عوامل موثر در قابلیت پلیمرشدن ماده

نخستین سوالی که هنگام تولید پلیمرهای جدید مطرح می‌شود، این است که یک ماده باید چه ویژگی‌هایی داشته باشد تا بتواند به عنوان مونومر، پلیمر شود؟ چهار ویژگی که مونومر باید داشته باشد، به این صورت است: باید حداقل دوعاملی باشد، باید به اندازه کافی فعال باشد، بایدکاملاً خالص باشد و باید از لحاظ ترمودینامیکی قابلیت پلیمر‌شدن را داشته باشد.

عاملیت مونومر

عاملیت مونومر برابر است با تعداد پیوندهای شیمیایی که آن مولکول، در شرایط حاکم بر واکنش، می‌تواند با سایر مولکول‌ها ایجاد کند. اتیل الکل و استیک اسید هر دو به دلیل اینکه فقط یک مرتبه می‌توانند با هم وارد واکنش شوند، تک‌عاملی هستند. اتیل استات را که محصول این واکنش استری‌شدن است، می‌توان به عنوان دیمر در نظر گرفت. بدیهی است، برای پلیمرشدن و حداقل تشکیل زنجیرهای خطی پلیمری، عاملیت 2 یا بیشتر برای مونومرها، نیاز است. از این‌رو، پلی‌استری شدن فقط از واکنش میان یک دی‌ال و یک دی‌اسید امکان‌پذیر است.

دی‌ال‌ها، دی‌کربوکسیلیک اسیدها و انیدریدهای حلقوی آن‌ها، هیدروکسی اسیدها و لاکتون‌های حلقوی آن‌ها، دی‌آمین‌ها، آمینواسیدها و لاکتام‌های حلقوی آن‌ها و دی‌ایزوسیانات‌ها نیز همگی مونومرهای دوعاملی هستند. ضمن اینکه ترکیبات حاوی پیوندهای دوگانه فعال یا حلقه‌های فعال نیز می‌توانند رفتاری مشابه مونومرهای دوعاملی داشته باشند.

از جمله مونومرهای سه‌عاملی می‌توان گلیسرول با سه گروه OH و فنول با دو موقعیت ارتو و یک موقعیت پارای فعال را نام برد. دی‌آن‌هایی نظیر ایزوپرن و بوتادی‌ان نیز مونومرهای چهارعاملی هستند که در عمل و برای تولید پلیمرهای خطی، فقط دو عاملیت آن‌ها مصرف می‌شود. پیوندهای دوگانه باقی‌مانده می‌توانند در واکنش‌های شبکه‌ای شدن شرکت کنند و یک شبکه پلیمری تشکیل دهند. به طور کلی، عاملیت یک مونومر به شرایط پلیمرشدن وابسته است. به عنوان مثال، در رزین‌های فنول-فرمالدهید، فنول به عنوان مونومر سه عاملی عمل می‌کند، در حالی‌که در واکنش پلی‌استری شدن به عنوان یک گروه انتهایی تک‌عاملی عمل می‌کند.

واکنش‌پذیری مونومرها

مونومرهایی با سرعت پلیمرشدن کم، مونومرهای مطلوبی نیستند، زیرا در چنین حالتی برای دستیابی به درجه‌های پلیمرشدن زیاد به زمان‌های طولانی غیرقابل قبول نیاز است که چنین واکنش‌هایی همواره با احتمال وقوع واکنش‌های جانبی بیشتر مواجه هستند. اغلب برای سرعت بخشیدن به فرایند رشد زنجیر از کاتالیزورها و گاهی برای تسریع واکنش‌ها از افزایش دما نیز استفاده می‌شود. اگر در اثر گرمادهی، سرعت واکنش‌های جانبی نظیر شکست گرمایی زنجیر، بیش از رشد زنجیر افزایش یابد، استفاده از این روش برای تسریع واکنش‌ها مناسب نیست. در چنین واکنش‌هایی انرژی فعالسازی مربوط به این واکنش‌ها جانبی است. استفاده از روش افزایش دما در چنین واکنش‌هایی با وجود تولید سریع‌تر محصول سبب کاهش درجه پلیمرشدن متوسط می‌شود.

از دلایل دیگر کاهش واکنش‌پذیری مونومرها و بنابراین افزایش زمان پلیمرشدن، ممانعت فضایی در اطراف گروه‌های عاملی است. برخی مواقع برای تولید پلیمرهای پایدار جدید، از استخلاف‌های حجیم برای محافظت نقاط ضعیف زنجیر استفاده می‌شود. اما از آن‌جا که وجود گروه‌های حجیم در مونومر مانع از پلیمرشدن آن می‌شود، استفاده از چنین روشی سبب افزایش بیش از حد زمان انجام این واکنش‌ها می‌شود.

خلوص مونومرها

وجود ناخالصی‌های تک‌عاملی می‌تواند سبب توقف نابه‌هنگام رشد زنجیر پلیمر شود. برای مثال، وجود مقداری اتیل‌الکل در واکنش پلی‌استری‌شدن میان اتیلن‌گلیکول و آدپیک‌اسید سبب توقف رشد زنجیر می‌شود. امروزه می‌توان چنین مشکلی را با استفاده از مونومرهای بسیار خالص در مقیاس صنعتی حل کرد. اما، مشکل دیگری که به‌ویژه برای تولید کوپلیمرهای متناوب از پلیمرشدن تراکمی با آن مواجه هستیم، احتمال نبود مقادیر کاملاً استوکیومتری از مونومرهای مورد نیاز در محیط واکنش است. وجود چنین مشکلی می‌تواند به همان اندازه عدم خلوص مونومرها مخرب باشد.

 

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان

 

فرآورش پلیمرها

هدف از فراورش پلیمرها، تبدیل پلیمر، آمیزه پلیمری یا پیش‌پلیمر به محصولاتی با شکل دلخواه است. برخی مسائل عمومی در فراورش پلیمرها به شرح زیر است:

–        تقریباً 90 درصد از پلیمرهایی که ساخته می‌شوند، گرمانرم هستند و فقط 10 درصد وزنی از پلیمرها را رزین‌های گرماسخت تشکیل می‌دهند.

–        پس از شکل‌دهی به پلیمر در حالت مایع، پایدارسازی آن می‌تواند با سردکردن تا دماهای کمتر از Tg برای پلیمرهای گرمانرم یا Tm برای پلیمرهای با قابلیت بلوری شدن و شبکه‌ای کردن شیمیایی برای پلیمرهای گرماسخت یا لاستیک‌های ولکانش‌یافته انجام شود.

–        گرانروی مذاب پلیمرهای گرمانرم بسیار زیاد و در حدود 106-105  برابر بزرگ‌تر از گرانروی مایعاتی با وزن مولکولی کم است.

–        مذاب‌های پلیمری نظیر مایعات غیرنیوتنی رفتار می‌کنند که در آن‌ها با افزایش سرعت جریان، گرانروی کاهش می‌یابد. این اثر برای پلیمرهایی با توزیع وزن مولی پهن‌تر شدیدتر است و سبب می‌شود که بتوان مذاب را با استفاده از فشارهای کمتری پمپ کرد یا به عبارتی بتوان از دستگاه‌های ارزان‌تری استفاده کرد.

–        به دلیل گرانروی زیاد، اصطکاک درونی در مذاب سبب تولید مقدار زیادی گرما و در نتیجه کاهش مقدار گرمای خارجی مورد نیاز برای ذوب پلیمر می‌شود.

–        اغلب مذاب‌های پلیمری رسانایی گرمایی کمی در حدود 3- 10 برابر رسانایی گرمایی فلزات نشان می‌دهند. در طول فراورش و هنگامی که زمآن‌های سردکردن و گرم‌کردن بررسی می‌شوند، باید به این نکته توجه داشت.

–        هنگام جریان‌یافتن پلیمرها، زنجیرها در مسیر جریان جهت‌گیری می‌کنند و در اثر سردکردن سریع ممکن است، در همان حالت باقی بمانند. بنابراین، قطعه‌های ساخته‌شده از آن‌ها کم و بیش ساختاری ناهمسانگرد خواهند داشت که می‌تواند منجر به تغییرشکل‌های ناخواسته هنگام استفاده بلندمدت از آن‌ها شود.

–        فراورش پلیمرها می‌تواند به روش پیوسته یا ناپیوسته انجام شود. از آنجا که رزین‌های گرماسخت در اثر شبکه‌ای شدن جامد می‌شوند، فراورش آن‌ها به روش پیوسته مشکل است. فراورش پلیمرها نه فقط در حالت مذاب و با اکستروژن، قالب‌گیری و ریسندگی الیاف امکان‌پذیر است، بلکه در حالت لاستیکی و با استفاده از ورقه‌سازی با غلتک، شکل‌دهی در خلأ و در حالت شیشه‌ای با نیروی مکانیکی مانند چرخش نیز ممکن است.

–        روش جدید، فراورش پیش‌پلیمرهای اولیگومری فعال است که گرانروی مذاب و دمای جریان Tg کمی دارند. در طول شکل‌دهی و برای دستیابی به طول زنجیر دلخواه یا درجه شبکه‌ای شدن در واکنشگرهای چند عاملی نیاز به انجام چند واکنش جزئی دیگر وجود دارد. مثالی معروف در این زمینه قالب‌گیری تزریقی واکنشی است.

افزودنی‌ها

پیش از فراورش پلیمرها یا آمیزه‌های پلیمری، باید آن‌ها را با افزودنی‌هایی مخلوط کرد که فراورش پلیمرها را ساده‌تر می‌کنند یا خواص قطعه ساخته شده را بهبود می‌بخشند. این مخلوط ترکیب یا آمیزه نام دارد و در حالت مذاب و با استفاده از ماشین‌های ویژه آمیزه‌سازی نظیر آسیاب دوغلتکی، مخلوط‌کن بنبوری یا اکسترودر پیوسته ساخته می‌شود. از افزودنی‌های مهم می‌توان به این موارد اشاره کرد:

1-    نرم‌کننده‌ها برای کم‌کردن Tg  محصول استفاده می‌شوند. مانند دی‌اکتیل فتالات (DOP) در PVC .

2-    پرکننده‌ها برای کاهش قیمت (مانند کلسیم کربنات، تالک و …) یا بهبود خواص مکانیکی استفاده می‌شوند. مانند الیاف تقویت‌کننده در کامپوزیت‌ها یا دوده در لاستیک.

3-    پایدارکننده‌ها که برای جلوگیری از تخریب گرمایی یا شیمیایی پلیمرها استفاده می‌شوند، نظیر فنول‌های دارای ممانعت فضایی به عنوان ضد‌اکسنده، ضد ‌ازن‌ها که لاستیک‌ها را از مورد حمله قرار گرفتن به‌وسیله ازن حفاظت می‌کنند، کتون‌های آروماتیک یا دوده به‌عنوان پایدارکننده در برابر UV و برخی نمک‌های فلزات سنگین برای خنثی‌کردن HCl تولید شده در طول تخریب گرمایی PVC.

4-    روانسازها مانند کلسیم استئارات یا استئاریک‌اسید که کاملاً در مذاب پلیمری حل نمی‌شوند و پوششی لغزنده روی آن ایجاد می‌کنند که از چسبیدن مذاب پلیمری به دستگاه فراورش جلوگیری می‌کند.

5-    عوامل کف‌زا که در مذاب پلیمری گاز ایجاد می‌کنند و آن را به اسفنج تبدیل می‌کنند. گاز می‌تواند هم با تبخیر ساده تشکیل شود (فرئون یا پنتان و هپتان که کم‌خطرتر هستند) و نیز از واکنش شیمیایی مثلاً واکنش آب با ایزوسیانات اضافی در پلی‌یورتان‌ها .

6-    رنگدانه‌ها که برای رنگ‌بخشیدن به قطعه‌های پلیمری استفاده می‌شوند و مرحله رنگ‌‌آمیزی نهایی قطعه را حذف می‌کنند. اغلب از دوده به عنوان پرکننده، پایدارکننده و رنگدانه استفاده می‌شود.

7-     عوامل ضد بار ساکن که برای حذف بار ساکن ایجاد شده روی فیلم‌ها یا الیاف پلیمری که در اثر اصطکاک میان سطوح عایقی که دارای ثابت دی‌الکتریک کم هستند، ایجاد شده است، به کار می‌روند.

8-    عوامل پخت که به‌منظور شبکه‌ای کردن شیمیایی زنجیرهای پلیمری برای دستیابی به شبکه‌ای با خواص بهبودیافته استفاده می‌شوند، مانند دی‌کیومیل پراکسید که به پلی‌اتیلن اضافه می‌شود، گوگرد که برای ولکانش لاستیک و استایرن که در پلی‌استرهای اشباع نشده استفاده می‌شود.

9-    عوامل هسته‌زا که برای تقویت سرعت کلی بلوری‌شدن هنگام سردکردن مذاب تشکیل شده و برای کاهش اندازه بلورچه‌هایی که از هر هسته تشکیل می‌‌شود، به‌کار می‌روند.

10-      بازدارنده‌های شعله که برای کاهش اشتعال‌پذیری استفاده می‌شوند، مانند آلومینیم‌هیدروکسیدها که عملکرد آن‌ها با تشکیل بخار‌آب و مصرف گرما هنگام تخریب آن‌هاست.

 

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان

 

 

آشنایی با پلیمرهای آلی- فلزی

 

پلیمرهای آلی عموماً از کمتر از ده عنصر (C ، H،N ،O، S، هالیدها) ساخته می‌شوند، اما در مورد پلیمرهای آلی فلزی بیش از 40 عنصر دیگر شرکت دارند. این پلیمرها فلزات گروه اصلی مانند سیلیسیم و ژرمنیم یا فلزات واسطه یا عناصر خاکی نادر را در بر می‌گیرند و از نظر ساختار و خواص و کاربرد بسیار متنوع هستند که در این مقاله چندین مثال ارائه می‌شود.

رنگ‌دهنده‌ها و رنگ‌های پلیمری

پلیمرهای تراکمی آلی فلزی به عنوان رنگ و رنگدانه مصرف دارند که از مشخصه‌های آن‌ها چکه‌کردن، شکفتن یا پوسته‌پوسته‌شدن است.

مجزاسازی مواضع در پلیمر برای انتقال آسان اکسیژن از یک غشا

کاربرد جالب دیگر پلیمرهای آلی فلزی بر اساس مفهوم جداسازی مواضع در پلیمرهایی است که به صورت غشا فرایند انتقال نیتروژن یا اکسیژن را آسان می‌کنند. سیکلوپنتادی‌انیل تری کربونیل منگنز در اثر تابش‌دهی با نور UV، مونوکسید کربن از دست می‌دهد. بدین‌ترتیب کمپلکسی ایجاد می‌شود که از نظر کوئوردیناسیون سیرنشده است و می‌تواند به‌طور برگشت‌پذیر به نیتروژن متصل شود. این ترکیب سیرنشده ناپایدار است و به‌سرعت در اثر واکنش با خود در محلول تجزیه می‌شود. اما  با ساخته‌شدن کوپلیمر اکتیل متاکریلات کمپلکس 1-وینیل-3-متیل منگنز و تابش دیدن آن، کمپلکس سیرنشده (از نظر کوئوردیناسیون) حاصل پایدار است، زیرا مواضع از هم جدا می‌شوند و نمی‌توانند واکنش دهند.

اتصال اکسیژن و انتقال آن از یک غشا

انتقال اکسیژن توجه زیادی را به خود جلب کرده است. کمپلکس‌های پرفیرین کبالت به طور انتخابی در یک وجه ممانعت شده‌اند، در نتیجه بازهای ایمیدازول‌ها تنها از وجه باز متصل می‌شوند. این کمپلکس کوئوردینانس شده با ایمیدازول، یک موضع کوئوردینانسی خالی در بالا دارد. مولکول کوچک خطی اکسیژن می‌تواند از “نرده” عبور کند و به طور برگشت‌پذیر از طرف بالا با کبالت کوئوردینانس دهد. با پاشیدن این کمپلکس‌ها در فیلم‌ها غشاهایی را می‌توان ساخت که انتقال اکسیژن را آسان می‌سازد. گفتنی است این دستاورد ره‌یافتی به سوی ساختن خون مصنوعی است.

پلیمرهای کومه‌ای

این ترکیبات انبوهه‌هایی شامل زنجیرهای فلزی‌اند یا اینکه درآن‌ها اتم‌های فلز به طور یک در میان با اکسیژن وجود دارد. کمپلکس‌های کومه‌ای تتراسیانوپلاتینات از این نظر جالبند که در آن‌ها همپوشانی اوربیتال فلز-فلز پیوسته در طول محور کومه وجود دارد. در انبوهه شامل این واحدهای مسطح مربع Pt(CN)4 آنیون در فضای بین انبوهه‌ها قرار دارد. گروه‌های سیانو نسبت به یون‌هایی که به اتم‌های Pt همسایه کوئوردینانس دارند، کج‌اند، این کمپلکس‌ها رسانای تک‌بعدی‌اند.

پلیمرهای کومه‌ای فتالوسیانین

پلیمرهای فتالوسیانین انبوهه‌ای است که دارای پل اکسیژن در بین اتم‌های فلزی است. آبگیری از کمپلکس‌های Si  وGe و قلع الگوهای انبوهه‌ای با پل اکسیژن تولید می‌کند که خواص مغناطیسی، نوری و الکتریکی این فلزات مولکولی تابع ظریفی از معماری کمپلکس و برهم‌کنش ساختاری الکترونی آنها است.

پلیمری که پرشدن نوار رسانش در آن قابل تنظیم است

پلیمر فتالوسیانین [Si(PC)O]n که در آن PC فتالوسیانین است به‌طور طبیعی در ساختار ارتورومبیک متبلور می‌شود. گفتنی است برای رسانا شدن ساختار زنجیری خنثی، اکسید‌شدن آن ضروری است. این عمل به طریق شیمیایی انجام می‌پذیرد و تنظیم جزئی رسانایی یا اکسایش امکان پذیر است. حین اکسایش یون‌های مخالف باید در ساختاری تنگ‌ چین وارد شوند که موجب تغییر ساختار از ارتورمبیک به ساختار بسیار بازتر چهارگوشه‌ای می‌شود. در ساختار چهارگوشه‌ای یون‌های مخالف به‌آسانی در فضاهای خالی بین زنجیرها توزیع می‌شوند. حال اثر کاهش (دوپه‌زدایی) یا اکسایش (دوپه‌شدن) را می‌توان به طور مداوم با نسبت یون مخالف (BF4– ) به Si بین 0.5-0 تنظیم کرد. نکته جالب این است که با کاهش ساختار انبوهه‌ای کاتیون رادیکال چهارگوشه‌ای ساختار خنثی ایجاد می‌شود. اما، شکل هندسی چهارگوشه‌ای باز همچنان حفظ می‌شود.

فیلم‌های نازک با بی‌تقارنی شیمیایی

فیلم‌های نازک پلی‌آمیدهای پروفیرین فلز از راه پلیمر‌شدن بین سطحی مشتقات تتراکیس کلرید با مشتقات تتراکیس آمینو کمپلکس‌های پرفیرین فلز تهیه می‌شوند. فیلم‌ها ضخامتی برابرµ 0.01-10 دارند و بی‌تقارنی شیمیایی بی‌نظیری نشان می‌دهند. سطوح مخالف، غلظت‌های متفاوتی از گروه‌های عاملی دارند و وقتی بین الکترودهای نیم‌شفاف یکسان قرار می‌گیرند و با نور لیزر ضربه‌ای تابش می‌بینند، در فیلم‌ها نورپتانسیل جهت‌دار ایجاد می‌شود. جهت‌دار بودن پدیده نور شیمیایی نتیجه انتقال الکترون به سمت سطح اسیدی فیلم بی‌تقارن است.

شبکه‌های آلی-معدنی

شبکه‌های آلی- معدنی که از فرایند سل-ژل تهیه می‌شوند، موادی چند عاملی‌اند. این مواد محدوده وسیعی از خواص جالب را ارائه می‌دهند. با این فرایند امکان تنظیم درجه نفوذ اجزای آلی و معدنی درهم از محدوده میکرونی تا مقیاس نانو فراهم و روشی آسان برای سنتز نانوکامپوزیت‌های نوین حاصل می‌شود.

فرایندهای سل-ژل بر اساس واکنش‎‌های پلیمرشدن معدنی، راهی برای ساختن مواد پاشیده با رشد پلیمرهای آکسوفلزی در یک حلال است. پلیمرهای اکسوفلزات را می‌توان از راه هیدرولیز و تراکم پیش‌ماده‌های مولکولی مانند آلکوکسیدهای فلزی M(OR)2 به‌دست آورد. از کاربردهای مهم هیبریدهای آلی-معدنی استفاده از آن‌ها به عنوان پوشش‌های محافظ فلزات در برابر خوردگی، هوازدگی و عوامل محیطی است.

پوشش‌های هیبرید سل-ژل/رزین اپوکسی نمونه‌ای از این کاربردهاست که استحکام مکانیکی عالی از جمله سختی و مقاومت در برابر سایش علاوه بر چسبندگی خوب به سطح فلزات را داراست.

به طور خلاصه می‌توان نتیجه‌گیری کرد که پلیمرهای معدنی با تنوع زیاد کاربردهای بالقوه فراوانی دارند. این کاربردها شامل زمینه‌های گسترده زیست‌شناختی، الکتریکی، تجزیه‌ای، کاتالیزوری، ساختمان و کاربردهای نوری است. استحکام پیوند در بسیاری از ترکیبات بیشتر از پلیمرهای آلی کربن پایه است که نتیجه آن محصولاتی با استحکام زیاد و پایداری گرمایی عالی است. تعداد و تنوع پلیمرهای آلی فلزی زیاد و کاربردهای آن‌ها متنوع است. شبکه‌های هیبرید آلی-معدنی زمینه جدیدی از علوم مواد را ارائه می‌دهد که امکان تهیه موادی نوظهور با دامنه متنوع از خواص را فراهم می‌سازد.

 

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان

 

مرور کلی بر پدیده‌ی نفوذ در پلیمر

یکی از مسائل مهم در زمینه انتخاب پلیمر برای کاربردی ویژه، مسئله نفوذپذیری گازها و بخارها از میان مواد پلیمری است. دو سازوکار اساسی برای نفوذ عمقی گازها در جامدات وجود دارد: نفوذپذیری فازی و نفوذپذیری نفوذی.

نفوذپذیری فازی عبارت از عبور گاز یا بخار از میان بعضی از مجراهای باز است که در جسم جامد وجود دارد. به عنوان مثال، عبور گاز از راه سامانه تخلخل باز. در این حالت گازها یا بخارهایی که عبور می‌کنند، حالت فازی خود را حفظ می‌کنند. مواد نساجی، کاغذ و سرامیک‌ها بیشترین نفوذپذیری را در برابر گازها دارند و سازوکار اساسی همان نفوذپذیری فازی است.

نفوذپذیری نفوذی عبارت از جذب گاز یا بخار از یک سمت پلیمر، نفوذ اتم‌ها یا مولکول‌های جذب‌شده از میان یک پلیمر و سپس خارج‌شدن آن‌ها از سمت دیگر نمونه پلیمری است.

نفوذ فرایندی شامل تحرک اتفاقی ذرات و اختلاف غلظت در سامانه است. ضریب نفوذ، معیاری از مقدار انتقال ماده حل‌شده در بازه زمانی مشخص و تحت تاثیر نیرو محرکه معین است. این نیرو محرکه اساساً اختلاف غلظتی است که ناشی از نیروهای خارجی مانند گریز از مرکز یا گرانش ایجاد می‌شود. دو نوع نفوذ انتقالی و چرخشی وجود دارد. نفوذپذیری سرعت انتقال جرم مولکول‌های نفوذ‌کننده درون پلیمر را توصیف می‌کند. انتقال نفوذکننده در پلیمرها به وسیله مدل نفوذ در محلول بیان می‌شود. طبق این مدل، نفوذ از درون ورقه‌ای مسطح یا فیلم در سه مرحله رخ می‌دهد:

مولکول‌ها به‌ درون سمت بالادستی فیلم (سمت دارای فشار جزئی یا فعالیت ترمودینامیک زیاد) نفوذ کرده، سپس از درون فیلم عبور می‌کند و در نهایت از سمت پایین‌دستی (سمت دارای فشار کمتر) خارج می‌شوند. مرحله محدود‌کننده سرعت در این فرایند نفوذ درون فیلم است. برای نفوذ‌پذیری نفوذی، دو فرایند جذب و پخش مهم‌تر هستند.

نفوذپذیری پلیمر به نوع گاز و پلیمر بستگی دارد. نوع گاز اصولاً بر مقدار ضریب جذب اثر می‌گذارد، در حالی‌که نوع پلیمر بر مقدار ضریب نفوذ پلیمر موثر است. نفوذ پذیری پلیمر در برابر گاز شبیه سایر خواص آن‌ها به وسیله عوامل زیر معین می‌شود:

– انعطاف‌‌پذیری زنجیر

– برهم‌کنش بین مولکولی

– حالت فازی و حالت تجمع پلیمر

– چگالی فشرده زنجیرها

– مقدار پیوندهای عرضی

ضریب نفوذپذیری نفوذی (p) معمولاً از حاصل‌ضرب ضریب نفوذ (D)  در ضریب جذب (δ) به دست می‌آید. ضریب جذب (δ) یا ضریب تناسب عبارت از سانتی‌متر مکعب گاز جذب‌شده در هر سانتی‌متر مکعب پلیمر در فشار جزئی یک اتمسفر و در دمای معین است.

P=D.δ

  انعطاف‌پذیری زنجیر پلیمر و برهم‌کنش بین زنجیر اثر زیادی بر نفوذپذیری دارد. انعطاف‌پذیری سینتیکی زنجیر پلیمر و وجود بر هم‌کنش بین پلیمر و ماده نفوذکننده سبب می‌شود که مقادیر D و P زیاد باشند. با کاهش دما، پلیمر از حالت کشسان به حالت شیشه‌ای تبدیل می‌شود که این تغییر رفتار به وسیله تحرک‎‌پذیری نسبتاً کم واحدهای آن مشخص می‌شود. بنابراین، تحرک‌پذیری کم و برهم‌کنش بین زنجیری قوی‌تر باعث می‌شود تا نفوذپذیری گاز در پلیمری که برای آن T<Tg است، کمتر از پلیمری باشد که T> Tg است.

به هر حال باید توجه داشت، پلیمرهایی که در دمای محیط در حالت شیشه‌ای هستند و حتی پلیمرهایی که Tg تقریباً یکسانی دارند، مثل پلی استایرن و پلی‌وینیل کلراید، نفوذپذیری متفاوتی دارند. به نظر می‌رسد، اختلاف در نفوذپذیری این پلیمرها در نتیجه اختلاف چگالی فشردگی زنجیرهای آنهاست که برای پلی‌استایرن کمتر از پلی‌وینیل‌کلراید است.

چگالی فشردگی درشت‌مولکول بر عبورپذیری گاز اثر می‌گذارد، به‌طوری که هر چه فشردگی مولکولی کمتر باشد، عبورپذیری گاز در آن بیشتر است. به عنوان مثال، وجود شاخه‌های جانبی در زنجیر اصلی سبب زیادشدن عبورپذیری گاز می‌شود.

پلی‌دی‌متیل سیلوکسان در میان تمام پلیمرها حالت ویژه‌ای دارد. چون ضرایب عبورپذیری و نفوذ تمام گازها در آن چند مرتبه بیشتر از لاستیک طبیعی است که دلایل آن به صورت زیر است:

– انعطاف‌پذیری زیاد زنجیر که در اثر سد پتانسیل کوچک چرخشی به دور پیوند Si-O است.

– برهم کنش بین مولکولی ضعیف

– فشردگی اندک اتم‌ها در یک زنجیر که به وسیله چگالی نسبتاً کم ارگانوسیلوکسان‌ها مشخص می‌شود که در نتیجه وجود اتم‌های سنگین سیلیسیم در ساختار مولکول‌های آنهاست.

عبورپذیری گازها در پلیمرها با افزایش تعداد پیوندهای عرضی کاهش می‌یابد. این موضوع درباره عبور گازها و بخارهایی به‌کار می‌رود که به‌طور نسبتاً ضعیفی با پلیمر برهم‌کنش برقرار می‌کند، یعنی گازها و بخارهایی که ضریب جذب آن‌ها نسبتاً کوچک است. وقتی که بخارها با پلیمرها برهم‌کنش زیادی برقرار می‌کنند، عبورپذیری آن‌ها اصولاً به وسیله مقدار ضریب جذب معین می‌شود و هر چه مقدار δ بزرگ‌تر باشد، عبورپذیری گاز بیشتر می‌شود. برای مثال، سلولز در بخار آب متورم می‌شود، بنابراین عبورپذیری آب در آن خیلی بیشتر از عبورپذیری آب در لاستیک طبیعی است، چرا که لاستیک طبیعی در بخار آب متورم نمی‌شود.

حجم آزاد:

وابستگی خواص انتقالی نفوذکننده به تراکم زنجیر در پلیمرها معمولاً با استفاده از حجم آزاد جزئی (FFV) توصیف می‌شود. FFV کسر حجمی در پلیمر است که به انتقال ماده نفوذکننده کمک می‌کند و مقدار آن با استفاده از روش‌های مشارکت گروهی تخمین زده می‌شود. وابستگی ضریب نفوذ به FFV با این معادله بیان می‌شود:

D= A exp [-B/FFV]‌

که در آن A و B ثابت‌های تجربی هستند. هرچه FFV بیشتر باشد، مقدار ضریب نفوذ افزایش می‌یابد.

پلیمرهایی با نفوذناپذیری زیاد مانند پلی‌آکریلونیتریل(PAN) و پلی‌وینیل الکل (PVOH) گروه‌های قطبی جانبی دارند که منجر به برهم‌کنش‌های قوی میان زنجیرهای پلیمری شده و در نهایت باعث افزایش تراکم زنجیر، کاهش حجم آزاد و ضرایب نفوذپذیری کم می‌شود.

دما

وابستگی دمایی نفوذپذیری معمولاً با استفاده از معادله‌های آرنیوس مدل می‌شود:

D=D0 exp [ -ED/RT]

کهED  انرژی فعالسازی برای نفوذ و D0 ضریب ثابت است. بنابراین، نفوذپذیری با افزایش دما افزایش می‌یابد.

ساختار شیمیایی

وجود گروه‌های قطبی روی زنجیرهای پلیمر اغلب سفتی زنجیر را افزایش می‌دهد که منجر به افزایش چگالی فشردگی می‌شود. پلیمرهای نفوذناپذیر مانند پلی‌آکریلونیتریل (PAN) نفوذپذیری گازی بسیار کمی دارند که در نتیجه تحرک زنجیر کاهش می‌یابد و در اثر وجود گروه‌های قطبی است. برهم‌کنش‌های زنجیر پلیمر را می‌توان بر حسب چگالی انرژی هم‌چسبی (CED) بیان کرد که اثر قوی بر نفوذ دارد. در مدلی ساده از نفوذ در پلیمرها، انرژی فعال‌سازی برای نفوذ به طور مستقیم با CED پلیمر متناسب است.

تبلور

افزایش تبلور در پلیمر به طور کلی نفوذپذیری گاز را در آن کاهش می‌دهد. در اغلب پلیمرها، نواحی بلوری که از نواحی بی‌شکل چگال‌تر هستند، از نفوذ مواد ممانعت می‌کنند و از این راه باعث کاهش نفوذپذیری می‌شوند. افزون بر این، وجود بلورچه‌های نفوذناپذیر در ماتریس پلیمری به عنوان سدی در برابر نفوذ عمل می‌کند و باعث افزایش مسیر عبور نفوذ می‌شوند. اثر عواملی مانند اندازه، شکل و آرایش بلورچه‌ها نیز بر مقدار نفوذپذیری مهم هستند.

در پلیمرهای شیشه‌ای مانند PET، سفتی ذاتی زنجیر اصلی مقاومت بیشتری نسبت به بلورچه‌ها در برابر تحرک ایجاد می‌کند.

اثر مواد پرکننده

اثر مواد پرکننده بر قابلیت عبور گاز در پلیمرهای پرشده بسیار پیچیده است. مثلاً با افزایش مواد پرکننده به مقدار 5-10 درصد، ضریب عبورپذیری گاز بسیار کاهش می‌یابد. در مقادیر بیشتر (30-20 درصد حجمی)، مقدار P به کوچک‌شدن ادامه می‌دهد، ولی شدت کاهش کمتر است. وقتی که مقدار ماده پرکننده به 50-40 درصد افزایش می‌یابد، عبورپذیری به‌شدت زیاد می‌شود. بنابراین، سازوکار عبورپذیری گاز در سامانه‌ای ناهمگن یعنی سامانه پلیمر و ماده پرکننده پیچیده است.

اثر مایعات و نرم‌کننده‌های با وزن مولکولی کم

عبورپذیری گاز به مقدار زیادی تحت تأثیر مایعات به‌ویژه نرم‌کننده‌های موجود در پلیمر قرار می‌گیرد. وجود مایعات یا نرم‌کننده‌های با وزن مولکولی کم در پلیمر همیشه سبب افزایش عبورپذیری گاز می‌شود، زیرا:

– مایعاتی که به آسانی جذب پلیمر می‌شوند سبب نرم‌شدن آن می‌شوند، چون انعطاف‌پذیری زنجیرهای پلیمر را زیاد می‌کنند.

– حجم آزاد مایعات با وزن مولکولی کم، بیش از حجم آزاد پلیمر است که در نتیجه آن گاز از میان مایع عبور می کند.

بنابراین قابلیت عبور گاز در پلیمرهای نرم‌شده بیشتر از قابلیت عبور گاز در پلیمرهای نرم نشده است.

وقتی که بعضی از پلیمرهای آب‌دوست در آب بسیار متورم می‌شوند، شل شده و بنابراین گازها از میان مایع نیز نفوذ می‌کنند. در بعضی مواقع، افزایش در سرعت نفوذ بخارهای اجسام آلی مثل بخارهای استون از داخل پلیمرهای مرطوب دیده می‌شود. اما عبورپذیری گاز در پلیمرهای غیرقطبی که اصلاً آب جذب نمی‌کنند، عملاً در حالت خشک یا مرطوب تغییری نمی‌کند.

 

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان

 

بررسی پایداری ابعادی پلیمرها

آزمون‌های خزش و آسایش- تنش پایداری ابعادی یک ماده را اندازه‌گیری می‌کنند و از آنجایی که این آزمون‌ها در مدت زمان طولانی انجام می‌شوند، دارای اهمیت زیادی هستند. اندازه‌گیری‌های خزش، در هر نوع کاربردی که پلیمر تحت بار زیادی برای مدت طولانی قرار می‌گیرد به طور ویژه مورد علاقه مهندسان می‌باشد. خزش و آسایش-تنش همچنین برای کسانی که علاقمند به تئوری‌های ویسکوالاستیک و یا منشأ مولکولی ویسکوالاستیک می‌باشند، اهمیت زیادی دارد.

برای مواد الاستیک، لوازم بسیار ساده‌ای برای اندازه‌گیری خزش یا آسایش-تنش می‌توان به کار برد. برای مواد سخت اندازه‌گیری‌ها مشکل‌تر می‌شود و به طور کلی لوازم دقیق‌تری برای اندازه‌گیری‌ها مورد نیاز است. در خزش مواد سخت، این دشواری به علت لزوم اندازه‌گیری خیلی دقیق برای تغییر شکل‌های خیلی کوچک است. در حالی‌که در مورد تنش-آسایش مواد پلیمری سخت، مسئله‌ی دقت در اندازه‌گیری تنش و کرنش‌های کوچک هنگامی که سختی مواد پلیمری با سختی ابزار برابری می‌کند، دارای اهمیت می‌باشد. در این حالت تغییر شکل‌های کوچک دستگاه‌ها یا لغزش نمونه‌ از محل گیره‌ها می‌تواند خطاهای خیلی زیادی را ایجاد کند.

اثر فشار

داده‌های کمی برای خزش و آسایش-تنش در فشارهای به غیر از فشار یک اتمسفر وجود دارد. با این وجود انتظارات از داده‌ها اصولاً بر این پایه است که با اعمال فشار، حجم آزاد و تحرک مولکولی و تحرک اجزای زنجیر کاهش می‌یابد. دوریس و بکمان دریافتند که فشار psi 50000، کامپلیانس خزش پلی‌اتیلن را با یک ضریب بزرگتر از 10 کاهش می‌دهد و همچنین فشار، موجب افزایش مدول آسایش-تنش به میزان قابل مقایسه‌ای می‌شود. در فشارهای زیادتر( psi30000) آسوده شدن تنش بسیار طولانی‌تر از زمان‌های با فشار یک اتمسفر می‌باشد. در واقع به نظر می‌آید که فشار، بعضی از زمان‌های آسایش را به زمان‌های طولانی‌تر منتقل می‌کند، این مورد تنها در الاستومرها مشاهده شده است.

اثر دما

“گرم و سرد کردن کنترل‌شده ” در پلیمرها مدول و نرخ خزش یا آسایش-تنش را در دماهای کمتر از دمای ذوب یا دمای انتقال شیشه‌ای به‌ترتیب افزایش و کاهش می‌دهد. کاهش در خزش یا آسایش-تنش یک پلیمر بعد از قرار گرفتن آن برای مدتی در حرارت بالا، برای آمادگی یک نمونه است که اغلب «زمانمندی فیزیکی» نامیده می‌شود. زمانمندی فیزیکی هم بر روی نرخ خزش یا آسایش و هم بر مقدار این دو پارامتر موثر است.

در زیر دمای Tg، تنش در یک نمونه به سرعت سرد شده نسبت به یک نمونه آمورف به آرامی سرد شده مانند پلی(متیل متاکریلات) سریعتر آزاد می‌شود. نمونه‌های به سرعت سرد شده از یک پلیمر در بارهای اعمالی زیاد، دارای نرخ خزشی به میزان 50 برابر نمونه‌های ” گرم و سرد شده کنترل شده” که به مدت 24h در دمای 95 درجه سانتی‌گراد نگه داشته شده است، می‌باشد. نرخ خزش به شدت به دما و زمان گرم و سرد کردن کنترل شده وابسته است.

گرم و سرد کردن کنترل شده، می‌تواند میزان خزش پلیمرهای بلورین را در حالتی مشابه با پلیمرهای شیشه‌ای کاهش دهد. برای مثال می‌توان گفت که خواص نمونه به سرعت سرد شدن پلی‌اتیلن با چگالی کم، بعد از یک ماه از تولید نیز تغییر خواهد کرد. خزش با زمان کاهش می‌یابد و این در حالی است که مدول و چگالی با زمان زمانمندی در دمای اتاق افزایش می‌یابند. اما برای پلیمرهای بلورین مانند پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن، هر دو دمای ” گرم و سرد کردن کنترل شده” و دمای آزمون به طور عمده بین نقطه ذوب و دمای Tg آن‌ها می‌باشد. بنابراین برای پلیمرهای بلورین دلیل کاهش خزش را در درجه اول باید در درجه بلورینگی، بلورینگی ثانویه، تغییرات مورفولوژی بلورها و تغییرات آنها بر اثر عملیات حرارتی دید و در درجه دوم در تغییر در حجم آزاد و چگالی آنها جستجو کرد.

اثر وزن مولکولی

در دماهای خیلی کمتر از Tg در جایی که پلیمر شکننده و ترد است، وزن مولکولی دارای کمترین تأثیر روی خزش و آسایش- تنش است. این عدم وابستگی خواص به وزن مولکولی مربوط به بخش‌های خیلی کوچک مولکول‌ها بوده که در بردارنده حرکت‌های مولکولی در حالت شیشه‌ای است. حرکت بخش‌های بزرگ زنجیر پلیمر در این حالت ممکن نیست و حرکت‌های محدود بخش‌های کوچک مولکولی می‌تواند بدون تأثیر بر بقیه مولکول انجام شود. اگر وزن مولکولی زیر مقدار بحرانی بوده و یا اگر پلیمر حاوی جزء بزرگی از مواد با جرم مولکولی پایین باشد که با مواد با جرم مولکولی بالا مخلوط شده باشند، پلیمر بی‌نهایت شکننده و دارای استحکام کمتر از حد معمول خواهد شد. مادامی که نیرو و تغییر طول در حد پایینی باشد، این مواد ضعیف نیز به طور ذاتی رفتار خزش یکسان با پلیمرهای معمولی خواهند داشت. در مقادیر بالاتر نیرو و تغییر طول، مواد با جرم مولکولی کم در میزان کشش پایین‌تری از مواد با جرم مولکولی بالا پاره می‌شوند.

ترک‌خوردگی ریز در پلیمرهای با جرم مولکولی پایین به راحتی ایجاد می‌شود، که در این مواد نرخ خزش و آسایش- تنش قبل از پارگی افزایش می‌یابد. به‌علاوه، ترک‌های ریز به عنوان مکانی برای تمرکز تنش بوده و بار اعمالی به بعضی از زنجیرها را زیادتر می‌کنند. این زنجیرهایی که تحت نیروی بیشتری قرار دارند، تمایل به شکستن یا لغزیدن پیدا می‌کنند تا بتوانند تنش‌های وارد شده به خود را آزاد کنند. بنابراین، در حالت شیشه‌ای، ترک‌خوردگی ریز عامل اصلی و مهم در آسایش- تنش و خزش است.

اتصالات عرضی

در دماهای بالاتر از دمای انتقال شیشه‌ای، اولین اثر افزایش اتصالات عرضی، بالا رفتن وزن مولکول بوده که جریان ویسکوز را کاهش داده و الاستیسیته موادکه در زمان طولانی یا دمای زیاد اندازه‌گیری می‌شوند را زیاد می‌کند. وقتی که یک شبکه یا ژل شکل می‌گیرد، اتصالات عرضی، منحنی آسایش-تنش را به یک مقدار مشخص نهایی به جای تنش صفر در زمان‌های طولانی سوق می‌دهند و منحنی خزش به تغییر شکل ثابتی در زمان‌های زیاد میل می‌کند. در یک لاستیک ایده‌آل، تنش در همه زمان‌ها در طول آزمون آسایش-تنش ثابت می‌ماند.

به نظر می‌آید که شبکه‌ای شدن هیچ نوع اثر شاخص و برجسته‌ای در خزش پلیمرها در دماهای خیلی پایین‌تر از ناحیه Tg نداشته باشد. در پلیمرهای شکننده و سخت، حرکت‎‌های مولکولی بسیار محدود بوده و به این علت محدودیت‌های اضافی ناشی از اتصالات عرضی در آن‌ها قابل توجه نیست. خزش در پلیمرهای سخت، مانند فنول فرمالدهید و رزین‌های ملامین، دارای مدول زیاد، اتلاف مکانیکی کم و دمای انتقال شیشه‌ای بالایی هستند.

همه این عوامل به کاهش خزش و کاهش نرخ آن منجر می‌شود و در نتیجه این نوع از پلیمرها به طور عموم دارای خزش کم و پایداری ابعادی بسیار خوبی هستند. از طرف دیگر، بعضی از رزین‌های اپوکسی و پلی‌استر دارای خزش بسیار بیشتری هستند. پلازک و چوی دریافتند که رزین‌های اپوکسی که کمی بیشتر شبکه‌ای شده‌اند، دارای مدول کمتری هستند و بنابراین خزش بیشتری نسبت به آنهایی که کمتر شبکه‌ای شده‌اند، دارند. به علاوه، به علت ساختار شیمیایی آن‌ها و دمای پخت کم، بیشتر رزین‌های پلی‌استر و اپوکسی به نسبت دارای دمای انتقال شیشه‌ای پایین می‌باشند. با توجه به این دلیل‌ها، این گونه رزین‌ها دارای خزش قابل ملاحظه‌ای نسبت به رزین‌های فنول فرمالدهید با درجه شبکه‌ای شدن بالا می‌باشند.

 

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان

مفهوم نگه‌‌دارنده‌ در کاتالیزورهای زیگلر-ناتا

کاتالیزورهای زیگلر-ناتا از واکنش یک هالید فلز واسطه مانند TiCl4 با آلکیل فلزی از خانواده Al(Et)3 یا AlCl(Et)2 شکل گرفت. فعالیت کم این دسته از کاتالیزورها برای تهیه پلی‌اولفین‌ها و در کنار آن فضاگزینی کم آن‌ها برای تولید پلی‌آلفااولفین‌ها، صنعت را با مشکلات متعددی از جمله شست‌و‌شوی محصول نهایی برای خارج‌کردن تیتانیم روبه رو کرده بود. از این‌رو، استفاده از روشی برای افزایش فعالیت کاتالیزورها از مهم‌ترین اولویت‌ها در آن‌ زمان به‌شمار می‌آمد. از نکات مهمی که ناتا در همان اوایل کشف کاتالیزورهای زیگلر-ناتا بدان پی برد، شرکت‌کردن کمتر از یک درصد از اتم‌های تیتانیم در واکنش بود که این امر دلیل فعالیت بسیار‌کم این کاتالیزورها به‌شمار می‌رفت. بنابراین، استفاده از ترکیباتی به عنوان نگه‌دارنده برای افزایش مشارکت تیتانیم در کاتالیزور مورد توجه قرار گرفت.

در پی کشف کاتالیزورهای زیگلر-ناتا در سال 1956، کاتالیزورهای Cr/SiO2 در سال 1958 توسط هوگان و بنکس کشف شد که از آن به عنوان کاتالیزور فیلیپس نام برده می‌شود. کاتالیزورهای فیلیپس شامل ترکیبی از اکسید کروم هستند که روی یک ماده بی‌شکل مانند سیلیکا به عنوان نگه‌‌‌دارنده قرار داده شده‌اند. این کاتالیزورها برای پلیمر‌شدن اتیلن در شرایط ملایم بسیار فعال بودند، در حالی‌که فعالیت کمتری برای پلیمرشدن پروپیلن از خود نشان می‌دادند.

پس از آن که به شکل موفقیت آمیزی از نگه‌دارنده‌های سیلیکا در کاتالیزورهای فیلیپس استفاده شد، برای اولین بار در اوایل دهه شصت میلادی از ترکیبات منیزیم هم‌چون Mg(OH)Cl ، MgO هیدروکسیل‌دار شده و MgSO4 به عنوان نگه‌دارنده در کاتالیزورهای زیگلر-ناتا استفاده شد. طی چهار دهه اخیر گزارش‌های فراوانی برای استفاده از مواد متنوع در ساخت نگه‌دارنده‌های مختلف برای نشاندن TiCl4 روی آن‌ها ارائه شده است که از آن جمله می‌توان به ترکیبات MgCl2، Mg(OH)2،MgO،Mg(OEt)2  و آلکیل‌های منیزیم اشاره کرد. به‌ طور کلی با توجه به نتایج به‌دست آمده از کارهای انجام شده در این زمینه، توزیع اندازه خلل و فرج پهن و ساختار بلوری بی‌شکل از مهم‌ترین مشخصه‌های این ترکیبات غیر آلی برای قرار گرفتن به عنوان نگه‌دارنده است.

در کاتالیزورهای ابتدایی زیگلر- ناتا که بر مبنای TiCl3 ساخته می‌شدند، اتم‌های تیتانیمی که در لایه‌های داخلی وجود داشتند در پلیمر‌شدن شرکت نمی‌کردند و پلیمرشدن به اتم‌های تیتانیم سطح کاتالیزور محدود می‌شد. با توجه به‌این‌که اتم‌های سطح بخش بسیار ناچیزی از اتم‌های تیتانیم را شامل می‌شد، بنابراین کاتالیزورهای ابتدایی فعالیت بسیار کمی از خود نشان می‌دادند. استفاده از نگهدارنده‌های  مناسب باعث شد که بخش اعظم اتم‌های تیتانیم در سطح پایه پخش شده و در معرض مستقیم پلیمرشدن قرار داده شوند. از‌این‌رو، می‌توان به طور کلی چنین عنوان کرد، مقدار تیتانیم پخش‌شده در سطح نگهدارنده، نحوه قرارگرفتن تیتانیم روی آن، مقدار فعالیت و درگیر‌شدن آن‌ها در پلیمرشدن به نوع و روش ساخت نگه‌دارنده و کاتالیزور مربوط بستگی دارد.

مقدار الکترون‌کشندگی نگه‌دارنده از عوامل مهم دیگری است که روی فعالیت کاتالیزور نقش مستقیم دارد. هر قدر مقدار آن بیشتر باشد، پیوند پلیمر-تیتانیم را بیشتر تحت اثر قرار داده و با ناپایدار کردن آن ثابت سرعت انتشار را افزایش می‌دهد. این در حالی است که با افزایش ثابت سرعت انتشار، فعالیت کاتالیزور افزایش می‌یابد.

کشف منیزیم‌کلرید فعال به عنوان یک نگه‌دارنده مناسب برای تثبیت تیتانیم کلرید و مشتقات آن، فصل جدیدی را در مبحث کاتالیزورهای زیگلر- ناتا باز کرد که کاتالیزورهای ابر فعال تیتانیم از نتایج آن است. از نکاتی که درباره این کاتالیزورها می‌توان بدان اشاره کرد این است که غلظت مراکز فعال به علت ساختار بلوری منیزیم‌کلرید افزایش یافته و ثابت سرعت انتشار نیز به علت مشخصات الکترونی آن افزایش می‌یابد.

منیزیم‌کلرید با وجود زیاد بودن فعالیت کاتالیزور و نیز بهبود شکل‌شناسی محصول نهایی دارای مشکلات و محدودیت‌هایی است که از آن جمله می‌توان به جذب زیاد رطوبت آن اشاره کرد. این امر ناشی از مقدار زیاد کلردار بودن آن است. در برخی ثبت اختراعات نیز استفاده از منیزیم‌آلکوکسیدها به عنوان نگهدارنده‌ها، پس از واکنش با تیتانیم کلرید به منیزیم‌کلرید تبدیل می‌شوند.

نگه‌دارنده اصطلاحاً به ترکیباتی اطلاق می‌شود که با ایجاد واکنش شیمیایی با کاتالیزور باعث پخش مراکز فعال در سطح نگه‌دارنده و افزایش فعالیت و فضاگزینی آن می‌شود. این واکنش‌های شیمیایی به شکل جذب شیمیایی روی سطح این مواد انجام می‌شود. طی نیم قرن گذشته، نگه‌دارنده‌های متنوعی در کاتالیزورهای زیگلر- ناتا استفاده شده‌اند، اما بیشتر آن‌ها با توجه به فعالیت یا فضاگزینی کم کنار گذاشته شده‌اند. نگه‌دارنده‌هایی که امروزه در صنعت مصرف می‌شوند، شامل سیلیکا، منیزیم‌کلرید، منیزیم الکوکسیدها و آلکیل‌های منیزیم هستند که در ادامه بررسی می‌شوند.

منیزیم کلرید

منیزیم‌کلرید اغلب به عنوان نگه‌دارنده برای تولید پلی‌آلفااولفین‌ها به‌کار می‌رود. سطوح پایدار که از اتم‌های سیر‌شده منیزیم تشکیل شده است، واکنش‌پذیر نبوده و با توجه به نامناسب بودن نحوه قرار گرفتن اتم‌های آن از جذب سطحی کاتالیزور روی نگه‌دارنده جلوگیری می‌کند و مانع از انجام واکنش بین نگه‌دارنده و مراکز فعال می‌شود. در این‌حالت، مراکز فعال به سمت سطوح مجاور سیرنشده کشیده می‌شوند و جذب سطحی در آن سطوح اتفاق می‌افتد.

نگه‌دارنده‌های بر مبنای منیزیم آلکوکسیدها

کاتالیزورهایی که با استفاده از واکنش TiCl4 با این دسته از نگه‌دارنده‌ها به دست می‌آید، بسیار فعال‌اند و معمولاً برای پلیمر‌شدن اتیلن استفاده می‌شوند. افزون بر استفاده گسترده از کاتالیزورهای نگه‌دارنده بر مبنای منیزیم آلکوکسید برای تولید پلی‌اتیلن سنگین، این دسته از کاتالیزورها با استفاده از الکترون‌دهنده‌هایی هم‌چون بنزیل‌کلریدها، سیلآن‌ها و غیره برای پلیمر‌شدن پروپیلن نیز به کار گرفته شده‌اند. برخلاف منیزیم‌کلرید ، این دسته از نگه‌دارنده‌ها، مقدار جذب رطوبت آن‌ها بسیار کم است.

نگه‌دارنده‌های بر مبنای آلکیل‌های منیزیم

این گونه ویژه از پایه‌های مصرفی در کاتالیزورهای زیگلر-ناتا برای اولین بار در اواخر دهه شصت میلادی مورد توجه قرار گرفت. از جمله شرکت‌هایی که برای اولین بار در مقیاس صنعتی از این دسته از کاتالیزورها استفاده کردند، شرکت SIR است. مهمترین آلکیل‌های منیزیم که به کار گرفته شده‌اند، عبارتند از BuMgEt، Mg(Bu)2 و نیز ترکیبات گرینیارد همانند BuMgCl. این ترکیبات به هوا و رطوبت حساس‌اند و طول عمر بسیار کمی دارند، از‌این‌رو استفاده از آن‌ها با محدودیت‌هایی همراه است.

 

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان

 

مروری بر ساختار پلیمرهای نیمه بلورین

تعداد زیادی از پلیمرها قابلیت بلورینگی دارند و حتی در بین پلیمرهای نیمه بلوری، مواد غیر بلوری نیز یافت می‌شوند. پلیمرهای نیمه بلوری پرتو X را پراکنده می‌کنند و انتقال درجه اول یا ذوب نشان می‌دهند. تبلور پلیمرها از حالت مذاب یا محلول‌های غلیظ به دلیل گرانروی زیاد منجر به ایجاد ساختار نیمه بلوری می‌شود. این ساختار به کمک الگوی پراش پرتو X با زاویه باز (WAXS) قابل مشاهده است. اما، قابلیت تبلور در پلیمرها تابعی از نظم در زنجیرهای پلیمری است. به همین دلیل ریز ساختار تک آرایش و هم آرایش قابلیت تبلور دارند، در حالی که پلیمرهای بی‌آرایش این قابلیت را ندارند. به عبارت دیگر، بی‌نظمی در ریزساختار زنجیر باعث کاهش دمای ذوب و در نتیجه ممانعت از تبلور زنجیر می‌شود.

به دلیل اهمیت تبلور در پلیمرها، از جنبه‌های مختلف به بررسی این موضوع می‌پردازیم.

شرایط تبلور:

در پلیمرها دو مفهوم بلوری و بلورینگی وجود دارد که با یکدیگر متفاوت‌اند، زیرا بسیاری از پلیمرها در هیچ شرایطی نمی‌توانند متبلور شوند. در اثر سرد شدن به علت کاهش شدید تحرک گرمایی، واحدها بدون تشکیل شبکه بلوری، جامد شده و به عبارت دیگر تبدیل به شیشه می‌شوند. با سرد کردن سریع مذاب قابل تبلور تا دمای بسیار کمتر از دمای تبلور، می‌توان به حالت شیشه ای دست یافت. دمای انتقال شیشه‌ای (Tg) چنین پلیمری کمتر از دمای تبلور آن است. قابلیت تبلور پلیمرها، به کمک ساختار شیمیایی آنها (انرژی جاذبه بین‌مولکولی و نسبت انرژی جاذبه بین‌مولکولی به انرژی تحرک گرمایی) و نیز به‌وسیله خواص ویژه ساختار زنجیر پلیمر (نظم و انعطاف‌پذیری زنجیرها) معین می‌شود. بنابراین، پلیمرهایی که تمایل به تبلور دارند، باید ساختار انعطاف‌پذیر داشته باشند، به‌طوری که بخش‌هایی از زنجیر بتوانند به‌راحتی بر سطح بلورچه قرار گیرند.

نظم‌بندی زنجیر پلیمر:

بلور باید دارای نظم سه‌بعدی بزرگ باشد که یکی از این بعدها بر محور درشت‌مولکول پلیمری منطبق می‌شود. از این‌رو، نظم بلند باید در این جهت وجود داشته باشد، یعنی زنجیر باید دارای ساختاری به قدر کافی منظم باشد. گاهی وجود بی‌نظمی‌های زیاد در زنجیرها ممکن است، مانع تبلور نشود. اما به‌طور کلی، هم پلیمرهای تصادفی و هم پلیمرهای بی‌شکل در هیچ شرایطی متبلور نمی‌شوند.

انعطاف‌پذیری زنجیر پلیمر:

تحرک گرمایی( حرکت تصادفی مولکول‌ها در اثر گرما ) به دو روش بر تبلور اثر می‌گذارد. از یک‌سو، گرما سرعت حرکت عناصر ساختاری را به نفع تبلور زیاد می‌کند. اما از سوی دیگر، نظم زنجیرها را به‌هم زده و باعث از بین رفتن بلورها می‌شود. با وجود این، باید توجه داشت که تحرک گرمایی مولکول‌های بزرگ پلیمر خطی، کوچک و صرف‌نظر کردنی است و قابلیت تبلور آنها اصولاً به تحرک گرمایی واحدهای آنها یعنی به انعطاف‌پذیری زنجیرهای آنها بستگی دارد. به‌طور کلی، تنها پلیمرهایی می‌توانند متبلور شوند که زنجیرهایی با انعطاف‌پذیری کافی داشته باشند. پلیمرهایی که زنجیرهای آنها انعطاف‌پذیر نیستند به‌سختی متبلور می‌شوند. در محدوده دمایی که انعطاف‌پذیری زنجیر بسیار زیاد است، شدت تحرک گرمایی جهت‌گیری واحدها را به‌هم می‌زند و بلورها نمی‌توانند تشکیل شوند. بنابراین، برای تبلور پلیمر باید آن را تا دمایی سرد کرد که در آن حرکت واحدها مانع جهت‌گیری آنها نشود. به عبارت دیگر، پلیمر را باید تا محدوده دمای تبلور سرد کرد.

اما باید توجه داشت، سرد کردن اضافی پلیمر ممکن است، آن‌قدر انرژی تحرک گرمایی را کاهش دهد که واحدها نتوانند نظم و ترتیبی اتخاذ کنند. این عمل معمولاً در دماهای کمتر از دمای شیشه‌ای شدن پلیمر اتفاق می‌افتد. اگر دمای شیشه‌ای پلیمر بسیار بیشتر از دمای محیط باشد، پلیمر را باید تا دمای بالاتر از دمای شیشه‌ای آن گرم کرد تا بتواند متبلور شود.

فشردگی مولکول‌ها:

به‌طور کلی، فشردگی سبب می‌شود که حجم آزاد بین ذرات به کمترین مقدار برسد. پلیمرها نیز مانند مواد با وزن مولکولی کم  از اصل فشردگی پیروی می‌کنند، به‌طوری که درشت‌مولکول‌ها در شبکه بلوری تا آنجا که ممکن است، باید در نزدیکی یکدیگر قرار گیرند. برای فشردگی زنجیرهای پلیمر چند راه ممکن وجود دارد.

اولین راه عبارت است از ساختار بلوری که از فشردگی مولکول‌های کروی به‌دست می‌آید. این ساختار بلوری در پروتئین‌های گلبولی مشاهده می‌شود. گلبول‌های این پروتئین‌ها حتی وقتی که در تماس مستقیم با یکدیگر قرار می‌گیرند، پایدار هستند. امکان تشکیل ساختار بلوری در چنین شرایطی در نتیجه  اندازه یکسان کره‌ها وجود داشته که به تک‌مولکولی بودن ترکیبات درشت‌مولکول طبیعی مربوط می‌شود.

دومین روش فشردگی زنجیرهای پلیمری عبارت از فشردگی درشت‌مولکول‌ها به شکل حلزونی است. در این حالت برآمدگی یک حلزون در فرورفتگی حلزون دیگر قرار می‌گیرد.

سومین روش عبارت از فشردگی زنجیرهای خطی بلند است. در این جا عامل مهم ، پیکربندی زنجیر است. گروه‌های استخلافی جانبی نباید مانع نظم و ترتیب زنجیرهای منظم مجاور شوند. به طور کلی، شاخه‌های جانبی بزرگ تبلور را دشوار می‌سازند.

اگر زنجیرها به اندازه کافی انعطاف ناپذیر باشند، ممکن است اصلاً فشردگی اتفاق نیفتد. برای مثال، زنجیرهای پلیمری پروپیلن بسیار انعطاف‌پذیرند و می‌توانند شبکه بلوری فشرده تشکیل دهند، ولی زنجیرهای انعطاف‌ناپذیر سلولوز در هیچ شرایطی قابلیت تشکیل چنین شبکه‌ای را ندارند. این موضوع عامل مهمی در تولید الیاف محکم به شمار می‌رود.

ساختار پلیمرهای نیمه بلوری:

مدل میسل کلافی: این مدل اولین بار برای برقراری ارتباط میان مولکولهای بزرگ، بلورهای کوچک و بخش‌های زیادی از ماده بی‌شکل ارائه شد.

این مدل تشکیل لیفچه‌ها را پیشنهاد می‌دهد که می‌توانند در دو جهت موازی و عمود بر محورهای زنجیر رشد کنند. هر زنجیر به طور معمول از چند بلورچه عبور می‌کند و بنابراین بلورچه‌های کوچک با زنجیرهای بلند همراه می‌شوند. از این‌رو، این مدل برای نشان دادن ساختار داخلی پلیمرهای نیمه‌بلوری پیشنهاد شده است. طبق این مدل، طول نواحی بلوری در حدود 100 آنگستروم است که نواحی جداکننده بلورها، بخش‌های بی‌شکل هستند. بر این اساس، این مدل می‌تواند رفتار طیف گسترده‌ای از پلیمرهای نیمه بلوری را توجیه کند.

درشت‌صورت‌بندی‌های پلیمری:

درشت‌صورت‌بندی‌های احتمالی برای پلیمرها را می‌توان به شکل طرح‌واره و از راه نمودار مثلثی واندرلیک رسم کرد.

باید توجه داشت که مدل میسل کلافی به گونه‌ای اصلاح شد که مقداری تا خوردگی زنجیر نیز وجود داشته باشد. این نمودار تقریباً مشابه نمودار مثلثی سه رنگی برای اختلاط رنگ‌ها  است. هر شکل‌شناسی معینی را می‌توان به شکل یک نقطه روی نمودار نشان داد و غلظت هر یک از سه جزء اصلی با نزدیکی آن نقطه به رأس‌های مثلث مشخص می‌شود. اما این نمودار مهم‌ترین ویژگی شکل‌شناسی پلیمرها که عبارت از چگونگی آرایش و قرارگیری بلورچه‌ها نسبت به یکدیگر و نسبت به ماده بی‌شکل است را در نظر نمی‌گیرد.

مدل تا ‌خوردگی زنجیر: 

این مدل را ابتدا در سال 1938 استورکس ارائه کرد. وی فیلم‌هایی از گوتاپرشا با ضخامت nm27 را به روش تبخیر از محلول تولید کرد. نتایج پراش الکترونی نشان داد، فیلم‌ها از بلورچه‌های بزرگ با محورهایی عمود بر صفحه فیلم تشکیل شده‌اند. تنها احتمال موجود این بود که زنجیرها تا ‌خورده و روی خود قرار گرفته باشند، بنابراین بخش‌های مجاور موازی هستند و در حالت بلوری قرار می‌گیرند. این ایده تا اوایل دهه 1950 برقرار بود تا هنگامی که تک‌بلورهای بسیار کوچک پلیمری از محلول‌های رقیق به دست‌آمدند. تک بلور تشکیل شده از تبلور محلول رقیق را لایه می‌گویند.

پس از مدت کوتاهی در سال 1957، فیشر به کمک میکروسکوپ الکترونی نشان داد، بلورچه‌ها در گویچه‌های رشد یافته از مذاب پلی‌اتیلن و نایلون، همانطور که از مدل میسل کلافی پیش‌بینی می‌شد، بیشتر به شکل لایه‌ای هستند تا لیفی. امروزه پذیرفته شده است که بلورچه‌های لایه‌ای تاه‌خورده نقش مهمی در ساختار اغلب پلیمرهای بلوری ایفا می‌کنند.

 

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان

 

لاستیک‌های طبیعی و سنتزی

لاستیک‌ها موادی را شامل می‌شوند که خاصیت کشسانی برگشت‌پذیر با محدوده وسیع دارند. به این مواد الاستومر نیز می‌گویند. به‌عبارت دیگر، این مواد قابلیت تحمل کش آمدن زیاد، محدوده 100 تا 500 درصد را بدون پاره‌شدن دارند. حد بالاتر این کشسانی برگشت‌پذیر 1000 درصد افزایش طول خطی است. مایعات و گازها نیز این خاصیت را دارند، اما نکته مهم برگشت‌پذیری این خاصیت است؛ یعنی وقتی تنش وارد شده که باعث تغییر شکل این مواد می‌شود برداشته شود، ماده باید به‌سرعت ابعاد اولیه تقریبی خود را به‌دست آورد (در عرض چند ثانیه و با چند درصد اختلاف با طول اولیه). مواد لاستیکی معمولاً مخلوط پیچیده‌ای از اجزای سازنده قابل وولکانش، پرکننده، نرم‌کننده، ضد اکسنده و رنگدآن‌هاند. اما، خصوصیات لاستیکی آن‌ها به وجود یک یا چند ماده پایه در مخلوط مربوط است که از نظر ماهیت لاستیکی‌اند یا در مجاورت نرم کننده مناسب خاصیت لاستیکی پیدا می‌کنند. مواد پایه معمولاً آلی‌اند. لاستیک‌هایی پایه، که همه مواد لاستیکی شامل آن هستند، در دو گروه بزرگ طبیعی و مصنوعی طبقه‌بندی می‌شوند. منظور از لاستیک طبیعی لاستیکی است که در طبیعت به صورت محصول سوخت و ساز برخی درختان یا گیاهان به‌ویژه درختان گونه هوا (Hevea Brasiliense) یافت می‌شود. لاستیک طبیعی با اینکه ماده خالصی نیست، اما اساساً از سیس-4،1- ایزوپرن با وزن مولکولی زیاد ایجاد می‌شود. لاستیک سنتزی لاستیکی است که از ترکیبات شیمیایی با وزن مولکولی کم (کمتر از 500) توسط بشر تولید می‌شود. مفهوم این اصطلاح معمولاً شامل مواد لاستیکی اصلاح ‌شده، یعنی موادی که با اصلاح شیمیایی موادی لاستیکی مثل لاستیک طبیعی بدست می‌آیند، نمی‌شود. لاستیک‌های سنتزی به دو گروه عمومی و ویژه تقسیم می‌شوند. چنانچه از نام آن‌ها برمی‌آید اولین گروه شامل لاستیک‌هایی  است که برای کاربردهایی مانند تولید تایر و محصولاتی صرفاً با خواص مکانیکی خوب و پایدار در نظر گرفته شده‌اند. در گروه دوم لاستیک‌هایی جای می‌گیرند که علاوه بر داشتن خواص ویژه‌ای چون مقاومت در برابر تورم در روغن‌ها، برای کاربردهای ویژه مانند تولید درزگیرهای روغنی ساخته شده‌اند. اولین گزارش تولید لاستیک‌هایی سنتزی به پلیمرشدن ایزوپرن (2-متیل-1،3بوتادی‌ان) اشاره می‌کند.

تقسیم‌بندی لاستیک‌های سنتزی

انواع لاستیک‌های سنتزی موجودند که عمده آن‌ها از این قرار است: 1- پلیمرها و کوپلیمرهای بوتادی‌ان 2- لاستیک‌های حاصل از مشتقات بوتادی‌ان 3- لاستیک‌های مشتق از اولفین‌ها و اکسیدهای اولفین 4- PVC نرم‌شده 5- انواع دیگر لاستیک‌ها 6- لاستیک‌های الاستومری یا الاستومرهای گرمانرم.

1-پلیمرها و کوپلیمرهای بوتادی‌ان

پلیمر‌شدن دی‌آن‌های مزدوج مانند بوتادی‌ان، ایزوپرن و کلروپرن، مستلزم فعال شدن یک یا هر دو پیوند دوگانه برای تولید پلیمر است. کمی سیرنشدگی باقیمانده در زنجیرهای پلیمر مواضع مناسبی را برای وارد کردن شبکه الاستومری یا ایجاد پیوندهای عرضی (وولکانش) در اختیار می‌گذارد. در نتیجه دی‌ان‌های مزدوج منبع برخی از مهم‌ترین الاستومرها یا لاستیک‌های سنتزی موجود تجاری‌اند خواص فیزیکی و گرمایی این پلیمرها به مقادیر نسبی ساختارهای گوناگون (تک‌آرایش، هم‌‌آرایش یا بی‌آرایش و سیس یا ترانس) در زنجیر پلیمر بستگی دارد. نسبت هر نوع ساختار نیز به روش و شرایط پلیمر‌شدن وابسته است.

پلیمرها و کوپلیمرهای بوتادی‌ان شامل لاستیک بوتادی‌ان (BR)، لاستیک استیرن-بوتادی‌ان (SBR)، لاستیک آکریلونیتریل-بوتادی‌ان (NBR ) هستند.

پلی بوتا‌دی‌ان الاستومری است که پس از SBR بزرگترین حجم تولید را به خود اختصاص داده است. پلی‌بوتا‌دی‌ان را می‌توان به وسیله پلیمر شدن افزایشی رادیکال آزاد بوتادی‌ان تولید کرد.

کاربرد اصلی BR مانند SBR در تولید تایرها و محصولات وابسته به تایر است. BR دارای جهندگی و مقاومت خوب در برابر سایش و گرما اندوزی کم است. ویژگی‌های اخیر از شرایط لازم برای کاربردها در تایر است. در هر حال فراورش BR مشکل‌تر از SBR است. بنابراین برای ساخت تایر، BR با SBR و لاستیک طبیعی آمیزه‌سازی می‌شود تا غلتک‌کاری، کشش و مقاومت در برابر لغزش آج تایر بهبود یابد. این در حالی است که BR مقاومت خوب در برابر سایش و ترک‌خوردگی را موجب می‌شود و مقاومت در برابر چرخش و گرما ‌اندوزی را کاهش می‌دهد.

لاستیک استیرن-بوتادی‌ان (SBR) بزرگترین حجم تولید تجاری الاستومرهای سنتزی را به خود اختصاص داده است. این نوع لاستیک از راه پلیمر‌شدن امولسیونی رادیکال آزاد استیرن و بوتادی‌ان درC ° 50-60 (SBR امولسیون داغ) یا درC ° 5 (SBR امولسیون سرد) تولید می‌شود. دو نوع SBR خواص کاملاً متفاوتی دارند. فرایند SBR امولسیون داغ، که اول توسعه یافت، به پلیمری شاخه‌دار تر از فرایند امولسیون سرد منتهی می‌شود. SBR سرد مقاومت سایشی بهتری دارد و در نتیجه خواص دینامیک و مقاومت سایشی بهتر آج را ارائه می‌دهد.

SBR یک کوپلیمر اتفاقی با محتوای استیرن در حدود 10 تا 20 درصد است. وجود استیرن موجب مشخصات تشکیل پیوند و مقاومت خوب در برابر فرسایش SBR می‌شود و قیمت آن را کاهش می‌دهد. همچنین، در مقایسه با لاستیک پلی‌بوتادی‌ان تنها، استحکام، مقاومت در برابر سایش و سازگاری در آمیزه را بهبود می‌بخشد.

مصرف عمده SBR در تولید تایر است، به‌ویژه تایرهای ماشین‌های مسافربری، تایرهای کامیون‌های سبک و در کاربردهای خودرو که در آن SBR با الاستومرهای دیگر آمیزه‌سازی می‌شود. این کاربردها شامل تسمه‌ها، شیلنگ‌ها و سایر قطعات گوناگون اکسترود‌شده و قالبگیری شده است. مصارف غیر خودرو و غیر تایریSBR  در صنایع مربوط به تسمه، شیلنگ، واشر یا درزگیرهاست. کاربردهای دیگر SBR عبارتند از: انواع چرخ‌های توپر، روکش غلتک، منسوجات پوشش‌دار و عایقکاری الکتریکی (سیم و کابل).

لاستیک آکریلونیتریل-بوتادی‌ان (لاستیک نیتریل، NBR)

لاستیک نیتریل الاستومری منحصر به فرد به صورت کوپلیمری از بوتادی‌ان و آکریلونیتریل است. برخلاف SBR، NBR برای تولید تایر مناسب نیست، اما به علت مقاومت عالی در برابر روغن،که با نسبت آکریلونیتریل در کوپلیمر افزایش می‌یابد، بی نظیر است. لاستیک‌هایی نیتریل به دلیل مقاومت خوب در برابر روغن عمدتاً به شکل شیلنگ، لوله و واشردر محیط روغن، انواع سوخت و مواد شیمیایی مشابه و همچنین درزگیر، واشرهای حلقوی و شیلنگ بنزین به کار گرفته می‌شوند. از این وسایل در تجهیزاتی که برای حمل و نقل همه نوع محصول، فراورش مواد غذایی و تولید نفت خام بکار می‌رود استفاده می‌شود.لاستیک‌هایی نیتریل برای تقویت ضربه‌ای پلیمرهایی مانند PVC و ABS نیز مصرف می‌شود. لاستیک نیتریل برای اشباع کاغذ برای نوارهای پوششی، کاغذهای دیواری و برچسب‌ها نیز به کار می‌رود.

2- لاستیک‌هایی حاصل از مشتقات بوتادی‌ان

دراین دسته لاستیک‌هایی قرار دارند که از پلیمرشدن بوتادی‌ان‌های استخلاف‌شده به‌دست می‌آیند. دو خانواده دارای اهمیت تجاری در این دسته از پلیمرشدن ایزوپرن و کلروپرن حاصل می‌شوند.

لاستیک ایزوپرن لاستیک هیدروکربنی همه‌منظوره‌ای است که به عنوان رقیبی برای لاستیک‌های طبیعی به شمار می‌رود. از سوی دیگر، کلروپرن لاستیکی ویژه است؛ به همین علت در کاربردهایی از آن استفاده می‌شود که مقاومت در برابر تورم در روغن‌های هیدروکربنی، مقاومت در برابر گرما و در برابر اثر اوزون مدنظر باشد. کلروپرن را می‌توان مشتقی از ایزوپرن دانست که در آن گروه متیل با اتم کلر (تقریباً هم‌اندازه) استخلاف شده است. با اینکه مونومر یکی از این لاستیک‌ها از دیگری مشتق می‌شود، اما دو لاستیک تفاوت زیادی دارند. منشاء این تفاوت اختلاف الکترونگاتیوی اتم کلر نسبت به گروه متیل است.  ایزوپرن به شکل پلیمری لاستیکی به وسیله پلیمرشدن امولسیونی تهیه می‌شود. ایزوپرن در سیستم واکنش شامل مونومر، آب، صابون یک اسید چرب، آغازگر پرسولفات و اصلاح‌کننده مرکاپتان پلیمر می‌شود.

لاستیک کلروپرن، لاستیکی فضا منظم است و در واقع از ترانس 1-4- پلی کلروپرن تشکیل شده است، بنابراین در اثر کشش می‌تواند متبلور شود و بر همین اساس، محصولات وولکانش آن استحکام کششی زیادی دارند. این محصول مقاومت متوسطی در برابر متورم شدن در انواع روغن و گریس، مقاومت خوبی در برابر سخت شدن در دمای پایین و همچنین مقاومت زیادی در برابر پیرشدن، اکسایش و حمله اوزون دارد. این لاستیک هنوز جزء لاستیک‌هایی سنتزی گران‌تر از لاستیک‌هایی همه منظوره است.

3- لاستیک‌هایی مشتق از اولفین و اولفین‌اکسیدها

مهمترین مشخصه مشترک این لاستیک‌ها این است که همه آن‌ها تقریباً به طور کامل از نظر شیمیایی سیر شده‌اند. عموماً درجه‌ای از سیرنشدگی آن‌ها ناشی از کوپلیمرکردن اختیاری آن‌ها با مقادیر اندک مثلاً یک ترکیب چند اولفینی است. نتیجه سیر‌شدگی شیمیایی آن‌ها مقاومت ذاتی بیشتر آن‌ها در برابر تاثیرات مخرب مثل اکسیژن، گرما و ازون در مقایسه با لاستیک‌هایی حاصل از پلیمرشدن یا کوپلیمرشدن دی‌آن‌هاست. نتیجه دیگر این سیرشدگی شیمیایی برای این گروه مقاومت شیمیایی عمومی خوب آن‌هاست. در ادامه به بررسی چند نوع از این لاستیک‌ها می‌پردازیم.

لاستیک‌هایی ایزوبوتن- ایزوپرن: واحد اصلی تکرارشونده در این لاستیک‌ها از ایزوبوتن مشتق می‌شود. یک مشخصه غیر عادی این لاستیک‌ها که به عنوان لاستیک سنتزی مورد توجه زیاد قرار دارد، نفوذپذیری کم آن در برابر گازها به‌ویژه هواست. این ویژگی لاستیک ایزوبوتن-ایزوپرن آن را به‌ویژه برای تولید تویوپ‌های داخلی تایر مفید می‌سازد. البته، بعدها لاستیک‌هایی بدون تویوپ داخلی ساخته شدند، اما هنوز از این نوع محصول در مناطق مختلف به علت مقاومت آن در برابر ازون و مواد شیمیایی استفاده می‌شود.

لاستیک‌هایی اتیلن- پروپیلن: اهمیت لاستیک‌هایی اتیلن-پروپیلن (EMP)، اتیلن-پروپیلن-دی‌ان (EPDM) به عنوان لاستیک‌های سنتزی همه منظوره، ارزانی نسبی و مقاومت آن‌ها در برابر پیرشدن، تخریب با ازون و حمله واکنشگرهای شیمیایی به دلیل سیرشدگی اغلب واحدهای تکرارشونده در توالی پلیمر است.

 

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان

 

 

دمای انتقال شیشه‌ای پلیمر

خواص فیزیکی و مکانیکی مواد پلیمری، متأثر از ساختار شیمیایی و همچنین نحوه آرایش مولکولی آن‌هاست. پلیمرها دارای ساختارهای مختلفی هستند که مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از:

  • وقتی واحدهای تکرار‌شونده پلیمر در زنجیر اصلی تنها با مولکول‌های مجاور خود در زنجیر در ارتباط بوده و فاقد زنجیره‌های جانبی باشند، پلیمر خطی نامیده می‌شود. اصطلاحی که ممکن است در برخی موارد موجب بروز خطا و اشتباه شود. زیرا پلیمرهای خطی به‌ندرت به‌طور مستقیم و صاف بوده و اغلب خمشی یا لوله‌ای هستند.
  • اگر پلیمر (در زنجیر اصلی) دارای تعداد قابل توجهی شاخه‌های فرعی باشد، به عنوان پلیمر شاخه‌ای شناخته می‌شود. این شاخه‌ها ممکن است با ساختار و زنجیر اصلی پلیمر متفاوت باشند.
  • شبکه پیوسته‌ای از زنجیرهای پلیمر که با پیوندهای عرضی به یکدیگر متصل شده‌اند، با عنوان پلیمرهای شبکه‌ای شناخته می‌شوند. اکثر پلیمرهای استفاده شده در پوشش‌های پلیمری، معمولاً در گروه سوم طبقه‌بندی قرار دارند. واکنش‌هایی که پلیمرها را به یکدیگر متصل می‌کند، تحت عنوان واکنش‌های شبکه‌ساز نامیده می‌شوند. پلیمرها یا الیگومرهایی که قابلیت انجام این‌گونه واکنش‌ها را دارند، پلیمرهای گرماسخت نامیده می‌شوند. واژه گرماسخت، نه تنها برای پلیمرهایی که با گرما شبکه‌ای می‌شوند، بلکه برای پلیمرهای شبکه‌ای شده در دمای محیط نیز به‌کار می‌رود. پلیمرهایی که قابلیت ایجاد پیوندهای عرضی را ندارند، پلیمرهای گرمانرم نامیده می‌شوند. زیرا، بر اثر گرما نرم می‌شوند.

دمای انتقال شیشه‌ای

دمای انتقال شیشه‌ای که به عنوان مشخصه تغییر فاز، مشابه انتقال ترمودینامیکی درجه دوم در ترکیب‌های  با وزن مولکولی بسیارکم شناخته می‌‌شود، عامل ویژه و معین‌کننده در پلیمرها به شمار می‌رود. در یک انتقال درجه دوم، با رسم یک کمیت اولیه (مانند حجم مخصوص) در برابر تغییرات دما، تغییری در شیب افزایش حجم ویژه مشاهده می‌شود. در حالی‌که رسم یک کمیت ثانویه (مانند ضریب انبساط) در برابر دما، با یک پرش یا جهش ناگهانی همراه است. اما در انتقال درجه اول، تغییر ناگهانی در مقادیر کمیت‌های اولیه (مثل حجم مخصوص) مشاهده می‌شود.

از لحاظ ترمودینامیکی، در حقیقت Tg یک انتقال درجه دوم نیست، زیرا به طور سینتیکی کنترل می‌شود. مقدار دمای انتقال شیشه‌ای به سرعت گرم یا سرد‌ شدن ماده بستگی دارد. از دیدگاه ترمودینامیک محض، نمی‌توان Tg را به طور کامل در گروه انتقال‌های درجه دوم قرار داد. Tg به طور مستقیم به حجم آزاد و حجم مخصوص پلیمرها ربط داده می‌شود. تعریف Tg به شکل “دمایی که بیش از آن، ضریب انبساط گرمایی پلیمر افزایش می‌یابد”، بسیار بهتر از تعریفی است که در آن Tg ” دمایی که در کمتر از آن پلیمر شکننده و در بیش از آن، نرم و انعطاف‌پذیر است”، معرفی می‌شود. Tg تمام پوشش‌های پخت‌شونده، با وجود برخورداری از نرمی و انعطاف‌پذیری، بسیار بیشتر از دمای بهره‌برداری آن‌هاست.

پلیمرها دو نوع حرکت از خود نشان می‌دهند. حرکت موضعی قطعه‌ها که حرکت قطعه‌ای نامیده می‌شود و دیگری حرکت کلی که حرکت مولکولی نام دارد. در حالت شیشه‌ای حرکت‌ها در مواد پلیمری تبدیل به حرکت‌های چرخشی و ارتعاشات در یک محدوده کوتاه می‌شوند. در دمای کمتر از Tg فقط زنجیرهای یک تا چهار اتمی درگیر این حرکت‌ها هستند. با دخالت انرژی گرمایی و رسیدن دما به Tg، ارتعاش قطعه‌ها در یک محدوده وسیع، به سرعت بخشیدن به حرکت‌های مولکولی کمک می‌کند. معمولاً، 10 تا 50 اتم از زنجیر پلیمری در حرکت قطعه‌ای دخالت دارند. در دمای بیش از Tg ارتعاش قطعه‌ها آن‌قدر قوی است که قطعه‌های مجاور نیز آزاد و شروع به حرکت می‌کنند. بدین ترتیب با ایجاد منافذ خالی جدید حجم آزاد پلیمر افزایش می‌یابد. در نتیجه، در شیب منحنی حجم ویژه پلیمر بر حسب دما، تغییری مشاهده می‌شود که به اصطلاح حالت لاستیکی یا گرانروکشسان نامیده می‌شود. مولکول‌ها در حالت شبکه‌ای نشده، در اثر حرکت تصادمی براونی به داخل این منافذ جهش یافته و در مقیاس مولکولی قابلیت حرکت می‌یابند. جهش‌های یاد شده ترجیحاً برای رفع تنش اعمال شده بوده و سبب جاری‌شدن مواد پلیمری می‌شوند.

واژه Tg، تنها مربوط به پلیمرها نمی‌شود. برای مثال، اگر ترکیبات کوچک‌مولکول بسیار سریع سرد شوند، بدون تشکیل بلور به حالت بی‌شکل تبدیل می‌شوند (متازایلن با Tg=120°c) مثال مناسبی از این نوع مواد است. یعنی با تغییر سریع دما در ضریب انبساط گرمایی ترکیب تغییر ایجاد می‌شود.

تغییرات فیزیکی ساختار ترکیب در دمای Tg

وقتی یک ماده بی‌شکل گرما داده می‌شود، اتم‌ها و مولکول‌های آن با سرعت بیشتری مرتعش می‌شوند. در اثر این حرکات، فضاهای خالی موقت بین مولکول‌ها افزایش می‌یابد. به عبارت دیگر با افزایش دما، حرکت قطعه‌های پلیمری و در نتیجه درجه آزادی حرکت مولکول‌ها افزایش می‌یابد. با افزایش بیشتر دما، قطعه‌های بزرگتری قابلیت حرکت یافته و نهایتاً حجم ویژه ترکیب افزایش می‌یابد.

عوامل موثر بر مقدار Tg

حرکت و انعطاف‌پذیری پیکره پلیمر

نحوه چرخش و آسانی حرکت پیوندهای C-C  در زنجیر اصلی پلیمر، روی Tg اثر مستقیمی دارد. مثلاً ترکیب سیلوکسان با ساختار Si-O-Si را در نظر بگیرید، چرخش پیوند حول محور O-Si به‌راحتی انجام می‌شود. در نتیجه، Tg ترکیب پلی‌دی‌متیل سیلوکسان بسیار کم و در حدود 146 کلوین می‌شود  یا پلیمرهای آلیفاتیک مانند پلی‌اتیلن اکسید دارای Tg در محدوده 158 تا 233 کلوین هستند. زیرا چرخش حول پیوند اتری راحت‌تر انجام می‌گیرد. از آنجا که به اتم اکسیژن گروه جانبی متصل نیست، این پیوند نسبت به گروه کربن آزادی حرکت بیشتری دارد. پس انعطاف‌پذیری زنجیر، به دلیل راحتی چرخش حول پیوند C-O از پلی‌اتیلن بیشتر است. به‌طور کلی، این توافق وجود دارد که Tg  پلیمرهای خطی بلند زنجیر اغلب کمتر از 200 کلوین است. استخلاف گروه متیل روی زنجیر اصلی پلی‌پروپیلن سبب سخت‌تر شدن حرکت و در نتیجه افزایش Tg  ترکیب می‌شود.

اثر جرم مولکولی

با افزایش جرم مولکولی، Tg ترکیب تا رسیدن به یک جرم مولکولی مشخص، معمولاً بین 25000 تا 75000 ادامه پیدا می‌کند. با افزایش جرم مولکولی، نسبت گروه‌های انتهایی به زنجیر میانی کاهش یافته و با کم‌شدن این نسبت، Tg ترکیب افزایش پیدا می‌کند. دمای انتقال شیشه‌ای یک پلیمر خاص، با ازدیاد وزن مولکولی افزایش می‌یابد. اغلب رزین‌های به‌کار رفته در تهیه پوشش‌های گرماسخت، وزن مولکولی نسبتاً کمی دارند و افزایش یا کاهش کوچکی در وزن مولکولی اثر قابل توجهی بر Tg رزین‌ها دارد. اجزای مولکولی کوچک، به مقدار قابل توجهی Tg رزین‌ را کاهش می‌دهند و در ساختار رزین به عنوان نرم‌کننده عمل می‌کنند.

اثر زنجیرهای جانبی

برخی از پلیمرها دارای زنجیرهای جانبی متصل به زنجیر اصلی هستند. اگر زنجیرهای فرعی، دارای اتم‌های زیاد، بلند و انعطاف‌پذیر باشند، Tg ترکیب کاهش پیدا می‌کند، مانند پلی n-بوتیل‌آکریلات با Tg=219K. با افزایش تعداد گروه‌های متیل از یک به چهار، Tg ترکیب از 120 -100 درجه سانتی‌گراد به 20 درجه سانتی‌گراد کاهش یافته است. اما اگر این زنجیرهای فرعی، کوتاه، توده‌ای و انعطاف‌ناپذیر باشند، اثر کمتری روی کاهش Tg داشته و در بسیاری از مواقع نیز موجب افزایش Tg می‌شوند، مانند پلی (t-بوتیل متاکریلات) با 74 = Tg درجه سانتی‌گراد. پلیمرهایی که در زنجیر اصلی خود پیوند کربن- کربن داشته و هیچ‌گونه گروه جانبی نیز ندارند، Tg بسیار کمی دارند ولی استخلافات حجیم و سخت در زنجیر، انعطاف‌پذیری و تمایل به چرخش در فضا را کاهش می‌دهند و موجب افزایش مقدار  Tg می‌شوند.

اثر شبکه‌ای شدن پلیمر بر Tg

شبکه‌ای شدن پلیمر، باعث افزایش Tg می‌شود، زیرا حرکت قطعه‌های پلیمری به سختی انجام می‌شود. افزایش Tg پلیمرهای شبکه‌ای شده با این عوامل کنترل می‌شود: 1- Tg قطعه‌های میان‌شبکه‌ای 2- چگالی پیوندهای عرضی 3- وجود گروه‌های انتهایی در ترکیب و وجود قطعه‌های حلقوی در ترکیب

تقارن:

تقارن ساختار پلیمر، پیکره و نحوه قرار گیری زنجیرها در کنار یکدیگر، بر حجم آزاد بین زنجیرهای جانبی و مقدار بلورینگی اثر می‌گذارد.

تبلور:

تبلور پلیمر موضعی است، یعنی زنجیرها فقط در برخی نواحی به طور منظم در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. در نتیجه از نقطه‌نظر اثر بر Tg، اثر عامل تبلور، مانند اثر شبکه‌ای شدن است. تفاوت اصلی بین شبکه‌ای شدن و تبلور، پاسخ این ترکیبات به گرماست. پلیمرهای شبکه‌ای در اثر گرما، دچار فرایندهای شیمیایی تخریب می‌شوند. اثر تبلور روی تغییرات Tg کمی ضعیف‌تر از اثر شبکه‌ای شدن روی آن است.

 

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان

 

کامپوزیت‌

بیشتر موادی که به صورت سنتی به عنوان کامپوزیت استفاده می‌شوند، دارای الیاف به عنوان فاز پرکننده می‌باشند. این مواد شامل پارچه‌ها و ورق‌های استفاده شده در رزین‌های فنولیک و پایه‌ی اوره فرمالدهید و الیاف شیشه در اپوکسی‌ها و یا پلی‌استرها هستند. بعضی از کامپوزیت‌ها که به عنوان کامپویت‌های با کارایی زیاد شناخته می‌شوند، شامل الیاف آرامید، کربن یا بور در رزین اپوکسی یا الیاف کربن در رزین‌های با مقاومت دمایی بالا نظیر پلی‌ایمید می‌باشند. دیگر کامپوزیت‌های پرشده با الیاف، شامل الیاف آزبست در رزین فنولیک و یا الیاف شیشه خرد‌شده کوتاه در گرمانرم‌های معمولی نظیر نایلون‌ها و پلی‌استایرن می‌باشند. الیاف تک‌بلوری بسیارقوی از اکسید آلومینیم یا کربید سیلیکون که ویسکرز نامیده می‌شوند، در ساخت قطعاتی که در صنایع هوافضا مورد استفاده قرار می‌گیرند، کاربرد دارند. پیشرفت‌های اخیر شامل استفاده از الیاف با کارایی بالا در گرمانرم‌هایی با مقاومت دمایی زیاد نظیر پلی(اتراترکتون) می‌باشد، در حالی‌که الیاف پلی‌اتیلن بسیار قوی و به‌شدت کشیده شده نیز برای استفاده در دمای متوسط بررسی شده‌اند.

اهمیت کامپوزیت‌های پرشده با الیاف از این واقعیت نشأت می‌گیرد که این مواد استحکام و سفتی بالای غیرمعمولی برای یک وزن مشخص از خود نشان می‌دهند. علاوه بر این، دو خاصیت را می‌توان در محدوده وسیعی با استفاده از ترکیب رزین الیاف به دست آورد. استحکام ویژه (استحکام کششی بر چگالی) و مدول ویژه ( مدول بر چگالی) این مواد حتی می‌تواند از بهترین فلزات نیز بیشتر باشد. بسیاری از کامپوزیت‌های پرشده با الیاف، ناهمسانگرد بوده و خواص فوق‌العاده‌ای را در یک جهت خاص نشان می‌دهند که از این خاصیت در طراحی‌های خاص استفاده‌های بسیار زیادی می‌شود.

الیاف با روش‌های مختلفی در کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود که عبارتند از:

  1. نمدهای اشباع‌شده از الیاف
  2. صفحاتی از ورقه‌های اشباع‌شده از الیاف آرایش‌یافته یا بافته‌شده
  3. رشته‌پیچی الیاف پیوسته پوشش‌داده شده با رزین در حول محورهای سه‌بعدی دوران برای شکل‌دادن یک قطعه
  4. الیاف بافته‌شده سه بعدی اشباع‌شده
  5. قالب‌گیری تزریقی یا فشاری پلیمرهای حاوی الیاف کوتاه

جزء اصلی در طراحی و ساخت، وجود یک ورقه حاوی الیاف پیوسته آرایش‌یافته در یک جهت است. این ورقه‌ها در جهات مختلف به‌هم چسبانده شده تا تشکیل صفحاتی با خواص کنترل‌شده و مشخص را بدهند که در کاربردهای خاص به بهترین صورت بارهای چندمحوری استاتیک و دینامیک را تحمل کنند.

مدول‌های کامپوزیت‌های پرشده با الیاف

بیشتر کامپوزیت‌های پرشده با الیاف، ناهمسانگرد بوده و این مواد حداقل دارای پنج یا شش مدول الاستیک مستقل می‌باشند اما چهار مدول برای این مواد، مدول مهم‌تر بوده و در بیشتر موقعیت‌ها در نظر گرفته می‌شوند که شامل موارد زیر می‌باشد:

1-    مدول یانگ طولی EL که در آن بار اعمال‌شده موازی با جهت الیاف می‌شود.

2-    مدول یانگ عرضی ET که در آن بار اعمال‌شده در جهت عمود بر آرایش الیاف می‌باشد.

3-    مدول برش طولی-عرضی GLT که در آن تنش برشی اعمالی در جهت الیاف می‌باشد.

4-    مدول برشی عرضی GTT که تنش برشی به صورت عمودی بر الیاف اعمال می‌شود.

استحکام کامپوزیت‌های پر‌شده با الیاف

بیشتر الیاف مورد استفاده در کامپوزیت‌ها شکننده هستند. با این وجود استفاده از الیاف انعطاف‌پذیر، مانند الیاف نایلون یا فولاد ضدزنگ، در بعضی مواقع مفید می‌باشد. الیاف انعطاف‌پذیر قادر به افزایش طول تا تسلیم ماتریس‌های انعطاف‌پذیر می‌باشند، در صورتی که الیاف شکننده این خاصیت را کاهش می‌دهند. با وجود یک ماتریس شکننده حتی استفاده از الیاف انعطاف‌پذیر نیز نمی‌تواند ازدیاد طول تا پارگی را افزایش دهد، زیرا تمرکز تنش بسیار زیادی در ترک‌های ماتریس به وجود می‌آید. مقادیر بالاتر ازدیاد طول تا پارگی با کاهش چسبندگی بین الیاف انعطاف‌پذیر و ماتریس شکننده قابل دستیابی است، چراکه از بین رفتن پیوندهای بین این دو فاز منجر به توزیع بیشتر تنش در طول الیاف می‌گردد.

استحکام کششی کامپوزیت‌ها به شدت متأثر از عواملی نظیر کامل بودن تراکم و آرایش یافتگی الیاف و نقص‌هایی نظیر حباب می‌باشد. پاول و تامسون متوجه شدند که استحکام کششی طولی کامپوزیت‎‌های رشته پیچ‌شده با حذف حباب‌ها تا دو برابر افزایش پیدا می‌کند. نقاط تماس بین الیاف مختلف، نقاط تمرکز تنش بوده که مخصوصا در جهت عرضی می‌توانند استحکام را کاهش دهند.

کامپوزیت‌های حاوی الیاف پیوسته و یا بلند را می‌توان از طریق فرایندهایی نظیر رشته پیچی ساخت. با این وجود، فرایندهای ساخت دیگر نظیر قالب‌گیری تزریقی به الیاف با طول کوتاه‌تر احتیاج دارند. استحکام کامپوزیت‌های حاوی الیاف غیرپیوسته که همه الیاف به‌دقت در یک جهت آرایش یافته‌اند، به‌ اندازه استحکام کامپوزیت‌های حاوی الیاف پیوسته نخواهد بود.

در تمام انواع کامپوزیت‌ها، حباب‌ها نقش تخریب‌کننده‌ای در استحکام صفحات خواهند داشت. رطوبت نیز باعث کاهش استحکام می‌شود، به‌خصوص وقتی که به‌صورت حباب بوده و یا مواد قابل استخراج را از صفحات خارج کند و یا زمانی که باعث کاهش پیوند بین سطحی شود. رطوبت می‌تواند باعث کاهش 70% در استحکام کششی گردد. با خشک‌کردن اگرچه تمام استحکام بازیابی نخواهد شد ولی بیشتر آن دوباره به‌دست خواهد آمد.

در بسیاری از لایه‌ها از جمله الیاف مورد استفاده در تایر، الیاف پارچه‌ای به الیاف نبافته ترجیح داده می‌شود. در لایه‌های دیگر مانند صفحه‌های روی میز ساخته‌شده از رزین ملامین، لایه‌های کاغذی استفاده می‌شوند.

به طور خلاصه، استحکام کششی و ضربه‌ای متأثر از طول الیاف و چسبندگی بین الیاف و ماتریس می‌باشند. برای رسیدن به استحکام بالا با کاهش پیوندهای چسبندگی، طول الیاف باید بلند باشد. از طرف دیگر استحکام ضربه تمایل به افزایش از خود با کاهش استحکام پیوندها و کاهش طول الیاف تا مقادیر محدودی نشان می‌دهند.

کامپوزیت‌های پر‌شده نواری

برای ساخت کامپوزیت‌های حاوی نوارهای آرایش‌یافته از همان روش‌های رشته‌پیچی که برای ساخت کامپوزیت‌های آرایش‌یافته تک محوری استفاده می‌شود، می‌توان استفاده کرد. سطح مقطع این کامپوزیت‌ها عموماً چهارگوش می‌باشد اما به شکل بیضی هم می‌تواند باشد. کامپوزیت‌های نواری در مقایسه با کامپوزیت‌های حاوی الیاف با سطح مقطع دایره‌ای دارای مزایایی هستند. کامپوزیت‌های نواری می‌توانند استحکام و سفتی بالاتری را در جهت عمود بر نوارها در یک صفحه از خود نشان دهند. مقاومت بسیار بالاتری برای سوراخ شدن با اشیاء تیز دارند. مزیت سوم این کامپوزیت‌ها، کاهش بسیار عبورپذیری گازها و مایعات نسبت به دیگر انواع کامپوزیت‎‌ها می‌باشد.

پلیمرهای پرشده با ذرات ورقه‌ای

این پلیمرها دارای بسیاری از مشخصات کامپوزیت‌های نواری هستند. پرکننده‌های ورقه‌ای نمونه‌ای شامل میکا، کائولین، گرافیت، ذرات ورقه‌ای شیشه‌ای، ذرات ورقه‌ای آلومینیوم و آلومینیم دی‌براید می‌باشند. در بیشتر روش‌های ساخت این کامپوزیت‌ها، این ذرات کم و بیش در یک صفحه آرایش می‌یابند. مواد با ذرات آرایش‌یافته ورقه‌ای در صفحه مقاومت بسیار بالایی را در مقابل نفوذ گازها و مایعات دارا می‌باشند و همچنین مقاومت بالایی در مقابل سوراخ شدن با اجسام تیز دارا هستند. اکثر این کامپوزیت‌ها، شکننده و دارای استحکام ضربه پایین می‌باشند. با این وجود این‌گونه مواد ممکن است کاملاً به ترک و شکاف غیر حساس باشند. پلاستیک و لاستیک‌های پر‌شده با ذرات ورقه‌ای اغلب دارای اتلاف مکانیکی بالایی می‌باشند. از این‌رو در مواد ضربه‌گیر از ذرات ورقه‌ای استفاده می‌شود.

کامپوزیت‌های نواری و کامپوزیت‌های پرشده با ذرات ورقه‌ای به علت همسانگردی تقریبی در یک صفحه دارای سودمندی‌های زیادی نسبت به کامپوزیت‌های لیفی آرایش‌یافته می‌باشند. با این وجود برای رسیدن به استحکام بهینه در این کامپوزیت‌ها، وجود یک ماتریس با خواص ویژه لازم می‌باشد. علاوه بر این، ساخت این گونه کامپوزیت‌ها بدون داشتن نواقص که برای استحکام بسیار مضر بوده کاری مشکل است. بسیاری از خواص قابل رقابت با کامپوزیت‌های نواری و کامپوزیت‌های پرشده با ذرات ورقه‌ای را می‌توان با ساخت کامپوزیت‌های صفحه‌ای با لایه‌های زیاد یا کامپوزیت‌های لیفی آرایش‌یافته در چند جهت یا الیاف آرایش‌یافته تصادفی در یک صفحه بدست آورد.

 

واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان