در صنعت پلاستیک پرکننده ها نقش مهمی را در رسیدن به استحکام، پایداری ابعادی، و دیگر خواص مورد نیاز برای کاربردهای مورد نظر، دارند. عمل کرد پلیمرهای تقویت شده نه تنها به مشخصات فیلر، بلکه به میزان پراکنش و نیز به بر هم کنش های ایجاد شده در سطح مشترک فیلر-پلیمر، بستگی دارد. پراکنش خوب پرکننده در یک رزین پلیمری برای دست یابی به عمل کرد مطلوب در کاربرد نهایی بسیار مهم است .به منظور پراکنش موثر ماده پرکننده، در ابتدا لازم است که در مورد عوامل پراکنده ساز و اتصال دهنده، چگونگی عمل کرد این مواد افزودنی در سطح پرکننده/پلیمر و نیز مزایای استفاده از آن ها در فرمولاسیون، در راستای ارائه عمل کرد بهتر و هزینه کمتر، بیش تر بدانیم.
چرا به عوامل پراکنده ساز و اتصال دهنده نیاز داریم؟
از چند دهه گذشته تا کنون، ترکیب مواد پرکنندهی معدنی و آلی در یک ماتریس پلیمری از اهمیت صنعتی قابل توجهی برخوردار بوده است. این افزودنی ها برای تولید کامپوزیت های جدید با خواص مطلوب جهت استفاده در کاربردهای خاص به ترکیب اضافه می شوند. رنگدانه ها، مواد پرکننده، و سایر مواد جامد با اندازه بسیار کوچک را می توان از طریق افزودن عوامل پخش کننده و عوامل اتصال، با سهولت بیشتری در ترکیبات پلاستیکی گنجاند.پخش کننده ها برای خیس کردن، پایداری و افزایش میزان افزودن رنگدانه ها و سایر مواد پرکننده بکار می روند. آنها معمولاً در کامپوزیت ها و نانوکامپوزیت ها برای موارد زیر استفاده میشوند: پراکنش مناسب و افزایش سطح بر هم کنش بین پرکننده مورد استفاده و ماتریس پلیمری بنابراین، عوامل پراکنده ساز و نیز عوامل اتصالدهنده به تولید یک سوسپانسیون پایدار کمک می کنند تا بتوان بدون همزدن مکانیکی انها را فرآیند کرد و در نتیجه تجمع ذرات را تا حد امکان کاهش داد. در همین راستا: انرژی مورد نیاز برای پراکنش کاهش و همگنی محصولات نهایی بهبود می یابد. بعلاوه، در نتیجه پراکنش بیش تر، استحکام رنگ رنگدانه ها افزایش می یابد و منجر به افزایش بازده آنها خواهد شد. در هر غلظتی، عوامل پراکنده ساز و عوامل اتصال دهنده می توانند به طور موثری فرآیندپذیری، خصوصیات مکانیکی و زیبایی پلاستیک ها را افزایش دهند.
مزایای استفاده از عوامل پراکنده ساز در کامپوزیت ها:
- ویسکوزیته کمتر/بهبود جریان پلیمر جهت افزایش بازدهی به معنی پر کردن بهتر قالب، تولید قطعاتی با دیوارهی نازک تر (نمودار پایین).
- افزایش استحکام ضربه
- تنش تسلیم و ازدیاد طول تا پارگی بالا
- استحکام رنگ بالاتر در نتیجهی پراکنش بهتر
- افزایش زیبایی
- مسدود شدن سطح پرکننده و عدم جذب مواد افزودنی دیگر از پلیمر
بهبور خواص ذکر شده پلاستیکها را مناسب استفاده در کاربردهایی نظیر موارد زیر میسازند:
- بستهبندی
- قطعات الکترونیکی
- اتومبیل
- هوافضا
- لوازم خانگی
سازوکار:
چسبندگی پلیمر به سطح پرکننده توسط عواملی بهبود می یابد که حداقل دارای دو گروه عاملی باشند. یک گروه به سطح پرکننده و گروه دیگر چسبندگی به پلیمر را ایجاد کرده و به طور مؤثری از تجمع ذرات پرکننده جلوگیری می کند.
ساختار کلی پراکنده ساز شامل یک گروه لنگر (A) است که باید به صورت شیمیایی با سطح فیلر پیوند برقرار کند و یک گروه بافر (B) که ذرات را از هم جدا کرده و در نتیجه ذرات به هم نمی چسبند. عوامل پراکنده ساز به ذرات می چسبند اما هیچ گونه برهم کنش قوی و خاصی با پلیمر اطراف ندارند. این مواد باعث افزایش همگنی شده و از ایجاد نقص هایی که در نقاط تجمع ذرات به وجود می آیند جلوگیری می کنند.
ساختار کلی عامل اتصال دهنده اما، از یک گروه لنگر (Anchor) (A)، یک گروه بافر/پل (Buffer/Bridge) (B) و یک گروه جفتکننده (Couplant) (C) تشکیل شده است. عوامل اتصال دهنده در اصل مولکول های هیدروکربن با زنجیره کوتاه هستند، که یک انتهای آن ها با پلیمر سازگار یا واکنش پذیر است در حالی که انتهای دیگر قادر به واکنش با الیاف یا پرکننده هاست.
این عوامل به ذرات می چسبند اما باید از طریق پیوندهای شیمیایی یا گره خوردگی های زنجیری به پلیمر هم متصل شوند تا استحکام را برای ماده به ارمغان بیاورند.
معمولاً الیاف یا ذرات پرکننده، قبل از قرار گرفتن در ماتریس پلیمر با عامل جفتکننده اصلاح شده و با یک لایه سطحی به صورت شیمیایی پوشش داده می شوند.
انواع پراکنده سازها
عوامل پراکنده ساز موجب بهینه شدن توزیع مواد پرکننده در ترکیبات می شوند. در طی فرآیند پراکنش، این مواد افزودنی به پوشاندن سطح تازه تشکیل شده از ذرات اولیه کمک می کنند. بدین ترتیب، آنها از تجمع و کلوخه شدن ذرات جلوگیری می کنند.
انواع پراکنده سازها مشابه انواع عوامل اتصال هستند چرا که در هر دو مورد، شیمی مورد نیاز برای اتصال ماده افزودنی به سطح پرکننده یکسان است.
انواع مختلف عوامل پراکنده ساز و عوامل اتصال دهنده شامل موارد زیر می شوند:
- ارگانوسیلان ها
- ارگانومتالیک ها (مانند تیتانات ها، آلومینات ها و زیرکونات ها)
- اسیدهای غیراشباع
- پلیمرهای دارای گروه عاملی اسیدی
- پراکنده سازهای پلیمری
- واکس ها ( پلی اتیلن، پلی پروپیلن، متالوسن، و …)
- و دیگر موارد…
هیچ عامل پخش کننده یا اتصال دهندهای مناسب همه سیستم های پرکننده-پلیمر نیست. برخی از این عوامل معمولاً بیش تر از سایرین کاربرد دارند، در حالی که برخی دیگر در موارد خاص استفاده می شوند.
عوامل اتصال دهنده و پخش کننده سیلانی
در طی اصلاح سطح یک ماده پر کننده یا رنگدانه با سیلان، یک واکنش بین گروه های عاملی ماده پرکننده یا رنگدانه (مانند گروه های OH) و گروه های آلکوکسی سیلان انجام می شود تا یک سطح عام لدار شده سیلانی ایجاد شود.
به منظور بهبود سازگاری پرکننده با ماتریس پلیمر، می توان سطح پرکننده را از طریق ایجاد برهمکنش های خاص یا واکنش شیمیایی بین گروه عاملی پلیمر و گروه عاملی آلی ارگانوسیلان، عاملدار کرد. عاملیت سیلان نیز باید متناسب با ماتریس پلیمر انتخاب شود.
اصلاح سیلانی همچنین به ایجاد یک لایه محافظ می انجامد که از کلوخه شدن مجدد ذرات جلوگیری می کند.
استفاده از عامل پخش کننده سیلانی در فرمولاسیون ترموپلاستیک، لاستیک و یا ترموست پرشده، مزایای زیادی به همراه دارد که در نهایت باعث فرآیندپذیری آسان تر و یا عمل کرد بهتر محصول نهایی می شود.
فرمول عمومی یک ارگانوسیلان دارای دو نوع گروه عاملی است:
(RnSiX(4-n
- R یک گروه عاملی آلی است که عامل اتصال را قادر به برقراری پیوند با رزین های آلی و پلیمرها می کند.
- X یک گروه قابل هیدرولیز، غالباً آلکوکسی، اسیلوکسی، آمین، و یا کلرین است.
یک عامل اتصالدهنده سیلانی در اصل به عنوان نوعی واسطه عمل کرده و سطح پرکننده را به ماتریس پلیمر متصل می کند. از طریق هیدرولیز، یک گروه فعال سیلانول تشکیل میشود که میتواند با سایر گروههای سیلانول از جمله گروههای روی سطح سیلیکا، سیلیس وسایر فیلرها (که در سطح خود گروه هیدروکسی دارند)، متراکم شده و پیوند سیلوکسان ایجاد کند. این ویژگی عوامل اتصال سیلانی را به گزینهای مناسب برای بهبود استحکام مکانیکی و سختی کامپوزیتها، ارتقای چسبندگی رزینها، و همچنین اصلاح سطح مبدل میکند.
پخشکنندهها و عوامل اتصال آلی فلزی (organometallic) (تیتانات ها، زیرکونات ها، آلومینات ها)
پخش کننده ها و عوامل اتصال آلی فلزی بعنوان پل های مولکولی در سطح مشترک بین فیلرهای معدنی (مانند CaCo3، BaSO4، گرافیت، تالک، دوده، سیلیکا، و اکسیدهای فلزی) و پلیمرها عمل کرده و غالباً به منظور افزایش انعطاف پذیری به کار برده می شوند.
در خانواده عوامل اتصال دهنده آلی فلزی، تیتانات ها بیش از زیرکونات ها و آلومینات ها دارای محبوبیت هستند.
عوامل اتصال دهنده آلی فلزی غالباً از طریق پیوند کووالانسی، نیروهای وندروالس و پیوند هیدروژنی پیوند برقرار می کنند و هم برای ترموپلاستیک ها و هم برای رزین های ترموست مناسب هستند. همان طور که در بالا ذکر شد، این مواد افزودنی بر روی پرکننده هایی مانند کربن سیاه، گرافیت، سولفات باریم و سایر مواد پرکننده بدون گروه هیدروکسی مؤثر هستند.
پراکنده سازهای پلیمری
پخش کننده های پلیمری، که به آن ها Hyperdispersants نیز گفته می شود، مواد پلیمری هستند که برای سطوح عمل کردی به مراتب بالاتر طراحی شده اند. این مواد به طور معمول دارای وزن مولکولی بالاتری هستند و این بدان معنی است که ممکن است حاوی چندین گروه لنگر و زنجیره های پایدارکننده باشند. پراکنده سازهای پلیمری می توانند متناسب با طیف وسیعی از رنگدانه ها یا مواد پرکننده و در محیط های مختلف طراحی شوند.
در مقایسه با محلول های پخش کننده استاندارد مانند استئارات و واکس، پراکنده سازهای پلیمری به دلیل ساختار و ویژگیهای خاصشان، مزایا و عملکرد بی نظیری را برای ترموپلاستیک ها، ترموست ها و رنگ دهنده های مایع ارائه می دهند. از جمله این مزایا می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- کیفیت بالاتر – استحکام بالای رنگ
- انعطاف پذیری بهبودیافته
- بهبود فرآیندپذیری و افزایش تولید
بهترین عوامل پراکنده ساز برای پرکننده های مختلف به ترتیب:
انواع مختلفی از پرکننده ها در دسترس هستند که هر کدام به عوامل پراکنده ساز و اتصال دهنده متفاوتی نیاز دارند. این پرکننده ها عبارتند از:
- دوده
- کلسیم کربنات
- سیلیکای رسوبی
- آلومینیوم هیدروکسید
- تالک
- کائولین
- و موارد دیگر…
