن مولکولی و سرعت آزمون افزایش می یابد.

پترلین معتقد است که کشش سرد پلیمرهای بلورین انعطاف پذیر شامل سه مرحله است:

1-    تغییر شکل پلاستیک گویچه ها با چرخش خوشه های صفحات نازک بلور، چرخش بلورها و لغزش زنجیرها

2-    تغییر شکل ناپیوسته ساختارهای  گویچه ها به ساختار لیفی شکل به وسیله باریک شدگی بسیار ریز

3-    تغییر شکل پلاستیک ساختارهای لیفی با لغزش زنجیرها و شکست آن ها. 

رفتار تنش- کرنش، استحکام ضربه و پارگی همگی با شکست مرتبط می باشند. شکست یک پدیده بسیار پیچیده بوده که وابسته به ساختار مولکولی و شیمیایی نیست ولی به نواقص، مناطق ضعیف، حفره ها و ترک های ریز در مواد و تنش های دو و سه محوره متاثر از آنها وابسته است. بعضی از عوامل موثر در شکست پلیمرها شامل تشکیل حفره  های بسیار ریز، ترک خوردگی، شکست زنجیر و تولید رادیکال آزاد و کشش سرد است که در آن لغزش زنجیرها و آرایش یافتگی مولکول ها وجود دارد. بعضی از این عوامل در گسیختگی هایی که به صورت شکننده عمل می کنند نسبت به شکست هایی که به صورت انعطاف پذیر هستند، مهم تر می باشند. ابزاری که در مطالعه عوامل این فرایندهای شکست مهم است شامل موارد زیر می باشد:

1-    تفرق اشعه X در زوایای کم برای اندازه گیری تشکیل حفره ها و ترک های ریز

2-    اندازه گیری رزونانس چرخش الکترون(ERS)، به منظورمطالعه تعداد و انواع رادیکال های آزاد تشکیل شده در طی شکست زنجیر های پلیمر.

3-    روش های میکروسکوپی، شامل نوری، الکترونی و میکروسکوپ الکترونی پوششی برای دیدن ترک های ریز، شیارها و سطوح شکست همچنین برای تعیین مورفولوژی پلیمرهای بلورین و دوفازی.

در آزمون تنش- کرنش، عواملی که مدول، تنش تسلیم و استحکام کششی را افزایش می دهند، به طور کلی ازدیاد طول تا پارگی و انعطاف پذیری را کاهش می دهند. برای پلیمرهای انعطاف پذیر یا نسبتا چقرمه، استحکام تسلیم می تواند با سرعت آزمون، افزایش درجه بلورینگی یا کاهش دما افزایش یابد.

به طور کلی استحکام ضربه و چقرمگی با رفتار تسلیم همراه با ازدیاد طول تا پارگی و سطح بزرگ زیر منحنی تنش – کرنش همراه است . با این وجود، یک پلیمر که دارای نقطه تسلیم در سرعت آزمون پایین است ممکن است رفتاری شکننده در سرعت های بالا داشته باشد. همچنین بسیاری از پلیمرها که تحت شرایط معمول آزمون، رفتار انعطاف پذیری از خود نشان می دهند، ممکن است اگر نمونه دارای شکاف یا ترک باشد، شکننده گردند.

آرایش یافتگی مولکولی می تواند اثر زیادی بر روی رفتار تنش- کرنش و ضربه بگذارد. موازی جهت آرایش یافتگی مولکول ها، پلیمر خیلی محکم بوده ولی در جهت عمود بر آرایش یافتگی خیلی ضعیف می باشد. متاسفانه در بیشتر شرایط استفاده، رفتار یک شی به وسیله کمترین استحکام تعیین می شود. یعنی ، به وسیله خواص در جهت عمود بر آرایش یافتگی تک محوره. با این وجود، بسیاری از خواص نامطلوب آرایش یافتگی تک محوره را می توان با آرایش یافتگی دو محوره ماده از بین برد.

پلیمرهای شکننده به وسیله افزودن فاز دوم لاستیکی می توانند به مواد چقرمه و ضربه پذیر تبدیل شوند. تئوری های موجود تنها تا حدی توسعه یافته اند که قادر به تشریح مسایل برای شرایط تجربی لازم و برای تولید یک ماده با استحکام ضربه بالا در مقیاس ماکروسکوپیک باشند.

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان

بسته‌بندی مواد غذایی

🔹پلاستیک‌هایی که در بسته‌بندی غذایی استفاده می‌شوند، تحت عنوان پلاستیک‌های غذایی معروف هستند. این پلاستیک‌ها از کیفیت بالا برخوردار بوده و می‌توانند برای بسته‌بندی غذایی در نظام غذایی انسان استفاده شوند. این پلاستیک‌ها عموماً از موادی مانند پلی‌اتیلن (PE)، پلی‌اتیلن ترفتالات (PET)، پلی‌پروپیلن (PP)، پلی‌کربنات (PC) ساخته شده‌اند.

🔸پلی‌اتیلن پلاستیکی با ساختار آمورفی است که به دلیل مقاومت بالا، شفافیت و همچنین عدم اثرات سمی برای سلامتی، برای بسته‌بندی غذایی معمولاً استفاده می‌شود. پلاستیک‌های پلی‌اتیلن ترفتالات برای بسته‌بندی نوشابه‌ها و آب معدنی بسیار معروف هستند که عموماً در قالب شیشه‌های بسته‌بندی شده استفاده می‌شوند. پلاستیک پلی‌پروپیلن نیز برای بسته‌بندی مواردی مانند کنسروها، ارگانیک‌ها، نان، معجون، شیره و … مورد استفاده قرار می‌گیرد. کیفیت پلاستیک‌های پلی‌کربنات بسیار بالاست و از این رو برای بسته‌بندی محصولاتی مانند انواع مغزها و شکلات‌ها استفاده می‌شود.

🔹همچنین پلاستیک‌های مناسب برای استفاده در بسته‌بندی غذایی می‌بایست دارای خواص ویژگی‌هایی مانند مقاومت به حرارت، شفافیت مناسب، عدم جذب رطوبت، ضدعفونی کنندگی و عدم گذشت اکسیژن باشند.

🔸در کنار مزایای استفاده از پلاستیک‌های غذایی، مصرف آن‌ها با مشکلاتی نیز همراه است. شاید مهم‌ترین مشکلات مصرف پلاستیک‌های غذایی، عوارض زیست محیطی در نظام زیستی، سلامت انسان، حیوانات و طبیعت باشد. به همین دلیل، تلاش‌های برای محدود کردن مصرف پلاستیک‌های غذایی و یا جایگزینی آن‌ها با روش‌های بسته‌بندی در مقیاس کوچکتر و مواد درجه یک دیگر، در حال انجام است.

 

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان

بازیافت شیمیایی پلاستیک‌ها و بازیافت انرژی

بازیافت شیمیایی

بازیافت شیمیایی فرایندی است که پلیمر را به مونومرهای اولیه تبدیل می کند. در این فرایند زنجیرها شکسته شده و گاز، مونومر، الیگومر و اجزای دیگر تولید می شوند. نحوه شکستن پلیمرها با هم متفاوت است. انجام این نوع بازیافت برای موادی که با استفاده از پلیمر شدن تراکمی تهیه شده اند( مانند پلی استر، پلی آمید، پلی کربنات و پلی یورتان) آسان تر است. البته برای موادی که از روش پلیمر شدن افزایشی تهیه شده اند( مانند استایرن ها و آکریلات ها ) نیز با شرایطی دشوار تر انجام پذیر است.

هنگام ترکیب مونومرهای اولیه برای تولید پلیمر، اگر آب، کربن دی اکسید یا مواد دیگری خارج شود پلیمر شدن تراکمی اتفاق افتاده است. پلی اتیلن ترفتالات ( بطری های PET)، اسفنج های صندلی که از جنس پلی یورتان هستند، ظرف های بزرگ روی آب سردکن ها و روکش روی استخر ها و گلخانه ها که از پلی کربنات ساخته شده اند از نمونه های ساخته شده به روش پلیمر شدن تراکمی هستند. موادی مانند ظروف یک بار مصرف پلی استایرنی، به دلیل وجود پیوند دوگانه در مونومر آن ها با روش پلیمر شدن افزایشی تهیه می شوند.

در بازیافت شیمیایی پلیمرهای تراکمی، پیوند مولکول ها به شکلی است که به وسیله گرما و فشار در مجاورت کاتالیزور شکسته می شود. فناوری شکست این پلیمرها آبکافت، گلیکول کافت، متانول کافت و آمین کافت است. محصولات تولید شده از این واکنش های شیمیایی، مونومر ها یا الیگومرهایی با درجه خلوص زیاد هستند که قابلیت باز پلیمر دارند.

پدیده واپلیمرشدن افزون بر پلیمرهای بدست آمده از روش پلیمر شدن تراکمی در پلیمرهای تهیه شده از روش افزایشی مانند استایرن ها نیز به نحو بسیار عالی و با دقت زیاد انجام پذیر است. البته در این حالت، به کار بردن کاتالیزور و کنترل شرایط واکنش لازم است. هنگام جداشدن مونومرها از زنجیر پلیمری، مخلوطی از ترکیبات با وزن مولکولی کوچک تا متوسط تولید می شود. در این حالت، تهیه محصولی با وزن مولکولی مشخص، دشوار و غیر اقتصادی است. صاحبان صنایع ترجیح می دهند این مخلوط را به عنوان سوخت در فرایند تهیه بنزین استفاده کنند.

بازیافت شیمیایی در پلیمرهای ترموست، مانند پلی یورتان ها، روشی مناسب اما هزینه بر محسوب می شود. در حقیقت، وجود اتصال عرضی در این ترکیبات موجب شده است نسبت به حمله شیمیایی مقاومت نشان دهند. بنابراین افزون بر بازیافت شیمیایی، تجزیه گرمایی یا سوزاندن این مواد نیز پیشنهاد می شود که از نظر اقتصادی هزینه کمتری لازم دارد و موفق تر است.

افزایش وزن مولکولی یا اصلاح شیمیایی به جای شکست شیمیایی، روش دیگری است که در بازیافت شیمیایی پلاستیک ها کمتر به کار گرفته می شود. این فرایند به کنترل واکنش ها نیاز دارد و در اکسترودر با پلیمرهای مذاب انجام پذیر است. از پلاستیک هایی که با این روش افزایش وزن مولکولی مناسبی به دست می آورند، پلی اتیلن ترفتالات است.

مزایا و معایب بازیافت شیمیایی پلیمرها

در پلیمرهایی که از پلیمر شدن تراکمی بدست آمده اند و احتمال پاره شدن زنجیر پلیمری در آن ها وجود دارد بازیافت شیمیایی بیشتر در خور توجه است.

مزایای بازیافت شیمیایی پلیمرها به شرح زیر است:

  • نیاز کمتر به جداسازی مواد ضایعاتی وجود دارد. در حقیقت، گاهی پسماندهای کثیف که بازیافت مکانیکی آن ها امکان پذیر نیست را می توان به این روش بازیافت کرد.
  • این روش برای مخلوط پسماندهای پلاستیک نیز می تواند به کار رود تا از یک یا چند پلاستیک مختلف در پسماند محصولات با ارزش تولید شود.
  • بازیافت شیمیایی موجب احیای مونومرها تا دستیابی به درجه ای از خلوص می شود که حتی برای تولید مجدد پلیمرهای دارای کاربرد در صنایع غذایی استفاده شوند.
  • محصولات بازیافتی دوباره وارد چرخه تولید می شوند و قابلیت رقابت با مواد نو را دارند.
  • روش بازیافت شیمیایی می تواند برای پلیمرهای گرماسخت نیز ارزشمند باشد.
  • از جنبه اقتصادی، ارزش محصولات تولید شده از بازیافت شیمیایی نسبت به پدیده احتراق بیشتر است.
  • محصولات تولید شده از بازیافت شیمیایی می توانند بدون خالص سازی بیشتر استفاده شوند. این موضوع از نظر اقتصادی، از مزیت های مهم این روش محسوب می شود.

 

معایب بازیافت شیمیایی پلیمرها:

  • در بازیافت شیمیایی نسبت به بازیافت مکانیکی ماهیت مولکول از بین می رود.
  • تخریب مولکولی زنجیرها به اعمال شرایط شدید اسیدی، بازی و دمایی نیاز دارد. بدین معنی که طراحی ویژه شیمیایی و واحد عملیاتی لازم است تا مونومرهایی با درجه پلیمرشدن مدنظر ایجاد کند. این فرایند هزینه بر و گران است.
  • تصفیه و بازیافت آب، حلال و واکنشگرها به واکنش شیمیایی نیاز دارد. با این روش، محصولات فرعی نیز بدست می آیند که حذف می شوند.
  • به منظور کاهش هزینه ها و اقتصادی بودن واحد شیمیایی، لازم است حجم زیادی ضایعات پلاستیک را به شکل پیوسته وارد کارخانه کرد.
  • مونومرها و الیگومرهای مفید تنها از مقدار محدودی از پلیمرها به دست می آیند. تنها انجام واکنش های انتخابی به تولید محصولات انتخابی منجر می شود.
  • بازیافت شیمیایی برای پلیمرهای کم مصرف و دارای کاربرد خاص، مانند پلی تترا فلوئورواتیلن(PTFE) و رزین های استال، از نظر اقتصادی به صرفه نیست.

 

بازیافت انرژی:

در سال های  1980-1970 به دلیل افزایش قیمت نفت، تصمیم به جایگزینی این سوخت با منابع جدید انرژی گرفته شد. در این میان، زباله های شهری به عنوان منبعی بالقوه شناسایی شدند. حجم زیادی از زباله ها را اجزای سوختنی تشکیل می دهد که قابلیت استفاده برای تولید انرژی گرمایی را دارند. از سوی دیگر، درصد درخور توجهی از اجزای سوختنی در زباله های جامد شهری، زیست تخریب پذیر است و می تواند با تبدیل به سوخت های گازی، انرژی گرمایی تولید کند.

زباله در فرایند بازیافت انرژی، به عنوان سوخت سوزانده می شود. انرژی تولید شده از سوزاندن واحد وزن سوخت بازده انرژی نامیده می شود. باید توجه داشت، بازده انرژی بدست آمده از سوختن محصولات پلیمری نسبت به سوخت های فسیلی متداول، بیشتر است. تایرها نوعی از این محصولات پلیمری هستند که به فراوانی به عنوان سوخت استفاده می شوند. ارزش گرمایی تایرها mJ/kg 28.5-35 است. ارزش گرمایی پلاستیک های بازیافت ناپذیر mJ/kg 29.5-40 و چوب mJ/kg 15-17 است. امروزه در بسیاری از کشورهای صنعتی، این مواد را به عنوان سوخت های متمم همراه با سایر سوخت ها استفاده می کنند. اصلی ترین کاربرد این مواد در صنایع سیمان (کوره های سیمان پزی) و صنایع نیرو است.

تایرهای فرسوده به سختی بازیافت می شوند و بازمصارف اندکی ( مانند کف پوش های لاستیکی ) دارند. بنابراین بیش از نیمی از این تایرها برای تولید انرژی، سوزانده می شوند. سوزاندن تایرهای مستعمل تنها موجب بازگرداندن %25 انرژی مصرف شده در تولید آن ها می شود. اما بسیاری از افراد به دلیل دشواری بازیافت، به ناچار سوزاندن تایرهای مستعمل را به عنوان تنها گزینه بازگرداندن بخشی از انرژی برگزیده اند.

 

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان