پلیمرهای مقاوم حرارتی – بخش اول: پلی‌اوره‌ها
در میان مواد پلیمری، برخی خواص مهندسی خاصی دارند. در این گروه که به پلیمرهای مهندسی معروف هستند، پلیمرهای مقاوم در برابر حرارت جایگاه ویژه‌ای را به خود اختصاص داده‌اند.
پلی‌اوره‌ها
از نظر ساختاری اوره همانند دی‌آمیدی است که از اسیدکربونیک مشتق شده است. پلی‌اوره‌ها در گروه ترکیبات درشت مولکول ناجور زنجیر که ساختار آن‌ها شامل گروه اوره‌ای است، دسته‌بندی می‌شوند. پلی‌اوره‌های خطی محصولات تراکمی ترموپلاستیک یا ساختارهای آروماتیکی و آلیفاتیکی هستند.
ساختار پلی‌اوره خطی (R گروه آریل یا آلکیل است)
در پلی‌اوره‌ها یا کوپلیمرهای شامل ساختارهای آلیفاتیکی اختلاف بین نقطه ذوب و شروع تخریب ۵۰ تا ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد است. این دسته از مواد برای قالب‌گیری استفاده می‌شوند. پلی‌اوره‌های آروماتیکی دمای ذوب و تخریب نزدیک به هم دارند. این دسته از مواد در بعضی حلال های آلی قابل حل هستند و در تهیه لاک‌ها، لعاب و روکش‌ها به کار می‌روند.
ساختار قطبی پلی‌اوره باعث می‌شود که نقطه ذوب بالاتری نسبت به پلی‌ایمیدهای مربوطه داشته باشند زیرا انسجام (چسبندگی) مولکول‌ها در آن‌ها بیش‌تر است. پلی‌اوره‌های آلیفاتیک نقطه ذوب پایین‌تری نسبت به پلی‌اوره‌های آروماتیک دارند. برای ساختارهای آلیفاتیک دمای انتقال شیشه‌ای زیر ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد و برای پلی‌اوره‌های آروماتیک بالای ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد است. پلی‌اوره‌ها با داشتن ساختار قطبی در حلالهای آلی کمتر حل می‌شوند. پلی‌اوره آلیفاتیک در حلال هایی نظیر فنل، کرزول و اسید استیک قابل حل هستند؛ اما پلی‌اوره‌های آروماتیک در حلالهای قطبی غیر پروتونی نظیر دی‌متیل‌فرمامید و N-متیل‌پیرولیدون قابل حل هستند.
پلی‌اوره‌ها پایداری حرارتی بالاتری نسبت به اوره‌ها و پایداری حرارتی پایین‌تری نسبت به پلی‌آمیدها دارند. پایداری حرارتی گروه اوره‌ای به فاز آن در دمای حرارتی وابسته است. برای مثال پلی‌هگزامتیلن‌اوره با نقطه ذوب ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد را می‌توان تا دمای ۲۶۰ درجه سانتی‌گراد بدون تخریب حرارت داد. پلی‌اوره‌ها در برابر هیدرولیز تحت شرایط اسیدی و بازی پایداری شیمیایی خوبی دارند.
کاربرد پلی‌اوره‌ها بسیار متنوع است. از پلی‌اوره‌ها در میکروکپسوله کردن علف‌کش‌ها، جوهرها، رنگ‌دانه‌ها، و داروها استفاده می‌شود. پلی‌اوره‌های شامل گروه کربوکسیلیک و سولفونیک، پلی‌الکترولیت‌هایی با خصوصیات آب‌دوستی و بافری هستند و به عنوان تعویض‌گر و یا مبدل یونی عمل می‌کنند که برای زدودن قیر، روغن و مواد دیگر از آب زائد از راه شناورسازی به کار می‌روند. همچنین از آن‌ها به عنوان عایق الکتریکی برای سیم‌های مسی با انعطاف‌پذیری بالا و مقاومت در برابر گرما و ساییدگی استفاده می‌شود.
انواع پلی‌اوره‌ها
هموپلی‌اوره‌ها، کوپلی‌اوره‌ها، پلی‌اوره‌های بلور-مایع، رزین‌های پلی‌اوره.
خواص پلی‌اوره‌ها
دمای ذوب
ساختار قطبی پلی‌اوره‌ها باعث می‌شود که نقطه ذوب بالاتری نسبت به پلی‌آمیدهای مربوطه داشته باشند زیرا انسجام (چسبندگی) مولکول در آن‌ها بیش‌تر است. پلی‌اوره‌های آلیفاتیک نقطه ذوب پایین‌تری نسبت به پلی‌اوره‌های آلیفاتیک نقطه ذوب پایین‌تری نسبت به پلی‌اوره‌های آروماتیک دارند. در پلی‌اوره‌های آلیفاتیک با افزایش گروه متیلن نقطه ذوب کاهش می‌یابد.
دمای انتقال شیشه‌ای
Tg به ساختار بستگی دارد و برای ساختارهای آلیفاتیک زیر ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد و برای پلی‌اوره‌های آروماتیک بالای ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد است.
حلالیت‌پذیری
پلی‌اوره‌ها به دلیل ساختار قطبی که دارند در حلالهای آلی کمتر حل می‌شوند، پلی‌اوره‌های آلیفاتیک در حلال‌هایی نظیر فنل، کروزول، و اسید استیک قابل حل هستند، اما پلی‌اوره‌های آروماتیک در حلالهای قطبی غیر پروتونی نظیر NMP، DMF قابل حل هستند. تقارن یا عدم تقارن مونومرهای آروماتیک در حلالیت پلی‌اوره‌ها مؤثر است.
جمع‌شدگی در طول پخت
چون شکل‌گیری پلی‌اوره‌های الاستومری بر اساس واکنش گرماسخت است، در طول پخت مقداری جمع‌شدگی خطی اتفاق می‌افتد. این انبساط/انقباض حرارتی به علت تغییرات دما نیست. مقدار کل جمع‌شدگی به ترکیبات فعال ایزوسیانات و اجزای ترکیب رزین بستگی دارد. حتی اگر سامانه‌های الاستومری، ازدیاد طولی بیش از ۲۰۰% داشته باشند، این افزایش جمع‌شدگی خطی ممکن است به حدی شدید باشد که گوشه‌ها و لبه‌های به کار گرفته شده را بپیچاند و منجر به تخریب شود. سامانه‌های الاستومری پلی‌اوره باید برای پوششها و کاربردهای مشخص، از پیش طراحی شوند.
مقاومت در برابر هوازدگی
از دیدگاه عمل‌کردی، سامانه‌های آروماتیکی پلی‌اوره مقاومت خوبی در برابر نور ماوراء بنفش دارند ولی حتی با استفاده از تثبیت‌کننده‌های نور UV و آنتی‌اکسیدان‌ها در محیط‌های بیرونی بعد از مدتی، کم‌رنگ یا بی‌رنگ می‌شوند.
سامانه‌های آلیفاتیکی پلی‌اوره، مقاومت عالی در برابر تخریب توسط اشعه ماورء بنفش دارند و برای انواع کاربردهای داخلی و بیرونی استفاده می‌شوند. با اصلاح سامانه‌های آروماتیکی و با قرار دادن ایزوسیانات‌ها یا زنجیر افزاینده‌های آلیفاتیکی، بهبود در ثبات رنگ به دست می‌آید. با این حال این پلیمرها هنوز هم ترکیبات آروماتیک در زنجیر اصلی پلیمر دارند و در عمل ثبات رنگی کاملی ندارند.
پایداری حرارتی
پلی‌اوره‌ها پایداری حرارتی بالاتری نسبت به پلی‌یورتان‌ها و پایداری حرارتی پاییین‌تری نسبت به پلی‌آمیدها دارند. پایداری حرارتی گروه اوره‌ای به فاز آن در دمای حرارتی وابسته است. برای مثال پلی‌هگزامتیلن‌اوره با نقطه ذوب ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد را می‌توان تا دمای ۲۶۰ درجه سانتی‌گراد بدون تخریب حرارت داد.
پایداری هیدرولیزی
پلی‌اوره‌ها از پایداری شیمیایی خوبی در برابر آب‌کافت تحت شرایط اسیدی و بازی برخوردارند.
کاربرد پلی‌اوره‌ها
پلی‌اوره‌ها کاربردهای متنوعی دارند. از پلی‌اوره‌ها در جوهرها، رنگ‌دانه‌ها، داروها و میکروکپسوله‌دار کردن علف‌کش‌ها و سولفونیک، پلی‌الکترولیت‌هایی با ویژگی آب‌دوستی و اثرات بافری هستند و به عنوان مبادله‌گر یونی عمل می‌کنند که برای زدودن قیر، روغن و مواد دیگر از آب زائد به طریق شناورسازی به کار می‌روند.
همچنین از آن‌ها به عنوان عایق الکتریکی سیم‌های مسی با انعطاف‌پذیری بالا و مقاومت در برابر گرما و ساییدگی استفاده می‌شود.
برای استخراج نفت از چاه‌های نفتی با تزریق پلی‌آمین و پلی‌ایزوسیانات در چاه، پلی‌اوره تولید می‌شود که در تجمع شن‌های روغنی و جلوگیری از ریزش و متورم شدن خاک رس نقش دارد. از پلیمرهای تجاری حاوی گروه اوره‌ای برای پوشش سطح استفاده می‌شود. کاربرد پلی‌اوره‌های بلورمایع در پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر، پیزوالکتریک‌ها، غشاهای نفوذناپذیر، مواد دارویی و مواد مقاوم در برابر آب‌کافت گزارش شده است.
سامانه‌های دو جزئی پوشش و لایه‌نشانی پلی‌اوره‌ای جدیدترین فناوری در صنعت پوشش و لایه‌نشانی به شمار می‌روند. سامانه‌های پلی‌اوره برخی مواقع به عنوان سامانه‌های دو جزئی اصلاح شده پلی‌یورتانی توصیف شده‌اند ولی با این که هر دو سامانه برخی ویژگی‌های مشترک دارند ولی سامانه پلی‌اوره به خودی خود فناوری منحصر به فردی است.
سامانه‌های دو جزئی پلی‌اوره، همانند سامانه‌های دو جزئی پلی‌یورتان عمل کرده معمولاً در کمتر از ۳۰ ثانیه، بدون استفاده از کاتالیست پخت شده خشک می‌شوند.
سرعت خشک شدن این سامانه‌ها منجر می‌شود که در طیف گسترده‌ای از شرایط محیطی، به شکل مقاوم و یکنواخت رفتار نمایند. زمان واکنش خشک شدن تقریباً مستقل از رطوبت محیط است. سامانه‌های پلی‌اوره معمولاً فاقد حلال یا ترکیبات آلی فرار هستند.
سامانه‌های پلی‌اوره با فعالیت کاهش‌یافته، واکنش کندتر و زمان پخت قابل تنظیم و اصلاح شده در زمینه درزگیر و سامانه‌های پرکننده کاربرد پیدا کرده‌اند.
پوشش‌های الاستومر پلی‌اوره از واکنش میان جزء ایزوسیانات و جزء مخلوط رزین به دست می‌آید، ایزوسیانات‌ها می‌توانند آروماتیک یا آلیفاتیک باشند و می‌توانند مونومر، پلیمر یا هر مخلوط افزایشی از ایزوسیانات پیش‌پلیمری باشند.
پیش‌پلیمر یا پیش‌پلیمر کاذب می‌تواند از رزین پلیمری با گروه پایانی آمینی یا رزین پلیمری با گروه پایانی هیدروکسیلی تشکیل شود.
مخلوط رزین باید از رزین پلیمری با گروه پایانی آمینی و یا زنجیرافزاینده‌های با گروه پایانی آمینی باشد. رزین پلیمری با گروه پایانی آمینی باید فاقد هر گونه بخش هیدروکسیلی باشد. وجود عانل هیدروکسیل نتیجه تبدیل ناقص به رزین پلیمری با گروه آمینی است.
همچنین ممکن است ترکیب رزین حاوی مواد افزودنی یا اجزای پرکننده باشد، این مواد افزودنی ممکن است شامل ترکیبات هیدروکسیل‌دار همانند رنگ‌دانه‌های پیش‌پراکنده در حامل پلی‌ال باشد.
پلی‌اوره ها به عنوان ماده چند منظوره مسدودکننده و درزگیر استفاده می‌شوند. پلی‌اوره‌ها درزگیرهایی منعطف و بادوام هستند که مانع ورود هوا می‌شوند و قابل استفاده در انواع درزهای ساختمان هستند. پلی‌اوره به دلیل خاصیت ازدیاد طول زیاد و استحکام کششی بالا برای پرکردن ترک پل‌ها مناسب است. زمان پخت سریع و عدم حساسیت به رطوبت برای نصب سریع‌تر، منجر به کاربردهای گسترده‌تر می‌شود.
پوشش‌های پلی‌اوره، مخازن فولادی از خوردگی، مواد شیمیایی و هوازدگی و عوامل محیطی حفاظت می‌کنند. پلی‌اوره‌ها برای افزایش طول عمر مخازن کارآمد بوده، ویژگی‌های ساختاری مناسبی ارائه می‌دهند. پوششها و آسترهای پلی‌اوره در مقابل بسیاری از مواد شیمیایی و صنعتی مقاوم هستند. با مزایای کاربرد سریع و توانایی چسباندن بسترهای آماده شده مناسب، پلی‌اوره‌ها برای پوشش اولیه مخازن ذخیره‌ساز گزینه ایده‌آلی هستند.
سامانه‌های کف‌پوش پلی‌اوره علاوه بر مزایای سامانه‌های کف‌پوش پلی‌یورتان، قابلیت نصب و کاربری سریع دارند.
پلی‌اوره‌ها برای محیط های پر رفت و آمد بسیار مقاوم و عالی هستند. آن‌ها در اتاق‌های تمیز/کثیف به عنوان عایق آب و پوشش محافظ برای جلوگیری از نظافت روزانه استفاده می‌شوند. در مکان‌های حساس، با طراحی کف‌پوش‌های پلی‌اوره‌ای بهبود یافته و انعطاف‌پذیر، می‌توان از آن‌ها به عنوان ضربه‌گیر برای محافظت از اشیایی که ممکن است روی کف بیفتند استفاده کرد.
برخی پلی‌اوره‌ها به علت خاصیت آب‌گریزی و مفاومت در برابر مواد شیمیایی معمولاً در قطعات ماشین استفاده می‌شوند. ماشین‌های باری سبک با پوششی از جنس پلی‌اوره از استحکام و مقاومت در مقابل سایش بهره‌مند می‌شوند. این ماشین‌ها معمولاً برای حمل بارهایی مانند زغال، شن و دیگر مواد سایشی استفاده می‌شوند.
همراهان عزیز می‌توانند جهت برقرای ارتباطات دوسویه، انتقال سوالات، نظرات و پیشنهادات سازنده خود از طریق پست الکترونیک زیر ما را یاری فرمایند.
info@fara-ps.com
لوله‌های پلی‌وینیل‌کلراید (PVC)
در زمان جنگ جهانی دوم، محققان آلمانی توانستند هنگام کمبود مواد اولیه ساخت لوله‌های معمولی از PVC برای ساخت لوله‌های آب استفاده کنند. در سالیان بعد، از نتایج این تحقیقات برای ساخت انواع محصولات از این ماده استفاده شد و به مرور فناوری تولید مواد اولیه آن از کشورهای پیش‌رفته به کشورهای در حال توسعه مانند ایران انتقال یافت.
امروزه کاربرد لوله‌های PVC در شبکه‌های انتقال آب و سامانه فاضلاب جایگاه خاصی دارد. این لوله‌ها به دلیل ارزان بودن و امکان نصب آسان در سامانه فاضلاب بیش‌ترین مصرف را دارند.
از لوله‌های PVC در شبکه‌های فاضلاب، آب باران، آب آشامیدنی، لوله‌های چاه، شبکه‌های برق و لوله‌های عبور مواد شیمیایی در دمای پایین‌تر از ۷۰ درجه سانتی‌گراد استفاده می‌شود.
بررسی شیمیایی و مکانیکی حاصل از لوله‌های PVC نشان می‌دهد، گریدهای مختلف PVC کاربردهایی خاص دارند. PVC با گریدهای S68، بیش‌تر برای لوله‌های تأسیسات ساختمان و گریدهای پایین‌تر برای لوله‌های محافظ کابل‌های مخابراتی به کار می‌روند.
برای اتصال دو لوله PVC می توان از چسب یا اتصالات O-ring استفاده کرد. همچنین برای اتصال لوله‌ها، به ماشین‌آلات نیازی نیست حال آن که برای اتصال دو لوله پلاستیک گرمانرم دیگر باید آن‌ها را به روش جوش لب به لب و یا الکتروفیوژن به هم جوش داد که هر دو روش نیاز به تجهیزات گران‌قیمت دارند. بنابراین نصب و جای‌گذاری لوله‌های PVC در زیر زمین از لوله‌های انعطاف‌پذیر آسان‌تر است.
- لوله و اتصالات PVC تحت فشار
PVC بیش‌ترین محدوده کاربرد را در سامانه لوله‌کشی و از سایر پلاستیک‌ها رشد بالاتری دارد. PVC مقاومت شیمیایی خوبی در برابر طیف وسیعی از سیالات خورنده دارد اما ممکن است در برابر کتون‌ها، آروماتیک‌ها و برخی هیدروکربنهای کلردارشده آسیب ببیند. دو گونه اصلی PVC در تولید لوله و اتصالات به کار می‌رود نوع ۱ و نوع ۲ (ASTM D 1784) نوع ۱ PVC سخت یا UPVC است که شامل حداقل کمک‌فرآیندها و افزودنی‌هاست و با این که شکننده است، حداکثر استحکام کششی، استحکام خمشی، مدول الاستیسیته و مقاومت شیمیایی را دارد. همچنین حداکثر دمای سرویس‌دهی تحت تنش در حدود ۶۵ درجه سانتی‌گراد و انبساط حرارتی پایین‌تر از نوع ۲ دارد. PVC نوع ۲، PVC منعطف است و استحکام کششی و خمشی، مدول الاستیسیته، پایداری و مقاومت شیمیایی پایین‌تری از PVC نوع ۱ دارد.
پلی‌وینیل‌کلراید کلردار شده یا CPVC مشابه با PVC نوع ۱ است اما مزیت آن تحمل دما تا ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد است. به خاطر هزینه بالاتر CPVC از PVC نوع ۱ کاربرد آن به انتقال سیالات داغ منحصر می‌شود.
CPVC در دمای ۲۳ درجه سانتی‌گراد خواص فیزیکی مشابهی با PVC دارد ولی مقاومت شیمیایی آن از PVC بهتر است. به خاطر دمای کاربردی بیش‌تر CPVC از PVC، برای سیالات خورنده گرم، سامانه توزیع آب سرد و گرم و کاربردهای مشابه با PVC البته در دماهای بالا مناسب است.
استاندارد استفاده شده برای لوله و اتصالات UPVC و CPVC تحت فشار استاندارد ASTM D 3915 است. این استاندارد ویژگی‌های مخلوط‌های PVC سخت به کار رفته در سامانه لوله و اتصالات تحت فشار و سایر متعلقات لوله را در برمی‌گیرد.
- لوله و اتصالات PVC بدون فشار
این لوله‌ها در سامانه فاضلاب و آب آشامیدنی ساختمان‌های مسکونی و صنعتی به کار می‌روند. از استاندارد D4396 برای لوله و اتصالات UPVC و CPVC بدون فشار استفاده می‌شود. این استاندارد ویژگی‌های ترکیب‌ها و مخلوط‌های UPVC و CPVC به کار رفته در سامانه لوله و اتصالات بدون فشار و سایر متعلقات لوله را در برمی‌گیرد. از لوله‌های فاضلاب PVC برای تخلیه فاضلاب و آب در بیرون ساختمان، زمانی که چقرمگی، پایداری ابعادی، مقاومت در برابر پیرشدگی و اتصالات بسیار محکم و سفت لازم است، استفاده می‌شود.
در دهه اخیر لوله‌های PVC برای سامانه‌های فاضلاب در اروپا ماده‌ای مناسب شده است به طوری که در سال ۱۹۹۹ بیش از ۱ میلیون تن PVC بیش‌تر از سایر پلیمرها در سامانه فاضلاب استفاده شده است و سایر کاربردهای لوله‌های PVC را تحت‌الشعاع قرار داده است. لوله و اتصالات PVC بیش از لوله و اتصالات پلی‌پروپیلن در سامانه‌های فاضلاب به کار می‌روند. این لوله‌ها می‌توانند در مناطق شهری شامل بزرگ‌راه‌ها و یا در زمین‌های زراعتی به صورت روباز یا زیرخاکی به کار می‌روند.
- لوله و اتصالات پی‌وی‌سی در سامانه فاضلاب ساختمان
لوله و اتصالات PVC سبک و منعطف‌اند و به راحتی نصب و سر هم می‌شوند و مقاومت شیمیایی و مقاومت در برابر خوردگی عالی دارند. این لوله‌ها در کاربردهای بدون فشار، جایی که دمای عملیاتی بیش‌تر از ۶۰ درجه سانتی‌گراد نباشد، به کار می‌روند.
استاندارد D2665 برای لوله و اتصالات PVC سامانه فاضلاب استفاده می‌شود و ویژگی‌های لوله و اتصالات مناسب را برای تخلیه سامانه فاضلاب مسکونی دربرمی‌گیرد.
همراهان عزیز می‌توانند جهت برقرای ارتباطات دوسویه، انتقال سوالات، نظرات و پیشنهادات سازنده خود از طریق پست الکترونیک زیر ما را یاری فرمایند.
info@fara-ps.com
لوله‌های پلی‌پروپیلنی (Polypropylene Pipe)
لوله‌های بر پایه پلی‌پروپیلن سبک‌ترین مواد پلاستیکی (با چگالی gr/cm3 0/9 هستند و به طور کلی مقاومت شیمیایی بهتری از سایر پلاستیک‌ها دارند. ساختار مولکولی انواع لوله‌های پلی‌پروپیلن سبب شده که مقاومت این لوله‌ها در برابر سیال‌های مختلف به نوع سیال اعم از بازی و یاد اسیدی بودن و میزان سختی موجود در آن و همچنین مقدار دما و شرایطی محیطی بسیار وابسته باشد. این لوله‌ها به دلیل مقاومت بالا در شرایط گرمایی برای حمل سیالات مختلف با دمای خاص کاربرد فراوانی پیدا کرده‌اند. لوله‌های پلی‌پروپیلنی در سامانه‌های تخلیه مواد شیمیایی (معمولاً اسیدها) گاز طبیعی، سوخت‌های روغنی و خطوط آب آشامیدنی استفاده می‌شوند. حداکثر دما برای کاربرد لوله‌های بدون فشار ۹۰ درجه سانتی‌گراد است. این لوله‌ها از طریق جوش یا ذوب حرارتی اتصال می‌یابند.
لوله‌های پلی‌پروپیلن را می‌توان در شبکه‌های لوله‌کشی تحت فشار نیز به کار برد ولی دامنه کاربردشان به خطوط فشار پایین (مصارف داخل ساختمان لوله‌کشی آب سرد و گرم بهداشتی) منحصر می‌شود. امروزه از این لوله‌ها در انتقال مواد شیمیایی و سامانه فاضلاب نیز استفاده می‌شود. بیش‌ترین دمایی را که این لوله‌ها می‌توانند تحمل کنند ۹۰ درجه سانتی‌گراد است.
پلیمرهایی از نوع PP-H (هموپلیمر) به علت استفاده از مواد پلی‌پروپیلن با درصد بالاتر از PP-R (رندوم کوپلیمر) باید مقاومت فشار داخلی پایین‌تری داشته باشند. آزمایش سختی نشان می‌دهد این مواد سختی بیش‌تری دارند. همچنین مدول الاستیسیته بیش‌تر PP-H و تنش تسلیم بالاتر (در حدود ۳۵ مگاپاسکال) باعث شده است که از این نوع پلی‌پروپیلن در سامانه‌های فاضلاب بیش‌تر استفاده شود.
طبق ISO 15874 و نیز DIN4726 از پلیمر PP-R به علت مقاومت گرمایی و تحمل حرارتی (۷۰ درجه سانتی‌گراد و در فشار کاری ۱۰ اتمسفر و در ۱۰۰ ساعت) می‌توان در سامانه گرایش کفی و رادیاتورها استفاده کرد. برای استفاده باید شرایط کاربری مخصوص هر پلیمر پس از طی آزمایش‌هایی مانند نفوذناپذیری در برابر اکسیژن (که طبق استاندارد فوق در درجه حرارت ۴۰ درجه سانتی‌گراد، باید کمتر از gr/m3.d 0/1 باشد) مشخص شود. آزمایش دیگر آزمایش درجه حرارت بازیافت (Recycle Temperature) است. همچنین انتخاب مواد ضد خوردگی برای کل سامانه و یا بخشی از سامانه که با آب تماس دارد و یا استفاده از رزین‌های اپوکسی یا پلیمر اتیلن‌وینیل‌الکل به عنوان لایه محافظ گاز اکسیژن نیز باید مد نظر قرار گیرد.
طبق استاندارد جدید ISO 15874، لوله‌های پلی‌پروپیلن در کلاس‌های کاری ۱، ۲، ۴ و ۵ طبقه‌بندی شده اند. این استاندارد بیان‌گر این نکته است که با رعایت شرایط ذکر شده در این استاندارد می‌توان این نوع لوله‌ها را در تمام مصارف ساختمانی جای‌گزین لوله‌های فلزی کرد (به جز انتقال بخار). آن‌چه طبق این استاندارد اهمیت دارد چگونگی محاسبه عمر مفید لوله‌های پلی‌پروپیلن در سامانه‌های گرمایش است که در این‌جا برای یک دوره کاری ۵۰ ساله توضیح داده می‌شود. عملاً ۱۴ سال از یک دوره ۵۰ ساله آب درون این لوله‌ها با دمایی حدود ۲۰ درجه سانتی‌گراد عبور می‌کند (زیرا قطعاً ۳/۵ ماه از پکیج‌ها خاموش است و تهیه آب گرم برای سامانه شوفاژ معنایی ندارد و این به معنی ۱۴ سال از ۵۰ سال است) . در همین دوره ۵۰ ساله حداکثر ۲۵ سال آب درون لوله‌ها با دمای ۶۰ درجه سانتی‌گراد برای مصرف استحمام عبور می‌کند. در حداکثر ۱۰ سال از دوره ۵۰ ساله آب با درجه ۸۰ درجه سانتی‌گراد عبور می‌کند. در نهایت به مدت یک سال به صورت دائمی آب با دمای ۹۰ درجه سانتی‌گراد عبور می‌کند و در همین دوره می‌توان ۱۰۰ ساعت آب ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد را عبور داد.
برای کلاس‌های دیگر مانند کلاس کاری شماره ۴ که برای سامانه گرمایش کفی کاربرد دارد، می‌توان یک دوره ۵۰ ساله را بررسی کرد. تنها در ۲/۵ سال از یک دوره ۵۰ ساله، آب با دمای ۴۰ درجه سانتی‌گراد، در حداکثر ۲۵ سال آب با دمای ۶۰ درجه سانتی‌گراد، ۲/۵ سال آب با دمای ۷۰ درجه سانتی‌گراد و در حداکثر ۱۰۰ ساعت آب با دمای ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌تواند در این لوله‌ها جریان داشته باشد. برای دوره‌های دیگر هم می‌توان جدول زمانی کاری تعریف کرد.
همراهان عزیز می‌توانند جهت برقرای ارتباطات دوسویه، انتقال سوالات، نظرات و پیشنهادات سازنده خود از طریق پست الکترونیک زیر ما را یاری فرمایند.
info@fara-ps.com
کاربرد پلاستیک‌ها در لوازم خانگی – بخش پنجم: پلیمر پلی‌استایرن ضربه‌پذیر
ساختمان شیمیایی و برخی از خواص فیزیکی-مکانیکی پلیمرهای PS در زیر آمده است
پلی‌استایرن (PS)، قریب به یک قرن است که به خوبی شناخته شده است ولیکن ماهیت مولکولی آن تا حدود سال ۱۹۲۰، مشخص نشده بود تا این که در همین سال اشتاودینگر (Staudiger)، ساختار مولکولی این ماده را توصیف کرد. در اواخر دهه ۱۹۳۰، به طور تجاری تولید شد. پلی‌استایرن، یکی از متداول‌ترین رزینن‌های ترموپلاستیک آمورف تجاری و اقتصادی است که محدوده وسیعی از خواص متعادل فیزیکی-مکانیکی را داراست و قیمت جذابی هم دارد که نظر فروشندگان و سرمایه‌گذاران را برای تولید به خود جلب می‌کند.
پلی‌استایرن به سه نوع تقسیم می‌شود. ۱) پلی‌استایرن با کاربرد عام (General Purpose Polystyrene: GPPS)، ۲) پلی‌استایرن قابل انبساط (EPS) 3)پلی‌استایرن با مقاومت ضربه‌ای بالا (HIPS).
مواد اولیه لازم برای سنتز مونومر پلی‌استایرن، اتیلن و بنزن می‌باشند که در فرآیند سنتز با هم واکنش می‌دهند تا اتیل‌بنزن تشکیل شود که در ادامه فرآیندهای بیش‌تری (دیهروژناسیون) بر روی آن انجام می‌شود تا به مونومر وینیل بنزن یا همان استایرن (Styrene) تبدیل شود، مواد اضافی دیگر، اکریلونیتریل (AN) و لاستیک بوتادیان می‌باشد.
با استفاده از واکنش گرمایی یا کاتالیز شده مونومر استایرن، فرآیند پلیمریزاسیون آن آغاز می‌شود تا پلیمری آمورف تولید شود. برای بخشیدن و ایجاد خواص مطلوب در PS، افزودنی‌های گوناگونی به آن اضافه می‌شود، همانند لاستیک‌ها، نرم‌کننده‌ها، عوامل آزادکننده یا رهاکننده و پایدارکننده‌ها. همچنین در فرمولاسیون‌های بر پایه PS از گروه‌های مختلف افزودنی دیگر همچون رنگین‌سازها، تأخیراندازهای شعله (FRs)، پایدارکننده‌های UV، یا اصلاح‌کننده‌های ضربه، استفاده می‌شود. نوعاً GPPS، به علت شفافیت، صلب و سخت بودن و مناسب بودن با کاربردهای گوناگون انتخاب می‌شود. وقتی که به انعطاف‌پذیری بیش‌تر یا مقاومت ضربه‌ای زیاد نیاز باشد، از HIPS استفاده می‌شود. این ماده شامل پلیبوتادیان به عنوان عامل کوپلیمریزاسیون به منظور افزایش چقرمگی می‌باشد که سبب مات و کدر شدن رنگ محصول می‌گردد.
مزایای پلی‌استایرن
- شفافیت بالا
- جلا و برق بالا
- انواع تأیید شده توسط اداره غذا و داروی آمریکا در دسترس می‌باشند.
- از طریق تمام روش‌های فرآیند نمودن ویژه بسپارهای گرمانرم، می‌توان آن‌ها را فرآیند نمود و شکل داد.
- قیمت پائینی دارند
- پایداری ابعادی خوب
- صلبیت و عدم انعطاف‌پذیری خوب
معایب و محدویدیت‌های پلی‌استایرن
- قابل اشتعال ولی انواع FR از آن در دسترس می‌باشند.
- مقاومت ضعیف در برابر حلال و از طریق بیش‌تر مواد شیمیایی تحت حمله قرار می‌گیرند.
- هموپلیمرها شکننده می‌باشند.
- در معرض ایجاد ترک‌ها و شکاف‌های ناشی از تنش و محیط عمل قرار دارند.
- پایداری حرارتی ضعیف
کاربردهای نوعی پلی‌استایرن
- ظروف مصرفی تنها، همانند بشقاب‌ها، لیوان‌ها، فنجان‌ها
- کالاهای مقاوم مصرفی همانند ظروف خانگی و قوطی‌ها یا مخازن نگه‌دارنده ویژه مواد آرایشی
- ورقه‌های جامد اکسترود شده، ورقه‌های فوم شده یا جهت داده شده در دو سو برای شکل دادن حرارتی، از آمیزه‌های مخلوط شده با کوپلیمر دسته‌ای استایرن‌بوتادی‌ان رابر در جاهایی که شفافیت و چقرمگی مطلوب است استفاده می‌شود.
- ورقهای پلاستیکی در نقش پرده مقابل دوش حمام یا سطح قابل چاپ به راحتی رنگ می‌شود.
- کالاهای بسته‌بندی فوم شده ویژه مواد غذایی همانند سینی‌ها، مخازن قابل تعویض، عایق‌بندی ساختمان و مواد به کار رفته در مصالح ساختمانی و صنعت ساختمان
- کالاهایی که در تماس مستقیم با مواد غذایی هستند و از PS جهت داده شده ساخته شده اند، همانند قوطی‌های نگهداری کلوچه و سبدها یا سینی‌های سبزیجات
- قطعات قالب‌گیری شده و اجزای داخلی یخچال‌ها و لوازم خانگی دیگر، کالاهای مقاوم مصرفی همانند ظروف خانگی
خواص مکانیکی مواد قالب‌گیری پلی‌استایرن شکننده با افزودن لاستیک‌ها و به طور کلی پلیبوتادیان بهبود می‌یابد. به مواد قالب‌گیری استایرن-بوتادیان، پلی‌استایرن ضرببه‌پذیر گفته می‌شود. فرآیندهای تولید پلی‌استایرن ضربه‌پذیر بر اساس اختلاط مواد قالب‌گیری پلی استایرن با یک ترکیب لاستیکی است. این سامانه دو فازی شامل فاز لاستیکی و فاز پلی‌استایرن پیوسته است. پلیمر شدن محلول استایرن-پلیبوتادیان مؤثرتر است و به دلیل امتزاج‌ناپذیری پلی‌استایرن و پلیبوتادیان سامانه دو فازی تشکیل می‌شود. پلی‌استایرن فاز پیوسته (زمینه) و پلیبوتادیان فاز پراکنده را تشکیل می‌دهد که به عنوان پلیمری تجاری مطرح در دنیا هزاران کاربرد دارد. افزودنی‌های مورد استفاده در مواد قالب‌گیری پلی‌استایرن نیز در پلی‌استایرن ضربه‌پذیر به کار می‌روند. ضد اکسنده‌ها برای پایدار کردن لاستیک و بازدارنده‌های اشتعال برای کاربردهای ویژه افزوده می‌شوند. قطر ذرات لاستیک در پلی‌استایرن ضربه‌پذیر برابر با ۱۰-۱ میکرومتر است. این ذرات، نور مرئی را پراکنده می‌کنند در نتیجه شفافیت مواد قالب‌گیری پلی‌استایرن از بین می‌رود. در اثر کوپلیمر شدن قطعه‌ای آنیونی استایرن و بوتادیان، پلی‌استایرن از بین می‌رود. در اثر کوپلیمر شدن قطعه‌ای آنیونی استایرن و بوتادیان، پلی استایرن ضربه‌پذیر شفاف تهیه می‌شود و قطعه‌های متفاوت جدایی فاز پیدا می‌کنند. اما به جای ذرات جدا، ساختارهای لایه‌ای تشکیل می‌شود. ضخامت این لایه‌ها کمتر از اندازه ذرات در پلی‌استایرن ضربه پذیر است، به طوری که پخش نور در مرزهای فازی روی نمی‌دهد.
محصولات پلی‌استایرن ضربه‌پذیر بر خلاف پلی‌استایرن با کاربرد عام مقاومت به ضربه خوب، پایداری ابعادی و صلبیت عالی دارند. معایب پلی‌استایرن ضربه‌پذیر، خواص ضعیف در دمای زیاد، خواص حفاظتی اکسیژن ضعیف، پایداری نسبتاً کم در برابر نور فرابنفش و مقاومت شیمیایی کمتر نسبت به مواد بلوری است.
پلی‌استایرن ضربه‌پذیر به دلیل سهولت ساخت و قیمت کم آن برای کاربردهای زیادی استفاده می‌شود. این پلیمر در صنایع بسته‌بندی، خودرو، ارتباطات، رایانه، پزشکی، وسایل و کالاهای الکترونیکی، اسباب‌بازی‌ها و لوازم سرگرمی، محصولات ساختمانی و مبل‌ها، کاربرد دارد. بزرگ‌ترین استفاده پلی‌استایرن ضربه‌پذیر در صنعت بسته‌بندی به ویژه بسته‌بندی غذاست.
پلی‌استایرن ماده‌ای گرمانرم و شکننده است که افزایش لاستیک به این پلیمر مقاومت ضربه‌ای آن را به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌دهد. موفقیت تجاری پلی‌استایرن ضربه‌پذیر مربوط به سهولت ایجاد سامانه‌های پلیمری است که خواص چقرمگی، صلبیت، مقاومت واپیچش گرمایی و رفتار جریانی دارند.
با کاهش دما استحکام کششی پلی‌استایرن ضربه‌پذیر افزایش می‌یابد و با افزایش سرعت کرنش زیاد می‌شود. رفتار تنش-کرنش پلی‌استایرن ضربه‌پذیر به دما و سرعت تغییر شکل بستگی دارد. با کاهش دما و افزایش سرعت تغییر شکل، ازدیاد طول تا پارگی پلی‌استایرن ضربه‌پذیر کاهش می‌یابد. در حالی که استحکام کششی رابطه عکسی را نشان می‌دهد. اثر دما به نحو چشم‌گیری بیش از سرعت تغییر شکل است.
پلی‌استایرن ضربه‌پذیر شبیه جامد ویسکوالاستیک رفتار می‌کند. این پلیمر در اثر تنشی کششی ثابت، دچار خزش می‌شود، خزش با افزایش وزن مولکولی کاهش و با ازدیاد مقدار لاستیک افزایش می‌یابد. رفتار خزشی پلی‌استایرن ضربه‌پذیر به شدت به متوسط وزن مولکولی بستگی دارد. در تنش پارگی، رزین‌هایی با وزن مولکولی بیش‌تر، محکم‌تر پیچیده می‌شوند که باعث افزایش ازدیاد طول تا پارگی در انتشار تنش می‌شود. مقاومت واپیچش گرمایی پلی‌استایرن ضربه‌پذیر به شکل، شرایط و نوع منبع گرمایی و مدت زمان گرم کردن آن و نیز نوع پلی‌استایرن ضربه‌پذیر در نمونه بستگی دارد.
پلی‌استایرن ضربه‌پذیر پلیمر ی غیر قطبی با خواص عایق الکتریکی خیلی خوب است و وابستگی خواص دی‌الکتریک به دما و بسامد درآن وجود ندارد. شبیه همه گرمانرم‌ها، پلی‌استایرن ضربه‌پذیر سیالی غیر نیوتنی است. به این معنی که ویسکوزیته علاوه بر دما به سرعت برش نیز بستگی دارد. در نتیجه سرعت جریان با افزایش فشار زیاد می‌شود.
پلی‌استایرن ضربه پذیر در برابر آب، بازها، و اسیدهای معدنی رقیق پایدار است. این پلیمر در تعدادی از حلالهای آلی متورم شده و در بسیاری از حلال‌ها حل می‌شود و در مجاورت با هیدروکربنهای کلردار و آروماتیک آسیب می‌بیند.
پلی‌استایرن ضربه‌پذیر سامانه پلیمری دو فازی است که خواص آن بستگی به ارتباط پیچیده بین عوامل زیر دارد:
- وزن مولکولی فاز پیوسته و توزیع وز مولکولی
- نوع الاستومر مورد استفاده
- نسبت حجمی فاز الاستومر
- اندازه ذرات الاستومر و توزیع اتدازه ذارت
- ساختار ذره الاستومر
- چگالی پیوند عرضی پلیمر پیوندی
- غلظت افزودنی‌ها
وزن مولکولی پلی‌استایرن خواص مکانیکی، رئولوژیکی و گرمایی آن را تحت تأثیر قرار می‌دهد. ویسکوزیته مذاب و ارتباط بین ساختار پلیمر و قابلیت فرآورش به وسیله وزن مولکولی کنترل می‌شود، با افزایش وزن مولکولی فاز پلی‌استایرن پیوسته، ویسکوزیته مذاب زیاد می‌شود.
مشابه سایر پلیمرهای آلی، پلی‌استایرن ضربه‌پذیر در اثر گرم شدن در مجاورت اکسیژن تخریب می‌شود. شواهد ماکروسکوپی تخریب، شامل تغییر رنگ، تشکیل ژل، کاهش استحکام مکانیکی، افزایش جریان یا کاهش ویسکوزیته است. در مورد آخر از کاهش وزن مولکولی پلیمر نتیجه می‌شوند.
همراهان عزیز می‌توانند جهت برقرای ارتباطات دوسویه، انتقال سوالات، نظرات و پیشنهادات سازنده خود از طریق پست الکترونیک زیر ما را یاری فرمایند.
info@fara-ps.com
کاربرد پلاستیک‌ها در لوازم خانگی – بخش چهارم: پلیمر پلی‌استایرن انبساط یافته (EPS)
ساختمان شیمیایی و برخی از خواص فیزیکی-مکانیکی پلیمرهای PS در زیر آمده است
پلی‌استایرن (PS)، قریب به یک قرن است که به خوبی شناخته شده است ولیکن ماهیت مولکولی آن تا حدود سال ۱۹۲۰، مشخص نشده بود تا این که در همین سال اشتاودینگر (Staudiger)، ساختار مولکولی این ماده را توصیف کرد. در اواخر دهه ۱۹۳۰، به طور تجاری تولید شد. پلی‌استایرن، یکی از متداول‌ترین رزین‌های ترموپلاستیک آمورف تجاری و اقتصادی است که محدوده وسیعی از خواص متعادل فیزیکی-مکانیکی را داراست و قیمت جذابی هم دارد که نظر فروشندگان و سرمایه‌گذاران را برای تولید به خود جلب می‌کند.
پلی‌استایرن به سه نوع تقسیم می‌شود. ۱) پلی‌استایرن با کاربرد عام (:GPPS: General Purpose Polystyrene)، پلی‌استایرن قابل انبساط (EPS: Expanded Polystyrene)، پلی‌استایرن با مقاومت ضربه‌ای بالا (HIPS: High Impact Polystyrene).
مواد اولیه لازم برای سنتز مونومر پلی‌استایرن، اتیلن و بنزن می‌باشند که در فرآیند سنتز با هم واکنش می‌دهند تا اتیل‌بنزن تشکیل شود که در ادامه فرآیندهای بیش‌تری (دی هیدروژناسیون) بر روی آن انجام می‌شود تا به مونومر وینیل بنزن یا همان استایرن (Styrene) تبدیل شود، مواد اضافی دیگر، اکریلونیتریل (AN) و لاستیک بوتادیان می‌باشد.
با استفاده از واکنش گرمایی یا کاتالیز شده مونومر استایرن، فرآیند پلیمریزاسیون آن آغاز می‌شود تا پلیمری آمورف تولید شود. برای بخشیدن و ایجاد خواص مطلوب در PS، افزودنی‌های گوناگونی به آن اضافه می‌شود، همانند لاستیک‌ها، نرم‌کننده‌ها، عوامل آزادکننده یا رهاکننده و پایدارکننده‌ها. همچنین در فرمولاسیون‌های بر پایه PS از گروه‌های مختلف افزودنی دیگر همچون رنگین‌سازها، تأخیراندازهای شعله (FRs)، پایدارکننده‌های UV، یا اصلاح‌کننده‌های ضربه، استفاده می‌شود. نوعاً GPPS، به علت شفافیت، صلب و سخت بودن و مناسب بودن با کاربردهای گوناگون انتخاب می‌شود. وقتی که به انعطاف‌پذیری بیش‌تر یا مقاومت ضربه‌ای زیاد نیاز باشد، از HIPS استفاده می‌شود. این ماده شامل پلیبوتادیان به عنوان عامل کوپلیمریزاسیون به منظور افزایش چقرمگی می‌باشد که سبب مات و کدر شدن رنگ محصول می‌گردد.
مزایای پلی‌استایرن
- شفافیت بالا
- جلا و برق بالا
- انواع تأیید شده توسط اداره غذا و داروی آمریکا در دسترس می‌باشند.
- از طریق تمام روش‌های فرآیند نمودن ویژه بسپارهای گرمانرم، می‌توان آن‌ها را فرآیند نمود و شکل داد.
- قیمت پائینی دارند
- پایداری ابعادی خوب
- صلبیت و عدم انعطاف‌پذیری خوب
معایب و محدویدیت‌های پلی‌استایرن
- قابل اشتعال ولی انواع FR از آن در دسترس می‌باشند.
- مقاومت ضعیف در برابر حلال و از طریق بیش‌تر مواد شیمیایی تحت حمله قرار می‌گیرند.
- هموپلیمرها شکننده می‌باشند.
- در معرض ایجاد ترک‌ها و شکاف‌های ناشی از تنش و محیط عمل قرار دارند
- پایداری حرارتی ضعیف
کاربردهای نوعی پلی‌استایرن
- ظروف مصرفی تنها، همانند بشقاب‌ها، لیوان‌ها، فنجان‌ها
- کالاهای مقاوم مصرفی همانند ظروف خانگی و قوطی‌ها یا مخازن نگه‌دارنده ویژه مواد آرایشی
- ورقه‌های جامد اکسترود شده، ورقه‌های فوم شده یا جهت داده شده در دو سو برای شکل دادن حرارتی، از آمیزه‌های مخلوط شده با کوپلیمر دسته‌ای استایرن‌بوتادی‌ان‌رابر در جاهایی که شفافیت و چقرمگی مطلوب است استفاده می‌شود.
- ورقهای پلاستیکی در نقش پرده مقابل دوش حمام یا سطح قابل چاپ به راحتی رنگ می‌شود.
- کالاهای بسته‌بندی فوم شده ویژه مواد غذایی همانند سینی‌ها، مخازن قابل تعویض، عایق‌بندی ساختمان و مواد به کار رفته در مصالح ساختمانی و صنعت ساختمان
- کالاهایی که در تماس مستقیم با مواد غذایی هستند و از PS جهت داده شده ساخته شده اند، همانند قوطی‌های نگهداری کلوچه و سبدها یا سینی‌های سبزیجات
- قطعات قالب‌گیری شده و اجزای داخلی یخچال‌ها و لوازم خانگی دیگر، کالاهای مقاوم مصرفی همانند ظروف خانگی
پلی‌استایرن انبساط یافته
پلی‌استایرن سلولی ابتدا در سال ۱۹۳۵ توسط Munters و Tandberg معرفی شد. Ray McIntire محقق جوان در شرکت Dow تلاش کرد ماده‌ای شبیه لاستیک تهیه و از این ماده به عنوان نارسانای الکتریکی استفاده کند. پلی‌استایرن عایق الکتریکی خوب، اما بسیار شکننده است. McIntire، استایرن را با ایزوبوتن (مایع فرار) در فشار کم ترکیب کرد. تا پلیمری جدید شبیه لاستیک بسازد. او هنگام ترکیب استایرن و ایزوبوتن به طور تصادفی مقدار اضافی از ایزوبوتن اضافه کرد و با تعجب مشاهده کرد که ایزوبوتن حباب‌های ریزی تشکیل می‌دهد. بنابراین پلی‌استایرن اسفنجی با ساختار ریزسلولی حاصل شد که ۳۰ برابر سبک‌تر از پلی‌استایرن منظم بود. کلمه Styrofoam هنوز نام تجاری به رفته توسط شرکت Dow است و برای نوعی عایق به کار رفته برای مواد ساختمانی استفاده می‌شود.
در اوایل دهه ۱۹۴۰، تولید تجاری پلی‌استایرن سلولی آغاز شد. در سال ۱۹۴۲، شرکت Dow تحقیق روی فرآیند اکستروژن برای تهیه اسفنج پلی‌استایرن را با استفاده از متیلن کلراید (کلرو کربن با دمای جوش کم) به عنوان عامل پف‌زا آغاز به کار کرد. محصول به کنده‌های اسفنج بزرگی اکسترود شد. سپس به تخته‌هایی بریده شدند. این مواد در سال ۱۹۴۳ با تجاری استیروفوم معرفی شدند. این اسفنج به عنوان محیط شناوری و مواد عایق استفاده شد.
در اوایل دهه ۱۹۴۰، شرکت BASF فرآیند تولید پلی‌استایرن اسفنجی را توسعه داد. این فرآیند بعدها به وسیله فرآیند پلیمرشدن تعلیقی اصلاح شد که دانه‌های پلی‌استایرن اسفنجی را تولید کرد. عامل پف‌زا (مثلاً پنتان) حین پلیمر شدن استایرن یا در مرحله آغشته‌سازی جداگانه در فشار گرم می‌شود.
مهم‌ترین عامل برای رشد تجاری سریع پلی‌استایرن قابل انبساط، قابلیت قالب‌گیری بخاری درون اسفنج‌های سبک وزن، سلول بسته با قیمت کم، مناسب برای فنجان‌های آشامیدنی، بسته‌بندی‌ها، سطل‌های یخ، جعبه پیک‌نیک و تخته عایق است. در اواخر دهه ۱۹۶۰، تقاضا برای پلی‌استایرن اسفنجی به دلیل استفاده گسترده در طبق‌های گوشت، جعبه‌های میوه و کارتن‌های تخم مرغ افزایش یافت. در سال ۱۹۶۹، فروش اسفنج پلی‌استایرن به ویژه برای انواع خوداطفایی رشد فزاینده‌ای یافت. کاربردهای عمده این پلیمر شامل تخته عایق در یخچال‌های مخزن سرما و عایق‌بندی خانه‌ها بودند.
دانه‌های پلی‌استایرن اسفنج شدنی به وسیله دو فرآیند پایه‌ای تولید می‌شوند:
- پلیمر شدن تعلیقی استایرن درون دانه‌های کروی حاوی عامل پف‌زا و در نهایت فرآیندی چند مرحله‌ای
- ورود عامل پف‌زا حین فرآیند اکستروژن پلی‌استایرن توده، با رشته‌های پلیمر که برای جلوگیری از پف‌زایی در حمام آب به طور ناگهانی سرد شده‌اند (quenched) و سپس بریدن رشته‌ها.
ماده خام به شکل مهره یا دانه، پلی‌استایرن انبساط‌پذیر نامیده می‌شود. روش معمول برای تهیه مهره‌ها یا دانه‌های پلی‌استایرن انبساط‌پذیر به این ترتیب است که آن‌ها در محلی تولید شده و به مکان دیگری برای انبساط یافتن یا قالب‌گیری درون شکل‌های نهایی انتقال داده می‌شوند. در این فرآیند، هزینه حمل و نقل اسفنج سنگین با کشتی به حداقل می‌رسد و شکل‌های پیچیه قالب‌گیری می‌توانند به طور غیر مستقیم بدون پس‌فرآورش ایجاد شوند.
ذرات اسفنج انبساط‌پذیر بر پایه پلیمرشدن تعلیقی در سه مرحله به اسفنج تبدیل می‌شوند که عبارتند از: پیش‌پف‌زایی، ذخیره‌سازی موقتی و پف‌زایی نهایی. کاربردهای عمده برای ذرات پلی‌استایرن قابل انبساط برپایه پلیمرشدن تعلیقی در عایق گرمایی و در بخش بسته‌بندی است. بر طبق برآوردی در سال ۱۹۹، مصرف جهانی پلی‌استایرن انبساط یافته حدود ۲/۳۵ میلیون تن در هر سال است.
نوع انبساط یافته هموپلیمر استایرن برای ساخت محصولات اسفنجی استفاده می‌شود که معمولاً در جای مصرف اسفنجی می‌شوند. دانه‌های پلی‌استایرن انبساط یافته به وسیله پلیمر شدن تعلیقی مونومر استایرن در مجاورت عامل پف‌زای آلی فرار تهیه می‌شوند. عامل پف‌زا از قبیل پنتان یا هگزان به طور عادی در شرایط پلیمر شدن مایع است. اما پس از گرما دادن فرار می‌شود تا پلیمر را نرم کند و به این ترتیب محصول اسفنجی تولید شود. نیاز برای تولید انواع مختلف محصولات به وسیله تغییر اندازه دانه، مقدار و ترکیب عامل پف‌زا، وزن مولکولی پلیمر و توزیع وزن مولکولی فراهم می‌شود. دانه‌های بزرگ‌تر که کم‌ترین چگالی را دارند در عایق گرمایی استفاده می‌شوند و دانه‌های کوچک‌تر که خواص مکانیکی و اتمام سطح بهتری دارند، در بسته‌بندی‌های مرسوم فنجان‌های نوشیدنی عایق‌بندی شده به کار می‌روند. گستره استفاده از این پلی‌استایرن در حال افزایش است. به عنوان مثال اخیراً در سقف‌های تیرچه بلوک به جای بلوک سیمانی از بلوک‌های پلی‌استایرن انبساط یافته استفاده می‌شود. دانه‌های انبساط‌پذیر پلی‌استایرن را نیز می‌توان به شکل صفحاتی برای نما در ساختما‌ن‌سازی به کار برد.
پلیمر شدن تعلیقی برای تولید پلی‌استایرن انبساط یافته در راکتور ناپیوسته پوشیده شده دارای هم‌زن و دو یا بیش‌تر مانع انجام می‌شود که حجم ظروف بین ۲۰ و ۱۰۰ متر مکعب است. در شروع فرآیند پلیمر شدن فاز آبی و فاز مونومر در ظرف قرار گرفته و افزودنی‌ها بیش از پلیمر شدن یا حین آن اضافه می‌شوند. این افزودنی‌ها آب و اجزای محلول در مونومر هستند که پیش از شروع واکنش یا حین آن اضافه می‌شوند.
این افزودنی‌ها آب و اجزای و اجزای محلول در مونومر هستند که پیش از شروع واکنش در ظروف جدا حل یا پخش شده‌اند. نسبت فاز متانول به آب معمولاً بین ۴۰/۶۰ و ۶۰/۴۰ است. رآکتور پرشده گرم می‌شود، دما به تدریج افزایش می‌یابد و حین پلیمر شدن رادیکالی عامل پف‌زا در زیر فشار اضافه می‌شود. پس از تبدیل قطره‌های مونومر استایرن به دانه‌های پلی‌استایرن انبساط یافته رآکتور سرد شده و تعلیق به ظرف مخلوط‌کن در حال هم خوردن منتقل می‌شود. دانه‌های قابل انبساط نیز از آب به وسیله سانتریفوژ یا غربال‌های چرخاندن جدا می‌شوند.
از دو نوع پراکسید برای تولید پلی‌استایرن انبساط یافته می‌شود. دی‌بنزوییل پراکسید برای مرحله اول پلیمر شدن در دمای ۹۰ درجه سانتی‌گراد و ترشیوبوتیل‌پروکسی‌بنزوات برای دومین مرحله در گستره دمایی ۱۵ تا ۱۳۰ درجه سانتی‌گراد کاربرد دارد.
یکی از مهم‌ترین کاربردهای پلی‌استایرن، استفاده از آن به عنوان اسفنج پلی‌استایرن است، دانه‌های ریز پلی‌استایرن اسفنج‌پذیر و قطعات ساخته شده از این دانه‌ها، کاملاً شناخته شده‌اند. مزایای عمده قطعات اسفنج پلی‌استایرن عبارتند از:
- انتقال گرمای کم برای استفاده در عایق‌ها
- جاذب خوب انرژی برای بسته‌بندی مواد ظریف با شناوری زیاد
- زیاد بودن نسبت سفتی به وزن به طوری که قطعات ساخته شده، وزن کم و استحکام خوبی دارند.
- هزینه کم به ازای واحد حجم با توجه به مزایای ذکر شده برای اسفنج پلی‌استایرن
یکی از معظلات پلی‌استایرن، اشتعال‌پذیری آن است که لازم است برای بعضی از کاربردها، مواد آن به حالت کندسوز درآیند. در این پژوهش پس از پلیمر شدن مونومر استایرن به روش تعلیقی تا حدود ۸۰%-۷۰% و تثبیت اندازه ذرات، در مرحله نفوذ پنتان به عنوان عامل اسفنجی‌کننده و افزودنی مناسب انحلال‌پذیر در پنتان استفاده شد. افزودنی کندسوزکننده (ترکیبات برم) پیش از وارد شدن به رآکتور به طور کامل در پنتان در دمای محیط حل شده و محلول یکنواخت به هنگام شروع مرحله نفوذ به رآکنور شارژ شد. با افزایش دما تا ۱۲۰-۱۱۰ درجه سانتی‌گراد در این مرحله ضمن تکمیل پلیمر شدن، عمل نفوذ پنتان و افزودنی حل شده در آن در دانه‌های پلی‌استایرن انجام شد. نتایج آزمایش‌های UL94 و اکسیژن برای ارزیابی خاموش شدن شعله نشان داد که ماده افزودنی به مقدار ۱۰% وزنی پنتان نتایج بسیار مطلوبی را می‌دهد.
پلی‌استایرن انبساط یافته اصطلاح کلی برای پلی‌استایرن و کوپلیمرهای آن است که به انواع مختلفی از محصولات مفید گسترش می‌یابند. این نوع پلی‌استایرن در قالب‌های به شکل دانه پلی‌استایرن تولید می‌شوند. خواص قطعات ضربه‌گیر و سایر مشخصه‌های اسفنج پلی‌استایرن انبساط یافته هم‌زمان با قیمت کم، خواص عایق زیاد، قابلیت قالب‌گیری معمولی و سهولت فرآورش، این پلیمر را به عنوان ماده بسته‌بندی مهمی در صنایع مختلف تبدیل کرده است. بیش از ۵۰ سال است که کارایی پلی‌استایرن انبساط یافته در کاربردهای بسته‌بندی بی‌شمار در صنایع مختلف، کالاهای مصرفی و تولیدکنندگان محصولات ثابت شده است. پلی‌استایرن انبساط یافته سبک وزن به دلیل داشتن خواص فیزیکی ویژه مانند نرمی، پایداری ابعادی و مقاومت گرمایی و رطوبتی برای کاربردهای بسته‌بندی مفید است.
پلی‌استایرن انبساط یافته با قالب‌گیری معمولی برای بسته‌بندی درونی به ویژه در حفاظت از اجزای الکترونیکی حساس، کالاهای مصرفی و تجهیزات دفتری بسیار حائز اهمیت است. قابلیت قالب‌گیری این پلیمر، بسته‌بندی درونی مطمئن و امنی را برای اشیا فراهم می‌کند. خواصی چون عایق بودن زیاد و مقاومت در برابر رطوبت، پلی‌استایرن انبساط یافته را انتخابی مناسب برای صنایع بسته‌بندی غذایی، پزشکی و دارویی کرده است. یک مزیت مهم پلی‌استایرن انبساط یافته، قابلیت بازیافت آن است. اجزای این پلیمر می‌تواند مجددا فرآیند شده و به محصولات بسته‌بندی یا کالاهای بادوام قالب‌گیری شوند.
همان طور که در جدول زیر توضیح داده شده است، خواص مکانیکی اسفنج پلی‌استایرن انبساط یافته به چگالی بستگی دارد. به طور کلی استحکام با چگالی افزایش می‌یابد.
جدول بسته‌بندی‌های قالب‌گیری شده پلی‌استایرن انبساط یافته
همراهان عزیز می‌توانند جهت برقرای ارتباطات دوسویه، انتقال سوالات، نظرات و پیشنهادات سازنده خود از طریق پست الکترونیک زیر ما را یاری فرمایند.
info@fara-ps.com
کاربرد پلاستیک‌ها در لوازم خانگی بخش سوم: پلیمر پلی‌استایرن با کاربرد عام (GPPS)
ساختمان شیمیایی و برخی از خواص فیزیکی-مکانیکی پلیمرهای PS در زیر آمده است
پلی‌استایرن (PS)، قریب به یک قرن است که به خوبی شناخته شده است ولیکن ماهیت مولکولی آن تا حدود سال ۱۹۲۰، مشخص نشده بود تا این که در همین سال اشتاودینگر (Staudiger)، ساختار مولکولی این ماده را توصیف کرد. در اواخر دهه ۱۹۳۰، به طور تجاری تولید شد. پلی‌استایرن، یکی از متداول‌ترین رزین‌های ترموپلاستیک آمورف تجاری و اقتصادی است که محدوده وسیعی از خواص متعادل فیزیکی-مکانیکی را داراست و قیمت جذابی هم دارد که نظر فروشندگان و سرمایه‌گذاران را برای تولید به خود جلب می‌کند.
پلی‌استایرن به سه نوع تقسیم می‌شود. ۱) پلی‌استایرن با کاربرد عام (:GPPS: General Purpose Polystyrene)، پلی‌استایرن قابل انبساط (EPS: Expanded Polystyrene)، پلی‌استایرن با مقاومت ضربه‌ای بالا (HIPS: High Impact Polystyrene).
مواد اولیه لازم برای سنتز مونومر پلی‌استایرن، اتیلن و بنزن می‌باشند که در فرآیند سنتز با هم واکنش می‌دهند تا اتیل‌بنزن تشکیل شود که در ادامه فرآیندهای بیش‌تری (دیهروژناسیون) بر روی آن انجام می‌شود تا به مونومر وینیل بنزن یا همان استایرن (Styrene) تبدیل شود، مواد اضافی دیگر، اکریلونیتریل (AN) و لاستیک بوتادیان می‌باشد.
با استفاده از واکنش گرمایی یا کاتالیز شده مونومر استایرن، فرآیند پلیمریزاسیون آن آغاز می‌شود تا پلیمری آمورف تولید شود. برای بخشیدن و ایجاد خواص مطلوب در PS، افزودنی‌های گوناگونی به آن اضافه می‌شود، همانند لاستیک‌ها، نرم‌کننده‌ها، عوامل آزادکننده یا رهاکننده و پایدارکننده‌ها. همچنین در فرمولاسیون‌های بر پایه PS از گروه‌های مختلف افزودنی دیگر همچون رنگین‌سازها، تأخیراندازهای شعله (FRs)، پایدارکننده‌های UV، یا اصلاح‌کننده‌های ضربه، استفاده می‌شود. نوعاً GPPS، به علت شفافیت، صلب و سخت بودن و مناسب بودن با کاربردهای گوناگون انتخاب می‌شود. وقتی که به انعطاف‌پذیری بیش‌تر یا مقاومت ضربه‌ای زیاد نیاز باشد، از HIPS استفاده می‌شود. این ماده شامل پلیبوتادیان به عنوان عامل کوپلیمریزاسیون به منظور افزایش چقرمگی می‌باشد که سبب مات و کدر شدن رنگ محصول می‌گردد.
مزایای پلی‌استایرن
- شفافیت بالا
- جلا و برق بالا
- انواع تأیید شده توسط اداره غذا و داروی آمریکا در دسترس می‌باشند.
- از طریق تمام روش‌های فرآیند نمودن ویژه بسپارهای گرمانرم، می‌توان آن‌ها را فرآیند نمود و شکل داد.
- قیمت پائینی دارند
- پایداری ابعادی خوب
- صلبیت و عدم انعطاف‌پذیری خوب
محدویدیت‌های پلی‌استایرن
- قابل اشتعال ولی انواع FR از آن در دسترس می‌باشند.
- مقاومت ضعیف در برابر حلال و از طریق بیش‌تر مواد شیمیایی تحت حمله قرار می‌گیرند.
- هموپلیمرها شکننده می‌باشند.
- در معرض ایجاد ترک‌ها و شکاف‌های ناشی از تنش و محیط عمل قرار دارند.
- پایداری حرارتی ضعیف
کاربردهای نوعی پلی‌استایرن
- ظروف مصرفی تنها، همانند بشقاب‌ها، لیوان‌ها، فنجان‌ها
- کالاهای مقاوم مصرفی همانند ظروف خانگی و قوطی‌ها یا مخازن نگه‌دارنده ویژه مواد آرایشی
- ورقه‌های جامد اکسترود شده، ورقه‌های فوم شده یا جهت داده شده در دو سو برای شکل دادن حرارتی، از آمیزه‌های مخلوط شده با کوپلیمر دسته‌ای استایرن‌بوتادی‌ان رابر در جاهایی که شفافیت و چقرمگی مطلوب است استفاده می‌شود.
- ورقهای پلاستیکی در نقش پرده مقابل دوش حمام یا سطح قابل چاپ به راحتی رنگ می‌شود.
- کالاهای بسته‌بندی فوم شده ویژه مواد غذایی همانند سینی‌ها، مخازن قابل تعویض، عایق‌بندی ساختمان و مواد به کار رفته در مصالح ساختمانی و صنعت ساختمان
- کالاهایی که در تماس مستقیم با مواد غذایی هستند و از PS جهت داده شده ساخته شده اند، همانند قوطی‌های نگهداری کلوچه و سبدها یا سینی‌های سبزیجات
- قطعات قالب‌گیری شده و اجزای داخلی یخچال‌ها و لوازم خانگی دیگر، کالاهای مقاوم مصرفی همانند ظروف خانگی
پلی‌استایرن با کاربرد عام (General Purpose Polystyrene: GPPS)
گزارش‌های بسیاری درباره ظهور پلی‌استایرن در اوایل سال ۱۸۳۹ میلادی وجود دارد. اما این پلیمر ابتدا در سال ۱۹۳۱در مقیاس تجاری به وسیله شرکت BASF و در سال ۱۹۳۸ توسط شرکت Dow تولید شد. مواد قالب‌گیری پلی‌استایرن، موادی سخت و شفاف با درخشندگی زیاد هستند که معمولاً به آن‌ها پلی‌استایرن با کاربرد عام اطلاق می‌شود. اما اصطلاحات پلی‌استایرن استاندارد، پلی‌استایرن نرمال و پلی‌استایرن شفاف یا هموپلیمر پلی‌استایرن نیز برای این پلیمر کاربرد دارد.
مواد قالب‌گیری پلی‌استایرن در دماهای کمتر از ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد جامد شده و موادی شبیه شیشه با استحکام مکانیکی مناسب، خواص دی‌الکتریکی خوب و مقاوم در برابر بسیاری از مواد شیمیایی ایجاد می‌کنند که کاربردهای بسیاری دارند. سهولت فرآورش، صلبیت، پایداری ابعادی و وضوح از قابلیت‌های این پلاستیک درخشان، شفاف و نیمه‌بلوری است. اما مقاومت به ضربه کم پلی‌استایرن کاربردهای آن را محدود می‌کند.
پلی‌استایرن در بالای دمای نرم شدن، مذاب است و به آسانی به وسیله روش‌هایی از قیبل قالب‌گیری تزریقی یا اکستروژن فرآیند می‌شود. مقادیر کم روان‌کننده‌های داخلی و خارجی به این پلیمر به عنوان کمک‌فرآورش اضافه می‌شوند. افزودن عوامل ضد بار ساکن، پایدارکننده‌های فرابنفش، الیاف شیشه یا رنگ‌دهنده‌ها نیز به آن متداول است.
استایرن به روش گرمایی یا با آغازگرهای رادیکال آزاد به سهولت به پلی‌استایرن تبدیل می‌شود. پلی‌استایرن تجاری بیش‌تر به دلیل ارزانی روش با استفاده از پلیمر شدن رادیکالی تولید می‌شود. علت این امر، عدم نیاز به خلوص بسیار زیاد مونومرها و حلال‌هاست. برای مثال قیمت تبدیل مونومر استایرن به پلیمر با استفاده از پلیمر شدن آنیونی حدود ۵۰% بیش از پلیمر شدن رادیکالی است که این تفاوتِ قیمت به دلیل هزینه خالص کردن مونومر است. به علت استفاده از پلیمر شدن رادیکالی برای تهیه پلی‌استایرن، همه پلی‌استایرن‌های تجاری اندکی شاخه دار هستند. علت شاخه دار شدن واکنش انتقال زنجیر به پلیمر است و مقدار آن هنگام استفاده از آغازگرهای پروکسیدی بیش‌تر است. عامل محدودکننده در بهره‌برداری تجاری از پلی‌استایرن، واکنش‌پذیری زیاد و گرمای پلیمر شدن قابل ملاحظه آن است. سرعت پلیمرشدن استایرن بی‌نهایت زیاد و با آزاد شدن گرمای قابل توجهی همراه است. این امر، مانع جدی برای تولید تجاری پلی‌استایرن بود. بسیاری بر این باورند که پلیمر شدن استایرن در مقیاس زیاد ممکن است به واکنش غیر قابل کنترل و خطرناکی منجر شود. فرآیند پلیمر شدن مونومر استایرن، گرما دادن آن در ظروف حجیم بود و محدودیت عمده این روش حذف گرما از مذاب بسیار گران‌رو است. دماهای زیاد (بیش‌تر از ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد) در راکتورهایی با وزن زیاد فراهم شده است و تخریب گرمایی پلی‌استایرن حاصل روی می‌دهد. این مشکل بعدها با نصب لوله‌های تبادل گرما در محیط واکنش بر طرف شد.
اولین روش مورد استفاده توسط شرکت Dow بر پایه پلیمر شدن توده به نام فرآیند قوطی شناخته شد که شامل قوطی‌های فلزی ۱۰ گالنی حاوی مونومر استایرن بود. این قوطی‌ها در حمام گرما با افزایش تدریجی دما برای چند روز گرم می‌شدند. پس از طی شدن این زمان پلی‌استایرن (تقریباً با تبدیل ۹۹%) از قوطی برداشته و به پودر جریان آزاد (Free-glowing Powder) خرد می‌شد.
توسعه فناوری ساخت استایرن و پلی‌استایرن با وقوع جنگ جهانی دوم اوج گرفت. در طول این زمان کمبود لاستیک، توسعه لاستیک سنتزی بر پایه استایرن را افزایش داد. در اواخر جنگ جهانی دوم سالانه ۱۸۰،۰۰۰ تن مونومر استایرن تولید شد که بیش‌ترین مقدار آن برای تهیه لاستیک سنتزی بونا (Buna) S (به نام GRS نیز شناخته می‌شود که GR مربوط به لاستیک دولتی و S مربوط به استایرن است) استفاده شد.
در طول جنگ جهانی دوم، پژوهش ها روی پالایش و بهبود فرآیندهای موجود انجام شد. برای مثال اگر لاستیک به روشی پلیمر می‌شد که هیچ مونومری در آن باقی نمی‌ماند، مولکول‌های شاخه‌داری تشکیل می‌شدند که ژل شده و برای فرآورش لاستیک مشکل ایجاد می‌کردند. برای حل این مسئله اجازه داده شد، واکنش فقط تا ۷۲% تبدیل پیش رود و برای کنترل وزن مولکولی، اصلاح‌کننده تیول و عامل انتقال زنجیر اضافه شد.
همچنین پلیمر شدن دوره القایی (Inductiom Period) دارد که از یک پیمانه تا پیمانه (batch) دیگر تغییر می‌کرد. در طول دوره القا به نظر می‌رسد که هیچ اتفاقی نیفتاده است و ناگهان واکنش متوقف می‌شود. پژوهش‌ها در دانشگاه (Illinois) نشان داد که دلیل این امر اسیدهای چرب مختلف موجود در صابون‌های متفاوت مورد نیاز برای فرآیند پلیمریزاسیون است. همچنین صابون‌های یاد شده باعث می‌شدند، محلول در طول بازیافت مونومر باقی‌مانده، اسفنجی شود. این مسئله منجر به توسعه کف‌زادیی‌های سیلیکونی شد.
خواص لاستیک نوع بونا S به مقدار استایرن موجود در لاستیک بستگی دارد. برای تعیین خواص مهم است که چه مقدار استایرن وارد سامانه می‌شود. Baker این مسئله را به وسیله توسعه روشی برای تعیین مقدار استایرن با استفاده از ضریب شکست محلولی لاستیک حل کرد.
قبل از سال ۱۹۴۱، آلمان فناوری فنی و صنعتی‌تری را نسبت به آمریکا برای فرآیند تولید مونومر استایرن، فرآیند الاستومر استایرن-بوتاد‌ان و پلیمر شدن جرمی استایرن پایه‌گذاری کرد. اولین تولید فنی پلی‌استایرن در آلمان در سال ۱۹۳۰ شروع شد، در حالی که اولین پلی‌استایرن در آمریکا ۸ سال بعد توسط شرکت Dow در تولید شد.
در آغاز شرکت Dow دارای محدودیت‌های فنی متعددی برای تولید و فرآورش پلی‌استایرن بود. برای مثال، پلیمر به کمک فرآیند تولید بی‌نهایت کندی ساخته می‌شد. وزن مولکولی زیاد و توزیع وزن مولکلولی پهنی داشت که قالب‌گیری تزریقی را مشکل می‌کردو پژوهش‌گران شرکت Dow بلافاصله روشی برای دست‌یابی به وزن مولکولی کمتر توسعه داده و روان‌کننده‌های خاصی برای بهبود قابلیت فرآورش افزودند. به این ترتیب پلی‌استایرن با کاربرد عام ساخته شد که به سرعت شهرت پیدا کرد و ساده‌ترین گرمانرم قالب‌گیری بود.
سایر موانع فنی برای پلیمر شدن پلی‌استایرن، کنترل گرمازایی پلیمر شدن و تولید پلی‌استایرن بی‌رنگ بود. در حالی که ساخت استایرن در روزهای ابتدایی در شرکت Dow به نظر ساده و راحت می‌رسید، سه ناخالصی عمده در مونومر استایرن به جزء اتیل بنزن باقی مانده وجود داشت که عبارت بودند از فنیل استیلن (که به عنوان بازدارنده برای پلیمر شدن استایرن عمل می‌کند)، دی‌وینیل‌بنزن (که موجب بسته شدن و آلوده شدن ستون تقطیر برای جداسازی استایرن از مواد اولیه آن، اتیل بنزن شد) و سولفور (که موجب بی‌رنگ شدن پلی‌استایرن شد).
در سال ۱۹۳۸ میلادی، طرح خردکردن (crash) منجر به اولین پیمانه‌های پلی‌استایرن قابل فروش شد که در قوطی‌های فلزی تولید و پلی‌استایرن با خلوص زیاد ایجاد شد. این قوطی‌ها با استایرن پر شده و در حمام‌های آب گرم فرو برده می‌شدند. به این ترتیب استایرن به روش گرمایی پلیمر می‌شد. فرایند بسیار کند و پردردسر و گرمازایی پلیمرشدن در مرکز هر قوطی بیش‌ترین مقدار بود. پس از اتمام پلیمر شدن، پلی‌استایرن برای پخش نواحی با وزن مولکولی متفاوت ساییده و مخلوط شد.
اگرچه فرآیند قوطی خیلی کند بود، قوطی‌ها و حمام‌های گرمایشی بیش‌تری به منظور افزایش آسان بازده تولید اضافه شد. همچنین با افزودن مقداری کاتالیزور و پروکسید به مونومر استایرن بازده تولید به نحو چشم‌گیری افزایش یافت و در حقیقت این تغییر منجر به دو برابر شدن ظرفیت کارخانه Dow شد. زیرا سرعت پلیمر شدن سریع‌تر شد و کنترل گرمازایی نیز ممکن بود. در حالی که آمریکا با فرآیند قوطی در حال پیش‌رفت بود، آلمان در حال توسعه فرآیندی پیوسته برای پلیمرشدن جرمی استایرن بود.
در دهه ۱۹۳۰ میلادی، شیمیدان آلمانی به نام فاربن فرآیند برج پیوسته را برای تولید پلی‌استایرن گسترش داد. دستگاه پلیمر شدن استایرن در شکل زیر نشان داده شده است. این روش با استفاده از رآکتوری با لوله‌های انتقال گرمای متقاطع، بر مشکلات پلیمر شدن گرمازا غلبه کرد. دمای واکنش به تدریج افزایش می‌یافت و کنترل می‌شد و پلی‌استایرن حاصل با استفاده از مته برداشته می‌شد. این طراحی بعدها به وسیله پیش‌پلیمر شدن در ظرف گرم‌کن و در حال هم‌زدن پیش از فرآیند برج بهبود پیدا کرد.
پس از جنگ جهانی دوم، شرکت Dow روی ساخت دستگاه‌های پلیمر شدن جرمی پیوسته معروف به فرآیند مخزن لوله‌ای برای ساخت پلی‌استایرن برای ساخت پلی‌استایرن متمرکز شد. این دستگاه شامل دو مخزن لوله افقی نامتحرک بود و نیز سیال انتقال گرما برای کنترل گرمازایی پلیمر شدن جریان داشت (شکل زیر). ظرفیت هر مخزن ۱۸۰۰۰ کیلوگرم مونومر استایرن بود و فرآیند به طور ناپیوسته انجام می‌شد. زمانی که فرآیند به طور متناوب مرتب می‌شد، فرآیند پیوشته بود. زمانی که فرآیند به طور متناوب مرتب می‌شد، فرآیند پیوسته بود. زمانی که درصد تبدیل استایرن در مخزن ۱ افزایش می‌یافت، پمپ پلیمری خاصی، پلی‌استایرن مذاب را در دمای ۲۲۰ تا ۲۴۰ به ته مخزن دریافت‌کننده هدایت می‌کرد. سپس پلیمر شدن در مخزن ۲ شروع می‌شد. ته مخزن دریافت‌کننده تحت خلأ بود تا مواد فرار از قبیل مونومر واکنش نکرده، دیمرها، تری‌مرها و سایر الیگومرها تخلیه شوند. همیشه پلی‌استایرن در مخزن دریافتی وجود داشت به طوری که فرآیند اکسترودر و قرص شدن به شکل فرآیندی پیوسته انجام می‌شد. گرمازایی در فرآیند شرکت Dow، بیش‌تر گرمای مورد نیاز برای تولید پلی‌استایرن مذاب آماده برای قرص شدن را تأمین می‌کرد.
این واحدها به دلیل سطح انتقال گرمای بسیار زیاد و کارایی سیال انتقال گرما بسیار موفق بودند.
سال‌ها بعد روش‌های دیگری برای پلیمر شدن استایرن از قبیل پلیمر شدن تعلیقی به وسیله مواد شیمیایی کوپرس (Koppers) توسعه پیدا کرد که ابتدا در دهه ۱۹۴۰ معرفی شد و سپس در دهه ۱۹۵۰ رشد سریعی یافت. فرآیند پلیمر شدن تعلیقی هنوز هم برای تولید پلی‌استایرن به کار می‌رود. اگرچه به طور گسترده با فنون اقتصادی‌تری از جمله پلیمر شدن جرمی پیوسته جای‌گزین شده است.
جالب آن که پلی‌استایرن تولیدی به وسیله پلیمر شدن تعلیقی به ویژه کوپرس، دمای واپیچش گرمایی (HDT) بیش‌تری از پلی‌استایرن شرکت Dow داشت. این امر به مقادیر قابل اندازه‌گیری دیمرها و تری‌مرهای باقی‌مانده در محصول شرکت Dow به دلیل آغازگری گرمایی و عدم وجود آن‌ها در فرآیند تعلیقی آغاز شده با پروکسید مربوط بود.
فرآیند پلیمرشدن تعلیقی مزایای بسیاری نسبت به فرآیندهای رقابتی دارد. در این فرآیند، کنترل عالی دمای پلیمر شدن و محیط واکنش با گران‌روی کمتر امکان‌پذیر است. همچنین در این روش پلی‌استایرن قابل انبساط و ضربه‌پذیر تولید می‌شود. پلی‌استایرن با کاربرد عام به وسیله پلیمر شدن در محلول در فرآیندی پیوسته به کمک آغازگر پروکسیدی تهیه می‌شود. پلیمر شدن تعلیقی نیز برای محصولاتی استفاده می‌شود که در آن‌ها شکل کروی کوچکی مورد نیاز است.
پلی‌استایرن با کاربرد عام، پلیمری ضربه‌پذیر است که با وارد کردن الاستومری که خواص ضربه بیش‌تری نسبت به هموپلیمر دارد، اصلاح شده است. الاستومرهای تجاری مورد استفاده وزن مولکولی ۲۶۰،۰۰۰-۱۸۰،۰۰۰ دارند و برای توقف جریان سرد با زنجیری بلند شاخه‌دار شده‌اند. متداول‌ترین لاستیک به کار رفته پلیبوتادیان درصد سیس متوسط و زیاد است. پلیبوتادیان با درصد سیس زیاد مقاومت گرمایی نسبتاً زیادی دارد که نسبت به فرمول‌بندی پلی‌استایرن ضربه‌پذیر در قیمت و چقرمگی دمای کم دارای برخی مزایاست.
ذخیره‌سازی استایرن باید برای مدت زمان کم در دمای پایین (۲۰ درجه سانتی‌گراد) و در مجاورت بازدارنده پلیمر شدن انجام شود. به منظور جلوگیری از پلیمر شدن زودهنگام مونومر استایرن هنگام نگهداری و حمل و نقل، بازدارنده‌های ویژه‌ای از قیبل ۴-ترسیوبوتیل‌کاتکول باید به این پلیمر اضافه شود به طوری که بتوان این ماده را تا هنگام نیاز ذخیره کرد. این ماده بسیار مؤثر و در استایرن محلول است و پیش از پلیمر شدن استایرن نیازی به جداسازی آن نیست. با این حال می‌توان آن را به کمک محلول سودسوزآور به راحتی جدا کرد و سپس استایرن را با کلسیم کلرید خشک کرد. مقدار مصرف بازدارنده بر حسب مدت زمان ذخیره استایرن در شکل آورده شده است.
تجربه نشان داده است، ۴-ترسیوبوتیل‌کاتکول به طور تدریجی به کینون تبدیل می‌شود و به همین علت مقدار آن باید در مخزنذخیره کنترل شود. اثر ۴-ترسیوبوتیل‌کاتکول در مجاورت اکسیژن بیش‌تر است و معمولاً در صنعت سعی بر این است که در مخازن ذخیره استایرن به ازای هر مول ۴-ترسیوبوتیل‌کاتکول، حدود ۱۰ مول اکسیژن وجود داشته باشد. همچنین بازدارنده‌های پپلیمر شدن برای جلوگیری از تشکیل پلیمر حین تقطیر مونومر استایرن از اتیل بنزن مورد نیاز بودند. این بازدارنده‌ها به وسیله تقطیر یا جذب روی آلومینا برداشته می‌شوند.
همراهان عزیز می‌توانند جهت برقرای ارتباطات دوسویه، انتقال سوالات، نظرات و پیشنهادات سازنده خود از طریق پست الکترونیک زیر ما را یاری فرمایند.
info@fara-ps.com
کاربرد پلاستیک‌ها در لوازم خانگی – بخش دوم: پلیمر پلی‌استال (POM)
ساختار شیمیایی هموپلیمر استال
ساختار شیمیایی کوپلیمر استال
رزین‌های استال، مجموعه‌ای کاملاً متعادل از خواص را ایجاد می‌کنند که شامل موارد زیر می‌باشد: ایجاد سطحی سخت و خودلغزنده و روغن‌کار، مقاومت شیمیایی عالی، استحکام، سفتی و چقرمگی در دامنه وسیعی از دما. هموپلیمر استال، اولین بار در سال ۱۹۶۰ به صورت شکلی نیمه بلورین از فرمالدئید پلیمریزه شده که زنجیر خطی از مولکول‌های اکسی‌متیلن را پدید می‌آورد، به بازار عرضه شد. در فرآیند سنتز هموپلیمر، ابتدا فرمالدئید از آب جدا شده و به صورت گاز CH2O، خالص‌سازی می‌شود که در ادامه به مولکول‌های پلی‌اکسی‌متیلن (POM) پلیمریزه می‌شود. در این حالت، مولکول، از طریق واکنش با انیدرید استیک، گروه‌های پایانی استات را تولید می‌کند. هموپلیمری که با گروه‌های استات شاخه‌دار شده است نسبت به تحت حمله قرار گرفتن از طریق بازها، مقاومت کمی دارد ولیکن نقطه ذوب آن بالاتر است و نسبت به کوپلیمراستال، خواص مکانیکی آن بهینه و بهتر شده است. مثلاً خواص استحکام فیزیکی و مکانیکی، سفتی، چقرمگی، سختی، خزش و خستگی آن بهبود یافته است.
در فرآیند کوپلیمریزاسیون استال، ابتدا فرمالدئید به ساختار حلقوی متشکل از سه مولکول فرمالدئید، موسوم به تری اکسان تبدیل می‌شود. تری‌اکسان جداسازی شده، خالص‌سازی شده و با مونومر کمکی اتیلن اکساید به پلی‌اکسی‌متیلن پلیمریزه می‌شود که در آن گروه‌های -CH2-CH2- به طور تصادفی در طول زنجیر توزیع شده‌اند.
در ادامه بر روی پلیمر خام به دست آمده در محیط بازی، عملیات حرارتی انجام می‌شود تا پایانه‌های مولکول‌های منتهی به گروه یا بلوک -CH2-CH2- در هر طرف تجزیه و تخریب شوند. این امر موجب می‌شود تا مولکولی مقاوم نسبت به تخریب اضافی و بیش‌تر، در محیط‌های بازی به وجود آید.
برای پیش‌گیری از واپلیمریزاسیون برگشت‌ناپذیر اسکلت پلیمری در حین فرآیند ذوب، شاخه‌دار کردن گروه‌های انتهایی زنجیرهای هموپلیمری و کوپلیمری ضروری است. انرژی حرارتی موجب باز شدن گروه‌های انتهایی -H-O-CH2-O-CH2- و تبدیل آن به مونومر فرمالدئید می‌گردد.
انواع تجاری هموپلیمر استال، بالاترین بلورینگی را همراه با استحکام فیزیکی مکانیکی، سفتی و مقاومت در برابر ضربه خوب از خود نشان می‌دهند. نقطه ذوب آن ۳۵۰ درجه فارنهایت می‌باشد. همچنین بلورینگی بالا، مقاومت شیمیایی خوبی را همراه با تأثیر اندک یا بدون تأثیر در ماده، پس از قرارگیری مستقیم در معرض تماس با هیدروکربن‌ها، آلدئیدها، کتن‌ها، الکل‌ها و سوخت‌ها از خود نشان می‌دهد. علاوه بر این هموپلیمر نسبت به محلول‌های آبی با pH بین ۴ تا ۱۰، مقاوم است. هموپلیمر برای دمای سرویس پیوسته در هوا و آب تا ۲۳۰ درجه فارنهایت توصیه شده است.
در انواع تجاری کوپلیمرهای POM، واحدهای اتیلن‌اکسی یا n-بوتیلن اکسی، به طور تصادفی در سرتاسر پیکربندی یا اسکلت پلیمر پخش شده‌اند. واحدهای مونومر کمکی موجب بروز بی‌نظمی اندکی در بلورینگی پلیمر در حالت جامد می‌شوند و در نتیجه خواص فیزیکی و مکانیکی و همانند قدرت و استحکام، سفتی، مقاومت در برابر ضربه را در کوتاه مدت، اندکی کاهش می‌دهند. آن‌ها مقاومت خوبی را در برابر حلال، از خود نشان می‌دهند زیرا زنجیرهای پلیمری با یک گروه استری، شاخه‌دار نشده‌اند و دامنه مقاومت در برابر pH محلول آبی در محدوده ۴ تا ۱۴ گسترده‌تر شده است. این کوپلیمر برای استفاده در درجه حرارت‌های کاری و دماهای سرویس تا ۲۰۰ درجه فارنهایت به طور مداوم هم در محیط هوا و هم در محیط آب توصیه شده است.
استال‌ها در گستره وسیعی از دما، قوی سفت و چقرمه می‌باشند. آن‌ها روان‌کنندگی یا لغزنده‌سازی سطحی خوب و ضریب اصطکاک پایینی نسبت به فلزات، سرامیک‌ها و سایر پلاستیک‌ها دارند. آن‌ها در برابر خزش و خستگی مقاوم می‌باشند، چرا که ویژگی‌های جریان‌پذیری در حالت سرد پایینی از خود نشان می‌دهند یعنی وقتی که سرد هستند، خواص مطلوبی ندارند. خواص متعادل و موازنه شده در کنار مقاومت خوب در برابر حلال، که استال از خود نشان می‌دهد، موجب شده است تا پلاستیک جای‌گزین و ایده‌آلی برای جای‌گزینی با موادی همچون فلزات و پلیمرهای ترموست یا گرماسخت، چوب و سرامیک‌ها باشد.
تکنولوژی ویژه‌ای که برای آمیزه‌سازی و ساخت قطعات پلیمری به کار می‌رود منجر به ساخت انواع تجاری هموپلیمر و کوپلیمرهایی شده است که به لحاظ مقاومت در برابر ضربه اصلاح شده اند ولیکن مقاومت در برابر ضربه وقتی افزایش می‌یابد که استحکام فیزیکی و مکانیکی و سفتی پلاستیک افزایش یابد و هنگامی که این دو کمیت کاهش یابد، مقاومت در برابر ضربه افزایش می‌یابد به حد ثابتی می‌رسد و متوقف می‌شود. همچنین بسیاری از انواع پلاستیک‌های مخصوص مواد غذایی از اداره غذا و داروی آمریکا (FDA) برای تماس مکرر با مواد غذایی و استفاده زیاد در صنایع غذایی از بنیاد ملی بهداشت و مجمع استاندارهای کانادایی برای کاربردهای ویژه در اب آشامیدنی و مقیاس‌بندی UL-94 HB از آزمایشگاه‌های مرجع برای اشتعال‌پذیری، تأییدیه رسمی دارند. انواع ویژه‌ای نیز با تأییدیه و گواهی از اداره کشاورزی ایالات متحده آمریکا (USDA) وجود دارند که برای تماس و نگهداری با محصولات گوشتی و نیز مرغ و خروس و بوقلمون و ماکیان‌های خانگی، به کار می‌روند. همچنین از پلاستیک‌های چند لایه موسوم به تتراپک با مجوز رسمی از مجمه نگهداری لبنیات و محصولات لبنی و مواد غذایی برای نگهداری و تماس با محصولات لبنی استفاده می‌شود.
انواع تجاری زیر از رزین‌های استال به طور صنعتی تولید شده‌اند و دردسترس می‌باشند.
- انواع پایدار شده در مقابل تابش فرابنفش و مقاوم در برابر آب و هوا
- انواع با سایش کم و انواع با ضریب اصطکاک پایین
- انواع چقرمه شده و اصلاح شده در برابر ضربه
- انوع تقویت شده با الیاف شیشه
- انواع پرشده با مواد معدنی، پرشده با ریزدانه‌های شیشه و پرشده با شیشه خرد شده
- انواع با جریان مذاب بالا
ویژگی‌های برجسته این نوع پلیمر، عبارتند از سفتی که امکان طراحی قطعات با سطوح تماس بزرگ و سسطح مقطع‌های عرضی نازک و ظریف با ضخامت کم پدید می‌آورد. استحکام کششی و مقاومت خزشی بالا در دامنه وسیعی از دماها و رطوبت‌های گوناگون، مقاومت خستگی و جهندگی بالا برای کاربردهایی که نیاز به فنریت و چقرمگی دارند.
استال به واسطه داشتن ترکیبی متعادل و موازنه شده از خواص فیزیکی-شیمیایی گوناگون، اهمیت زیادی را در کاربردهای مختلف پیدا کرده است. دو نوع از استال‌ها در دسترس می‌باشند که عبارتند از
- رزین هموپلیمر (متشکل از فقط یک نوع پلیمر) با خواص مکانیکی تقویت‌شده، بالاتر به هنگام مصرف نهایی و شاخص جریان مذاب بالاتر
- رزین کوپلیمر (علاوه بر پلیمر اصلی دارای کوپلیمر یا پلیمر کمکی نیز می‌باشند که برای تغییر خواص منظور رسیدن به برخی از خواص مطلوب و بهبود خواص ویژه از آن‌ها استفاده می‌شود) که ویژگی‌های فرآیندی و نیز مقاومت در برابر ضربه بهتری دارد.
مزایای استال
- خواص مکانیکی خوب، استحکام کششی مطلوب و بالا، صلبیت و چقرمگی عالی
- سطوح قالب گیری شده و جلادار و براق
- ضرایب اصطکاک استاتیک و دینامیک پائین
- خواص الکتریکی و مکانیکی خود را تا دمای ۲۳۰ درجه فارنهایت حفظ می‌کند
- برای استفاده در کاربردهایی که در تماس با مواد غذایی می‌باشد، کاملاً تأیید شده‌اند و مجوز استفاده از آن‌ها در صنایع غذایی، صادر شده است
- مقاومت شیمیایی عالی در برابر هیدروکربن‌ها، آلدئیدها، کتن‌ها، الکل‌ها و سوخت‌های متداول
محدودیت‌های استال
- مقاومت ضعیف در برابر اسیدها و بازها
- شرینک یا انقباض درون قالبی بالا
- اگر از انواع ویژه استال که دارای افزودنی مقاوم در برابر تابش UV می‌باشند، استفاده شود؛ وقتی که در معرض تابش UV قرار می‌گیرند، تخریب نمی‌شوند. ولی انواع معمولی استال وقتی در برابر تابش فرابنفش قرار گیرند، تخریب می‌شوند.
- قابل اشتعال
- دماهای مذاب فرآیندی اضافی (بالاتر از ۴۵۰ درجه فارنهایت) می‌تواند منجر به تخریب حرارتی قابل توجه ماده شود که با آزادشدن گازهای فرمادئید همراه است.
- تخریب حرارتی بسیار شدید شبیه به انفجار، وقتی اتفاق می‌افتد که مذاب استال با PVC آلوده شده باشد.
- وقتی که سطح استال اصلاح نشده باشد، برقراری پیوند با سطح بسیار دشوار است.
کاربرد پلی‌استال در لوازم خانگی
- یخچال‌ها: بست‌ها یا گیره‌های قفسه‌بندی، قلاب‌های دیوارکوب داخل یخچال، یاتاقان‌ها و چرخ‌دنده‌ها
- ماشین‌های لباس‌شویی و خشک‌کن‌ها: دنده‌ها، یاتاقان‌ها، نوارهای ضد سایش، لوازم یدکی و ابزارآلات دستگاه و اتصالات لوله
- ماشین‌های ظرف‌شویی: غلتک‌های چرخ‌دنده‌دار، سردوشی‌های ویژه پاشیدن، وسایل ویژه پخش مواد شوینده صابونی و حامل‌ها یا پایه‌های صافی
- وسایل الکترونیکی خانگی که همگی جزء قطعات ظریف پلاستیکی داخل ماشین لباس‌شویی و ظرف‌شویی به شمار می‌روند که تعدادشان نیز بسیار زیاد است.
- صفحه کلیدها: سرپوش‌های کلید، دوشاخه‌ها یا پلانگرها، میله‌های راهنما و صفحات پایه
- تلفن‌ها: دگمه‌های فشاری، دنده‌ها، یاتاقان‌ها و فنرها
- اجزای پیمانه، تنظیمی یا مدولار: گیره‌ها، صفحه ابزارهای ویژه آویزان کردن وسایل مختلف، اتصالات، نوارهای محافظ انعطاف‌پذیر برای کشوها، فنرهای قفل‌کننده و محکم نگاه‌دارنده و گیره‌ها یا انبرک‌ها
- وسایل DVD Playerهای صوتی و تصویری و ضبط صوت‌ها (Recorders): توپی‌های داخل نوار کاست، غلتک‌های راهنما، بادامک‌ها، چرخ‌دنده‌ها، مقره‌های عایقی مرکب، عایق‌ها یا بوشینگ‌ها و یاتاقان‌ها
- لوله‌کشی خانه‌ها
- وسایل اندازه‌گیری و سنجش مقدار آب: ابزارآلات، دندانه‌ها، دنده‌ها، صفحات مدرج و صفحات فشاری
- شیرهای آب: قسمت‌های زیرین شیر، فشنگ‌ها یا کارتریج‌ها، میله‌ها، مهره‌های پرکننده و آب‌راه‌ها
- نرم‌کننده‌های آب: ابزارآلات و لوازم خانگی و لوازم یدکی ویژه پمپ، پیستون‌ها، پره‌های دوار و شیرها
- فیلترها (صافی‌ها): بدنه‌ها، ورقه‌ها و صفحات نمایش مدرج
- تنظیم‌کننده‌های فشار: بدنه‌ها، میله‌ها، دست‌گیره‌های گرد و صفحات فشاری
- پخش آب یا دوش‌های آب آشامیدنی: اتصالات، شیرهای تخلیه، شیرهای قطع و آداپتورهای لوله‌ای فلزی
- کاربردهای ویژه برای مصرف‌کننده:
- حفاظت‌های شخصی: ریمل ویژه مژه و ابرو، عطر و ادکلن، قوطی‌ها یا بدنه‌های اسپری‌های زیر بغل، شانه‌ها، شیرهای آئروسلی (تولید قطرات ریز)، پخش‌کننده‌های مواد شوینده صابونی و دست‌گیره های (اعمال‌کننده) اپلیکاتور آرایشی
- وسایل کوچک: دنده‌های موتور، بادامک‌ها، یاتاقان‌ها، پمپ‌ها، اعمال‌گرهای چسب، لوازم یدکی و ابزارآلات و فنرها
- اسباب‌بازی‌ها: پوسته‌ها یا روکش های پلاستیکی، چارچوب‌ها، دنده‌ها، یاتاقان‌ها، دندانه‌ها، فنرها، چرخ‌ها و اتصالات
- کالاهای ورزشی: چوب‌های اسکی، دنده‌ها، یاتاقان‌ها، میله‌های راهنما، صفحات پوششی انعطاف‌پذیر
- قطعات تزئینی نصب پرده: پارچه‌های پرده‌ای و میله‌های راهنمای پنجره‌های کرکره‌ای متحرک، آویزها، غلتک‌ها، یاتاقان‌ها، پوشش‌های مبلمان، صفحات اسلاید و قفل‌ها، نگهدارندههای ابزار که ابزار بر روی آن نصب و آویزان می‌شود. یاتاقان‌ها، دنده‌ها و لوازم یدکی یا ابزارآلات
همراهان عزیز می‌توانند جهت برقرای ارتباطات دوسویه، انتقال سوالات، نظرات و پیشنهادات سازنده خود از طریق پست الکترونیک زیر ما را یاری فرمایند.
info@fara-ps.com
پلاستیک‌های بهبودیافته
بعضی از پلاستیک‌ها را می‌توان از استخلاف برخی از گروه‌های عاملی روی یک مولکول طبیعی مانند سلولز به دست آورد.
تری‌استات‌سلولز در حقیقت همان سلولزی است که سه گروه استیل، جای‌گزین سه گروه هیدروکسیل موجود روی حلقه پیرانوزی آن شده‌اند و تغییرات بسیاری را در خواص محصول (تری‌استات سلولز) به وجود آورده‌اند.
از آن‌جا که گروه‌های هیدروکسیل جای خود را به استیل می‌دهند، جذب رطوبت و تورم این لیف کمتر و به خاطر کاهش پیوندهای هیدروژنی که گروه‌های هیدروکسیل سلولز با زنجیرهای مجاور خود ایجاد می‌کنند (و امکان ذوب شدن را از سلولز سلب می‌نمایند) تری‌استات از توانایی ذوب و قالب‌گیری شدن برخوردار است، شستشوی آن آسان‌تر، چروکیدگی آن سخت تر، مقاومت آن در برابر حرارت بالاتر و ایمنی دمای اتوکشی آن زیادتر می‌شود.
از تری‌استات سلولز می‌توان در تهیه الیاف و قطعات شفاف، دارای جلای زیاد و چقرمه مانند قاب عینک و شیشه عینک، عینک‌های ایمنی، دسته ابزارها و… استفاده کرد.
مقاومت الیاف تری‌استات سلولز (که به اختصار به آن تری‌استات و استات می گویند) در برابر مواد شیمیایی، تابش مستقیم نور خورشید و شرایط جوی (در دمای اتاق) بسیار بالاست.
در شکل زیر جای‌گزینی سه گروه عاملی استیل به جای سه گروه هیدروکسیل روی حلقه پیرانوزی سلولز دیده می‌شود.
جای‌گزینی سه عامل استیل به جای سه عامل هیدروکسیل روی حلقه پیرانوز سلولز
مصارف الیافی عمده این لیف در لباس‌های زنانه، دامن، خصوصاً لباس‌هایی که باقی‌مانده تاه‌شدگی (پلیسه) و چین‌خوردگی آن‌ها به مدت طولانی مورد نظر باشد، آستری کفش، چادر صحرایی، تور ماهی‌گیری، و مصارف مشابه کاربرد دارد.
پلاستیک بهبودیافته دیگری که در این مبحث معرفی می‌شود، نیتروسلولز است که از نیتراسیون پنبه به وسیله اسیدنیتریک حاصل می‌شود و طی آن گروه‌های عامل (ONO2) روی حلقه پیرانوزی سلولز قرار می‌گیرد. C6H7O2. سلولوئید نام تجارتی آمیزه‌ای از نیترات سلولز، همراه با کافور به عنوان نرم‌کننده (یا نرم‌کننده دیگر) و به تأخیراندازه شعله، مانند فسفات آمونیوم است.
ترکیب سلولز با اسید نیتریک یک واکنش استری شدن است که در اثر این واکنش عوامل نیترات جای‌گزین عوامل هیدروکسیل می‌شوند، ابتدا سلولز منونیترات، در مرحله بعد سلولز دی‌نیترات و در ادامه سلولز تری‌نیترات به دست می‌آید که هر کدام از این محصولات دارای کاربردهای مخصوص به خود هستند.
مقدار نیتروژن در سلولز دی‌نیترات بین (۱۳/۵-۱۰/۷%) می‌تواند تفاوت کند و ترکیب به دست آمده در ساخت پلاستیک‌ها، لاک‌ها، تکمیل چرم‌ها، فیلم‌ها، جوهر چاپ، لاک‌های اتومبیل که سریع خشک می‌شوند، همچنین در لاک باروتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
با تغییر میزان نیتروژن، خواص محصول به دست آمده به شدت تغییر می‌کند.
نیتروسلولز درصدهای پایین (۱۲/۲-۱۰/۷%)، جهت تهیه لاک‌ها، فیلم‌ها، مواد تکمیل چرم‌ها، رنگ‌های مصرفی روی پوشش‌های چوب (کلیر)، مرکب چاپ، لاک تزئین ناخن، چسب و بتونه، حجم کاربرد بسیار زیادی را به خود اختصاص داده است.
مقادیر بالاتر نیتروژن، به نیترات سلولز قابلیت انفجاری شدید می‌بخشد، این ترکیب بعد از باروت ساخته شد و مشخص گردید که قدرت انفجاری آن ۵ برابر باروت سیاه است، بزرگ‌ترین مصرف‌کنندگان نیتروسلولز صنایع نظامی هستند، مانند سلولوئید به کار رفته در خرج گلوله خمپاره‌ها، خرج آر پی جی، سوخت موشک‌ها و موارد مشابه دیگر.
در جدول زیر تأثیر درصد نیتروژن بر خواص ترکیبات مختلف نیترات سلولز نشان داده شده است.
اگر عوامل نیترات به طور کامل جانشین سه عامل هیدروکسیل روی حلقه پیرانوز شوند در این حالت درصد نیتروژن در این ترکیب (۱۴/۴%) برآورده می‌شود که ظاهراً این عدد تئوری است و احتمال رسیدن به آن دشوار می‌باشد، هر چند صنایع ذی‌ربط مدعی هستند به این عدد رسیده‌اند.
در مراکز تولیدی، تحقیقاتی و مراکزی که با این ماده مستقیماً در ارتباط هستند همچنین در بسیاری از کتب مرجع پلاستیک به اختصار NC می‌گویند.
همراهان عزیز می‌توانند جهت برقرای ارتباطات دوسویه، انتقال سوالات، نظرات و پیشنهادات سازنده خود از طریق پست الکترونیک زیر ما را یاری فرمایند.
info@fara-ps.com
کاربرد پلاستیک‌ها در لوازم خانگی – بخش اول: پلیمر ABS و کامپاندهای آن
اکریلونیتریل بوتادیان استایرن (ABS)
ساختار شیمیایی و خواص فیزیکی و مکانیکی ABS به صورت زیر است
خواص عمومی ABS
رزین‌های ABS مجموعه‌ای از خواص کاملاً موازنه و متعادل شده را برای قالب‌گیری قطعات با کنترل ابعادی دقیق فراهم می‌آورد به طوری که آن‌ها پرداخت سطح بسیار عالی و در حد مطلوبی دارند، مقاومت آن‌ها در برابر ضربه و نیز ویژگی‌های آب‌کاری فلزی خوبی دارند. رزین‌های ABS به خانواده بسیار گسترده‌ای از پلیمرهای ترموپلاستیک (بسپارهای گرمانرم) تعلق دارند. ABS از طریق ترکیب سه مونومر تولید می‌شود: اکریلونیتریل (AN)، بوتادیان (BD) و استایرن (S). ساختار شیمیایی این مونومرها ایجاب می‌کند که هر مونومر جزء مهمی از رزین‌های ABS باشد به این معنی که هر مونومر، مسئول تأمین خاصیت ویژه‌ای از رزین‌های ABS است.
پلیمر ABS از نسبت‌های مختلفی از اکریلونیتریل، بوتادیان و استایرن تشکیل می‌شوند. اکریلونیتریل مؤثر بر استحکام کششی، پایداری گرمایی و مقاومت شیمیایی می‌باشد. بوتادیان بر چقرمگی، مقاومت ضربه و خواص دمای پایین تأثیرگذار است در حالی که استایرن مؤثر بر براقیت، صلبیت و فرآیندپذیری می‌باشد. با تغییر نسبت این مؤلفه‌ها، دامنه وسیعی از انواع مواد این مواد به وجود می‌آیند که دارای خواص ضربه‌پذیری بالا و متوسط، و قابلیت آب‌فلزکاری، مقاومت در برابر گرما و براقیت زیاد و کم می‌باشند.
مواد ABS ترکیب متعادلی از چقرمگی، استحکام کششی، پایداری ابعادی، صلبیت و خواص عایق‌کاری الکتریکی را از خود بروز می‌دهند. آن‌ها همچنین خواص ضربه‌پذیری عالی، عمل‌کرد دمایی وسیع و کیفیت سطح فوق‌العاده را دارا می‌باشند. مواد ABS توسط قالب‌گیری تزریقی (قطعات و اجزای یخچال و فریزر)، قالب‌گیری دمشی، اکستروژن (سینی‌های داخل یخچال)، قالب‌گیری اسفنجی و شکل‌دهی گرمایی (آستری در یخچال) فرآیند می‌شوند.
پلاستیک‌های ABS، سامانه‌های دو فازی می‌باشند. استایرن اکریلونیتریل (SAN) فاز پیوسته بستر پایخ یا زمینه (ماتریس) را تشکیل می‌دهد. فاز دوم از ذرات پراکنده شده یا پراکنش یافتته بوتادیان تشکیل شده است که در آن لایه‌ای از SAN بر روی سطح پیوند خورده است. لایه ماتریس اتصال‌دهنده SAN، سبب می‌شود تا دو فاز تشکیل‌دهنده این پلیمر با هم کاملاً سازگار باشند.
تعادل یا موازنه خواص از طریق نسبت مونومرها و به وسیله ساختار مولکولی دو فاز، کنترل می‌شود. پایدارکننده‌ها، روان‌کننده‌ها، رنگین‌کننده‌ها و افزودنی‌های دیگر را می‌توان به سامانه افزود و این مسأله در حالی که تولید ABS را بسیار پیچیده می‌کند ولی از سوی دیگر انعطاف‌پذیری شگرفی را در طراحی خواص محصول پدید می‌آورد. در نتیجه موفولوژی و ریزساختار بی‌نظیر ABS، صدها محصول محتلف از ABS، بسط و توسعه یافته‌اند که به طور تجاری قابل دسترس می‌باشند. ۱- رزین‌های ویژه قالب‌گیری تزریقی و ۲- رزین‌های مخصوص اکستروژن. اختلاف اولیه میان این دو نوع تجاری، ویسکوزیته حالت مذاب آن‌ها می‌باشد که برای رزین‌های قالب‌گیری تزریقی، ویسکوزیته مذاب به طرز قابل توجه‌ای پایین‌تر است. در هر طبقه از پلیمرهای ABS، گروه‌های متناظری از انواع تجاری وجود دارند. انواع تجاری ABS استاندارد را می‌توان براساس استحکام ضربه‌ای به سه دسته استحکام ضربه‌ای متوسط، بالا و اانواع بسیار محکم در برابر ضربه تقسیم کرد. همچنین انواع ABSهای استاندارد را بر مبنای جلای سطح بنیز می‌توان به ۳ دسته طبقه‌بندی کرد ۱) جلای سطح کم ۲) جلای سطح بالا ۳) جلای سطح بسیار بالا. انواع ویژه ABS شامل موارد زیر می‌باشند. ABS با مقاومت حرارتی بالا، ABS ویژه آب‌کاری، ABS شفاف، ABS به تأخیرانداز شعله و ABS با انواع ساختارهای فومی.
انواع استاندارهای ABS معمولاً با سوختن آخسته (UL-94 HB) درجه‌بندی آزمایش‌گاهی مرجع ویژه صدور مجوز کیفیت، ساخت و فروش موسوم به UL را کسب می‌کنند. مواد به تأخیرانداز شعله در ضخامت‌های in 062/0، (UL-94 V0) و در ضخامت‌های in 125/0، (UL-94 5V) را دارند. در انواع ABS شفاف از MMA (متیل اکریلات) برای ایجاد خاصیت عبور معادل ۷۲% و میزان کدورت یا مه (Haze Leve) برابر ۱۰%، استفاده می‌کند. آلیاژهای ABS-PVC در انواع با جلای زیاد و با جلای کم ساخته و تولید شده‌اند که تجاری شده و دردسترس می‌باشند. آلیاژهای ABS-PC در انواع قالب‌گیری تزریقی و انواع ویژه آب‌کاری دردسترس می‌باشند. آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت ABS-SMA در انواع تجاری قالب‌گیری تزریقی، اکستروژن و ویژه آب‌کاری دردسترس می‌باشند. آلیاژهای ABS-PA نیز در انواع تجاری شده ویژه قالب‌گیری تزریقی در دسترس می‌باشند.
ABS انتخابی عالی برای استفاده در آلیاژها (Alloys) و مخلوط‌های چند آمیزه (Blends) می‌باشد. وقتی که پلاستیک‌ها با یک‌دیگر ترکیب می‌شوند، ویژگی‌ها و جنبه‌های مثبت هر یک را می‌توان حفظ و نگهداری کرد و حتی افزایش داد. در حالی که خصوصیات نامطلوب هر یک را می‌توان کاهش داد.
آلیاژهای ABS-PC و ABS-PVC آلیاژهایی هستند که به خوبی شناسایی شده و بر روی آن‌ها کار شده است و در عمل هم از آن‌ها استفاده می‌شود. نوآوری‌های اخیر آلیاژهای جدید از ABS را نیز معرفی نموده است که عبارتند از ABS-استایرن-مالئیک انیدرید (ABS-SMA) و ABS-پلی‌آمید (ABS-PA).
ABS مزایایی همچون توانایی فرآیند نمودن و ظاهر خوب و قیمت پایین را همراه با ترکیبی متعادل از خواص مهندسی مطلوب با خود به ارمغان آورده است. موازنه خواص، مهم‌ترین ویژگی ABS و آلیاژهای مربوطه به آن می‌باشد.
مزایای ABS
- مقاومت در برابر ضربه (چقرمگی) و خواص صلب، سخت و سفت مطلوب
- خزش پایین
- پایداری ابعادی خوب
- خواص فیزیکی و مکانیکی بالا که استحکام و قدرت بالا را به دنبال دارد.
- پوشش‌های فلزی، چسبندگی عالی را به سطح ABS از خود نشان می‌دهند
- با استفاده از روش‌های ترموپلاستیک متداول، قابل تیدیل است و پلاستیکی است که وزن سبکی دارد.
محدودیت‌های ABS
- ABS در برابر اسیدها مقاوم است (به جز اسیدهای اکسیدکننده غلیظ)، همچنین در برابر قلیاها، نمک‌ها، روغن‌های اساسی و ضروری و محدوده گسترده‌ای از محصولات غذایی و دارویی مقاوم است. ولیکن از طریق بسیاری از حلالهای شامل کتون و استر، به راحتی تحت حمله قرار می‌گیرد و در مجموع مقاومت آن‌ها در برابر حلالهای آلی کم است.
- استحکام دی‌الکتریک یا عایقی پایینی دارد یعنی مقاومت آن در برابر عبور الکتریسیته کم است، عایق خوبی نیست.
- تغییر طول یا ازدیاد طول پایینی دارد و کشسان نیست.
- درجه حرارت کاری پیوسته پایین
- با این که خاصیت مکانیکی قطعه نهایی نسبت به رطوبت حساس نیست ولیکن وجود رطوبت در حین فرآیند نمودن می‌تواند منجر به ظهور مشکلاتی در ظاهر قطعه گردد. بیش‌ترین مقدار رطوبت مجاز و مناسب برای قالب‌گیری تزریقی ۰/۲% و برای اکستروژن ۰/۰۳% می‌باشد که می‌توان با استفاده از یک خشک‌کن هوایی رطوبت زدا، در عمل به این مقدار رسید.
به طور کلی پلیمر ABS در ساخت قطعات داخلی یخچال، پنل‌های کنترل لوازم خانگی و آشپزخانه، محفظه (جاروبرقی، غذاساز، چای‌ساز)، آسترهای یخچال، بدنه جاروبرقی، لباس‌شویی و قاب تلویزیون کاربرد دارد. کالاهای خانگی و مصرفی عمده‌ترین کاربردهای ABS است.
کاربردهای ABS در لوازم خانگی
- یخچال‌ها: برای درب‌ها و آسترها و فیلم‌های پلاستیکی که برای نگهداری مواد غذایی داخل یخچال از ABS استفاده می‌شود. اکستروژن‌های با مقاومت در برابر ضربه متوسط و انواع تجاری قالب‌گیری شامل ABS شفاف، در ظروف تازه نگه‌دارنده مواد غذایی، نوارهای درزگیر دور یخچال، پایه‌های قفسه، سینی‌های قطعات تبخیرکننده و حفاظ‌های پلاستیکی پایین درب یا در محل اتصال در با زمین استفاده می‌شود.
- بدنه‌های لوازم خانگی کوچک و کاربردهای ابزار برقی: این نوع لوازم و ابزارها شامل موارد زیر می‌باشند: سشوارها، اتوهای سنگی مخصوص فردادن مو، مخلوط‌کن‌ها، درب‌بازکن‌های برقی قوطی کنسرو، قهوه‌سازها، فرآیندکننده‌های مواد غذایی، فن‌ها یا پنکه‌های برقی، جاروبرقی‌ها، دریل‌های برقی، بادبزن‌های ورقهای و پایه‌ها یا نگهدارندههای ماشین چمن‌زنی.
- کالاهای خانگی: فراپیش‌خوان‌های میز (وسایل یا لوازم خانگی رومیزی)، قسمت‌های مربوط به دور سینک و لوله، واحدهای تهویه مطبوع هوا که در پشت بام نصب شده‌اند.
- قطعات الکترونیکی تجاری و مخصوص مصرف‌کننده: نوارهای ویدئویی، تلویزیون‌ها، تجهیزات صوتی تصویری، بدنه‌های کامپیوترها، چاپ‌گرها و دستگاه‌های کپی.
سایر کاربردها
- خروج یا تخلیه: فاضلاب‌ها، لوله‌های تخلیه، اتصالات لوله و بدنه‌های صافی استخر و زوائد تزئیناتی.
- مخابرات: بدنه‌های گوشی تلفن، گوشی تلفن‌های قابل حمل بدنه‌های ماشین تایپ و کلیدهای صفحه کلید کامپیوتر.
- وسایل و لوازم تفریحی: قالب‌گیری‌های موتورسیکلت، قایق‌ها، هواپیماها، چادرهای ویژه اردوگاه‌ها، چمدان با بدنه سخت و آسترهای دستگاه‌های سردکننده ویژه پیک‌نیک.
- کیف‌های اسناد، جعبه‌های ویژه لوازم آرایش، بسته‌بندی‌های خانگی، اسباب‌بازی‌ها و تجهیزات فتوگرافیک (عکاسی).
از آن‌جا که ABS هیچ ماده سرطان‌زای شناخته‌شده‌‌ای ندارد نسبتاً بی‌ضرر است و هیچ اثر سوئی بر سلامتی و در ارتباط با قرار گرفتن در معرض ABS وجود ندارد.
همراهان عزیز می‌توانند جهت برقرای ارتباطات دوسویه، انتقال سوالات، نظرات و پیشنهادات سازنده خود از طریق پست الکترونیک زیر ما را یاری فرمایند.
info@fara-ps.com
کاربرد پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر سنتزی در تجهیزات پزشکی
در نیمه اول این قرن، تحقیقات بر روی مواد سنتز شده از اسید گلایکولیک و دیگر اسیدهای آلفا هیدروکسی کنار گذاشته شد زیرا پلیمرهای به دست آمده برای استفاده صنعتی طولانی مدت بسیار ناپایدار بودند. با این حال این ناپایداری منجر به زیست‌تخریب‌پذیری در سه دهه گذشته در کاربردهای پزشکی بسیار مهم بوده است. پلیمرهای تهیه شده از اسید گلایکولیک و اسید لاکتیک کاربردهای زیادی را در صنعت پزشکی پیدا کردند. شروع آن با بخیه‌های زیست‌تخریب‌پذیر بود که برای اولین بار در ۱۹۶۰ تأیید شد.
از آن زمان محصولات متنوع مبتنی بر اسید لاکتیک، اسید گلایکولیک و دیگر مواد شامل پلی‌دی‌اکسانون، کوپلیمرهای پلی‌تری‌متیلن‌کربنات، هموپلیمرهای (ε-caprolactone) و کوپلیمرهای آن برای استفاده به عنوان تجهیزات پزشکی پذیرفته شده‌اند. علاوه بر این موارد تأیید شده، تحقیقات زیادی در مورد پلی‌انیدریدها، پلی‌اورتواسترها، پلی‌فسفاژن‌ها و دیگر پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر ادامه دارد. شکل زیر یک نمونه اولیه درون عروقی از آمیزه پلی‌لاکتاید و تری‌متیلن‌کربنات را نشان می‌دهد.
چرا یک متخصص پزشکی (پزشک) تمایل دارد این مواد تخریب شوند؟
دلایل مختلفی ممکن است وجود داشته باشد اما اساسی‌ترین آن‌ها با خواست پزشک برای داشتن وسیله‌ای است که می‌تواند به عنوان کاشت (ایمپلنت) مورد استفاده قرار گیرد و نیازی به مداخلات جراحی ثانویه برای برداشتن نداشته باشد. در کنار حذف جراحی ثانویه، زیست‌تخریب‌پذیری، ارائه‌دهنده دیگر مزایا است. به عنوان مثال یک استخوان شکسته که با یک ایمپلنت ضد زنگ سخت ثابت شده است، با برداشتن ایمپلنت تمایل به شکست مجدد دارد. از آن جا که تنش توسط فولاد ضد زنگ تحمل می‌شود، استخوان قادر به تحمل بار کافی در طول روند ترمیم نیست. با این حال ایمپلنت تهیه شده از پلیمر زیست‌تخریب‌پذیر می‌تواند به گونه‌ای مهندسی شود که به تدریج بار را به استخوان در حال ترمیم منتقل کند. استفاده هیجان‌انگیز دیگر برای پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر، پتانسیل فوق‌العاده را ارائه می‌دهد که اساس رهایش دارو است (یا به تنهایی به عنوان یک سیستم آزادسازی دارو و یا در ارتباط با عمل‌کرد یک دستگاه پزشکی است). دانشمندان پلیمر طی ۳۰ سال گذشته پیشرفت‌های شگرفی را در زمینه پزشکی و تجهیزات داشته اند. این مقاله بر تعدادی از این تحولات تمرکز می‌کند. ما همچنین شیمی پلیمرها از جمله سنتز و تخریب را مرور می‌کنیم و توضیح می‌دهیم که چگونه می‌توان خواص را با کنترل‌های سنتزی مناسب نظیر ترکیب کوپلیمر و تجهیزات ویژه برجسته برای فرآیند و جابه‌جایی کنترل کرد و برخی از دستگاه‌های تجاری بر اساس این مواد را مورد بحث قرار دارد.
شیمی پلیمر
پلیمرهای زیست تخریب پذیر می‌توانند طبیعی و یا سنتزی باشند. به طور کلی، پلیمرهای سنتزی مزایای بیش‌تری نسبت به مواد طبیعی ارائه می‌دهند، زیرا می‌توانند طیف وسیع‌تری از خواص و یکنواختی قابل پیش‌بینی‌تری را نسبت به مواد طبیعی به دست آورند. پلیمرهای مصنوعی همچنین منبع قابل اطمینان‌تری از مواد اولیه بدون هیچ گونه نگرانی از ایمنی‌زایی را نشان می‌دهند. جدول زیر خواص پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر رایج را نشان می‌دهد.
معیارهای کلی برای انتخاب یک پلیمر برای استفاده به عنوان یک ماده زیستی، تطابق خواص مکانیکی و زمان تخریب با نیازهای مورد درخواست است (جدول) پلیمر ایده‌‌آل برای یک کاربرد خاص به این گونه تنظیم می‌شود که:
- خواص مکانیکی مطابق با کاربرد دارد و تا زمانی که بافت اطراف ترمیم می‌شود به اندازه کافی مستحکم می‌ماند.
- پاسخ سمی یا التهابی ایجاد نمی‌کند.
- پس از انجام کار (تحقق یافتن هدف) در بدن متابولیزه می‌شود و اثری بر جای نمی‌گذارد.
- به راحتی در شکل محصول نهایی قابل پردازش است.
- ماندگاری قابل قبولی را از خود نشان می‌دهد.
- به راحتی استریل می‌شود.
عوامل مؤثر بر کارایی مکانیکی پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر به خوبی برای دانشمندان پلیمر شناخته شده‌اند و شامل انتخاب منومر، انتخاب آغازگر، شرایط فرآیند و حضور افزودنی می‌شود. این عوامل به نوبه خود بر آب دوستی، بلورینگی، دمای ذوب و انتقال شیشه‌ای، وزن مولکولی، توزیع وزن مولکولی، گروه‌های انتهایی، توالی توزیع (تصادفی در مقابل بلوکی) و وجود منومر باقی مانده یا افزودنی‌ها تأثیر می‌گذارد. علاوه بر این، دانشمند پلیمری که با مواد زیست‌تخریب‌پذیر کار می‌کند می‌بایست هر کدام از این متغیرها را برای تأثیر آن بر زیست‌تخریب‌پذیری ارزیابی کند. تخریب زیستی با استفاده از پلیمرهای سنتزی که دارای پیوندهای هیدرولیتیک ناپایدار در پیکره خود هستند، انجام شده است. رایج‌ترین گروه‌های عاملی شیمیایی با این مشخصه استرها، انیدریدها، اورتواسترها و آمیدها هستند. ما اهمیت خواص موثر بر زیست‌تخریب‌پذیری را بعداً در مقاله مورد بحث قرار خواهیم داد.
بخش زیر مروری بر پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر سنتزی دارد که در حال حاضر مورد استفاده یا بررسی در بستن زخم (sutures, staples)، دستگاه‌های تثبیت ارتوپدی (پین‌ها، میله‌ها، پیچ‌ها، چسب‌ها و رباط‌ها)، کاربردهای دندان‌پزشکی (بازسازی بافت هدایت شده)، کاربردهای قلبی عروقی (استنت و پیوند) و کاربردهای روده‌ای (حلقه‌های پیوند دهنده) قرار می‌گیرند. بیش‌تر تجهیزات زیست‌تخریب‌پذیر تجاری در دسترس پلی‌استرهایی هستند که از هموپلیمرها یا کوپلیمرهای گلیکولید و لاکتاید تشکیل شده‌اند. همچنین تجهیزاتی ساخته شده از کوپلیمرهای تری‌متیلن‌کربنات و ε-caprolactone و یک محصول بخیه از پلی‌دی‌اکسانون وجود دارد.
پلی گلیکولید (PGA)
پلی گلیکولید ساده‌ترین پلی‌استر آلیفاتیک خطی است. PGA برای توسعه اولین بخیه قابل جذب سنتزی مورد استفاده قرار گرفت که تحت نام Dexon در ۱۹۶۰ توسط Davis و Geck به بازار عرضه شد. منومر گلیکولید از دیمریرزاسیون اسید گلیکولیک سنتز می‌شود. پلیمریزاسیون حلقه‌گشا مواد با وزن مولکولی بالا را تولید می‌کند که تقریبا ۱% تا ۳% منومر باقی‌مانده حضور دارد (شکل زیر). PGA بسیار بلورین (۴۵% تا ۵۵%) با نقطه ذوب بالا (۲۲۰ تا ۲۲۵) و دمای انتقال شیشه‌ای ۳۵ تا ۴۰ درجه سانتی‌گراد است. به دلیل درجه تبلور بالا در اکثر حلالهای آلی قابل حل نیست. موارد استثنا حلالهای آلی فلوئور دار مانند هگزافلوئوروپروپانول هستند. الیاف تهیه شده از PGA استحکام و مدول بالایی از خود نشان می‌دهند و بسیار سفت هستند و به جز شکل بافته شده می‌توانند به عنوان بخیه استفاده شوند. بخیه‌های PGA پس از دو هفته حدود ۵۰% و پس از ۴ هفته استحکام خود را از دست می‌دهند و پس از ۴ تا ۶ ماه به طور کامل جذب می‌شوند. گلیکولید با منومرهای دیگر کوپلیمر شده است تا سختی الیاف حاصل را کاهش دهد.
پلی‌لاکتاید (PLA)
لاکتاید دیمر حلقوی از اسید لاکتیک اسید است که به عنوان دو ایزومر نوری d و I و وجود دارد. l-lactide ایزومر طبیعی است و dl-lactide از آمیزه‌ی d-lactide و l-lactide سنتز شده است. هموپلیمر l-lactide (LPLA) یک پلیمر نیمه بلورین است. این مواد استحکام کششی بالا و ازدیاد طول کمی را از خود نشان می‌دهد و در نتیجه مدول بالایی دارند که آن‌ها را برای کاربردهای باربر مانند تثبیت ارتوپدی و بخیه مناسب‌تر می‌کند. پلی (dl-lactide) (DLPLA) یک پلیمر بی‌شکل (آمورف) است که توزیع تصادفی از هر دو شکل ایزومری اسید لاکتیک را نشان می‌دهد و بر این اساس نمی‌تواند در یک ساختار بلوری سازمان یافته قرار گیرد. این مواد دارای استحکام کششی کمتر، ازدیاد طول بالاتر و زمان تخریب بسیار سریع‌تر هستند و به عنوان یک سیستم رهایش دارو جذابیت بیش‌تری دارند. پلی (l-lactide) حدود ۳۷% بلورین است. نقطه ذوب حدود ۱۷۵ تا ۱۷۸ درجه سانتی‌گراد و دمای انتقال شیشه‌ای ۶۰ تا ۶۵ سانتی‌گراد دارد. زمان تخریب LPLA بسیار آهسته‌تر از DLPLA است و برای جذب کامل به بیش از دو سال زمان نیاز دارد. کوپلیمرهای l-lactide و dl-lactide تا بلورینگی l-lactide را منقطع کرده و روند تخریب را تسریع کنند.
پلی (ε-caprolactone)
پلیمریزاسیون حلقه‌گشا ε-caprolactone یک پلیمر نیمه بلورین با نقطه ذوب ۵۹ تا ۶۴ درجه سانتی‌گراد و دمای انتقال شیشه‌ای ۶۰- درجه سانتی‌گراد را نتیجه می‌دهد (شکل). این پلیمر به عنوان بافتی سازگار در نظر گرفته شده است و به عنوان یک بخیه زیست‌تخریب‌پذیر در اروپا مورد استفاده قرار می‌گیرد. از آن جا که هموپلیمر دارای زمان تخریب حدود ۲ سال است، کوپلیمرها سنتز شدند تا سرعت جذب زیستی را تسریع کنند. به عنوان مثال کوپلیمرهای ε-caprolactone با dl-lactide موادی با سرعت تخریب سریع‌تر را نتیجه می‌دهند. کوپلیمر بلوکی ε-caprolactone با گلایکولید موادی با سرعت تخریب سریع‌تر را به دست می‌دهند. این کوپلیمر بلوکی، سختی کم‌تری را در مقایسه با PGA خالص ارائه می‌دهد که به عنوان بخیه تک رشته‌ای توسط شرکت Ethicon با نام تجاری Monacryl فروخته می‌شود.
پلی دی‌اکسانون (یک پلی‌اتر-استر)
پلیمریزاسیون حلقه‌گشا p-dioxanone (شکل) منجر به اولین بخیه سنتزی تک رشته‌ای بالینی آزمایش شده موسوم به PDS (عرضه شده توسط Ethicon) شد. این ماده تقریباً بلورینگی ۵۵% با دمای انتقال شیشه‌ای ۱۰- تا ۰ درجه سانتی‌گراد دارد. این پلیمر می‌بایست در کم‌ترین دمای ممکن فرآیند شود تا از گسست پلیمر به منومر جلوگیری شود. پلی‌دی‌اکسانون هیچ اثر حاد یا سمی در کاشت (ایمپلنت) نشان نداده است. بخیه تک رشته حدود ۵۰% از استحکام اولیه خود را پس از ۳ هفته از دست می‌دهد و طی ۶ ماه جذب می‌شود و این مزیتی نسبت به Dexon و یا محصولات دیگر برای ترمیم تدریجی زخم ایجاد می‌کند.
پلی (lactide-co-glycolide)
با استفاده از خواص پلی‌گلایکولید و پلی (l-lactide) به عنوان نقطه شروع، کوپلیمریزه کردن این دو منومر برای گسترش دامنه خواص هموپلیمر امکان‌پذیر است (شکل). کوپلیمرهای گلایکولید با پلی (l-lactide) و dl-lactide برای تجهیزات و کاربرد رهایش دارو توسعه یافته‌اند. توجه به این نکته ضروری است که بین ترکیب کوپلیمر، خواص مکانیکی و خواص تخریب مواد رابطه خطی وجود ندارد. به عنوان مثال یک کوپلیمر حاوی ۵۰% گلایکولید و ۵۰% dl-lactide از هریک از هموپلیمرها سریع‌تر تخریب می‌شوند (شکل). کوپلیمرهای l-lactide با ۲۵ تا ۷۰% گلاکولید آمورف هستند؛ دلیل آن قطع نظم زنجیره پلیمر توسط منومر دیگر است. یک کوپلیمر حاوی ۹۰% گلایکولید و ۱۰% l-lactide توسط Ethicon به عنوان یک بخیه قابل جذب تحت نام تجاری Vicryl توسعه داده شد. طی ۳ الی ۴ ماه جذب شده اما کمی زمان ماندگاری بیش‌تر دارد.
شکل بالا نیمه عمر هموپلیمرهای PGA و PLA و کوپلیمرهای آن را در بافت موش کاشته شده را نشان می‌دهد.
کوپلیمرهای گلایکولید با تری‌متیلن‌کربنات (TMC) که پلی‌گلیکونات نامیده می‌شود (شکل) هم به صورت بخیه (Maxon توسط Davis و Geck ) و پیچ و مهره (Acufex Microsurgical, MA) تهیه شده است. به طور معمول به صورت کوپلیمرهای بلوکی A-B-A در نسبت گلایکولید:TMC 1:2 با بلوک مرکزی گلایکولید-TMC (B) و بلوک‌های انتهایی گلایکولید خالص (A) تهیه می‌شوند. این مواد انعطاف‌پذیری بهتری نسبت به PGA خالص داشته و تقریباً در ۷ ماه جذب می‌شوند. گلایکولید همچنین با TMC و p- dioxanone (Biosyn توسط United States Surgical corp, Norwalk,CT) پلیمریزه شده است تا یک بخیه ترپلیمر را ایجاد کند که طی مدت ۳ تا ۴ ماه جذب می‌شود و در مقایسه با الیاف PGA خالص سختی کاهش یافته را ارائه می‌دهد.
سایر پلیمرهای در حال توسعه
در حال حاضر، تنها دستگاه‌های ساخته شده از هموپلیمرها یا کوپلیمرهای گلایکولید، لاکتیک، کاپرولاکتون، پارا دی‌اکسانون و تری‌متیلن‌کربنات برای بازاریابی توسط FDA ترخیص شده‌اند. با این حال تعدادی از پلیمرهای دیگر برای استفاده به عنوان مواد برای تجهیزات زیست تخرب پذیر در حال بررسی هستند. علاوه بر سازگاری آن‌ها برای مصارف پزشکی، پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر نامزدهای بسیار خوبی برای بسته بندی و سایر کاربردهای مصرفی هستند. تعدادی از شرکت‌ها در حال بررسی روش‌هایی برای ساختن پلیمرهای زیست تخریب پذیر کم هزینه هستند. یکی از روش‌های مهندسی زیستی سنتز پلیمرها با استفاده از میکروارگانیسم‌ها برای تولید پلی استرهای ذخیره کننده انرژی است. دو نمونه از این مواد پلی‌هیدروکسی‌بوتیرات (PHP) و پلی‌هیدروکسی‌والرات (PHV) که به صورت تجاری به عنوان کوپلیمر با نام Biopol (Monsanto Co., St. Louis ) در دسترس هستند و برای استفاده در تجهیزات پزشکی مورد مطالعه قرار گرفته‌اند (شکل). هموپلیمر PHP بلوری و شکننده است، در حالی که کوپلیمرهای PHP با PHV بلورینگی کمتر، انعطاف‌پذیری بیش‌تر داشته و فرآیند آن‌ها آسان‌تر است. این پلیمرها معمولاً برای زیست‌تخریب‌پذیری نیاز به حضور آنزیم‌ها دارند اما می‌توانند در طیف وسیعی از محیط‌ها تجزیه شوند و برای چندین کاربرد زیست پزشکی در نظر گرفته می‌شوند.
استفاده از پلیآمینواسیدهای سنتزی به عنوان پلیمر برای تجهیزات زیست پزشکی با توجه به موجود گسترده آن‌ها در طبیعت، انتخاب منطقی به نظر می‌رسد. با این حال در عمل پلیآمینواسیدهای خالص به دلیل بلورینگی بالا و همچنین دشوار شدن فرآیند آن‌ها و در نتیجه تخریب نسبتاً آهسته کاربرد چندانی پیدا نکردند. با توجه به آنتی‌ژنی بودن پلیمرها با بیش از ۳ اسید آمینه در زنجیره، آن‌ها برای استفاده در محیط In Vivo نامناسب می‌کند. برای برطرف‌‌سازی این مشکلات پلیآمینواسیدهای اصلاح شده با استفاده از مشتقات تیروسین سنتز شده است. به عنوان مثال پلی‌کربنات‌های مشتق شده از تیروسین موادی با استجکام بالا هستند که ممکن است به عنوان ایمپلنت‌های ارتوپدی سودمند باشند. همچنین امکان کوپلیمریزه پلی‌آمینواسیدها برای اصلاح خواص آن‌ها وجود دارد. دسته‌ای که بیش‌تر مورد تحقیق قرار گرفتند پلی‌استرآمیدها هستند.
جستجوی پلیمرهای جدید برای رهایش دارو ممکن است پتانسیل کاربرد در دستگاه‌های پزشکی را نیز داشته باشد. در رهایش دارو دانشمند فرمولاسیون نه تنها به پایداری ماندگاری دارو بلکه به پایداری پس از کاشت نیز توجه دارد، خصوصاً زمانی که دارو ممکن است ۱ تا ۶ ماه یا حتی بیش‌تر در ایمپلنت بماند. در مورد داروهایی که از نظر هیدرولیتیک ناپایدار هستند، ممکن است پلیمری که آب جذب می‌کند منع مصرف داشته باشد. محققان ارزیابی پلیمرهای آب‌گریز بیش‌تری را آغاز کردند که با فرسایش سطح نسبت به تجزیه هیدرولیتیک توده تخریب می‌شوند. دو دسته از این پلیمرها پلی‌انیدریدها و پلی‌ارتواسترها هستند. پلی‌انیدریدها از طریق دی‌هیدراسیون مولکول‌های دی‌اسید به وسیله پلیمریزاسیون تراکمی مذاب سنتز شده اند (شکل).
زمان تخریب را می‌توان با توجه به آب‌گریزی منومر از روز تا سال تنظیم کرد. مواد در درجه اول از طریق فرسایش سطح تخریب می‌شوند و سازگاری عالی در بدن دارند. تاکنون آن‌ها فقط برای فروش به عنوان یک سیستم تحویل دارو تأیید شده‌اند. محصول Gliadel که برای رهایش داروی شیمی درمانی BCNU در مغز طراحی شده است در سال ۱۹۹۶ مجوز قانونی دریافت کرده و توسط شرکت Guilford Pharmaceuticals (Baltimore) تولید می‌شود. پلی‌ارتواسترها برای اولین بار در سال ۱۹۷۰ توسط Alza Corp (Palo Alto, CA) و SRI International (Menlo Park, CA) در جستجوی پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر سنتزی برای کاربردهای رهایش دارو مورد بررسی قرار می‌گرفت (شکل).
این مواد چندین نسل بهبود را پشت سر گذاشتند و اکنون می‌توانند در دمای اتاق بدون تشکیل محصولات جانبی تراکمی پلیمریزه شوند. پلی ارتواسترها آب‌گریز هستند و دارای پیوندهای هیدرولیتیک هستند که با اسید حساس است اما در بنیاد پایدار است. آن‌ها با فرسایش سطح تجزیه شده و نرخ تخریب را می‌توان با ترکیب مواد کمکی اسیدی یا پایه کنترل کرد.
همراهان عزیز می‌توانند جهت برقرای ارتباطات دوسویه، انتقال سوالات، نظرات و پیشنهادات سازنده خود از طریق پست الکترونیک زیر ما را یاری فرمایند.
info@fara-ps.com