تجدید علاقه به کامپوزیت‌های طبیعی!
پرکننده‌ها و الیاف طبیعی گیاهی جاذبه جدیدی پیدا کرده‌اند از آنجایی که کاربران خواهانِ کامپاندهای پلاستیکی پایدارتر و اغلب سبک‌تر هستند.
Jennifer Markaria گزارش می‌دهد.
فیلرها و الیاف گیاهی طبیعی یا تجدیدپذیر از ابتدای آغاز صنعت پلاستیک گزینه‌ای برای ترکیبات پلیمری بوده است. اما تمرکز اخیر بر کاهش ردپای کربن جلب توجه جدیدی به آنها است. در حالی که در برخی موارد، مواد گیاهی موجود تا به امروز فاقد خواص مکانیکی بوده تا جای‌گزین مستقیم الیاف شیشه شوند. فرمول‌سازان راههای زیادی برای جبران این موضوع پیدا کردند، چه راههای ترکیب با شیشه یا به‌کارگیری روش‌های جدید برای بهبود خواص پایه مواد گیاهی. بخش خودرو سال‌ها است که در صدر کار برای ترکیب مواد طبیعی قرار گرفته و به دنبال افزایش استفاده از محتوای پایدار با حفظ عملکرد است. Alper Kiziltas کارشناس فنی فورد می‌گوید: چندین بازار، سیاست و عوامل فنی در حال آمدن هستند تا الیاف طبیعی را گزینه‌ای جذاب‌تر برای کاربردهای خودرویی کنند. این شامل تغییر در رفتار مصرف‌کننده، چارچوب‌های سیاست فعلی، افزایش استفاده از پلاستیک در خودروها، نگرانی‌های زنجیره تأمین برای الیاف شیشه و نوآوری‌های تحقیق و توسعه حاصل از تأمین‌کنندگان الیاف طبیعی است. Kiziltas همچنین بیان کرد: این در حال تبدیل شدن به یک استراتژی تجاری اصلی برای صنعت خودرو است تا با آینده منابع محدود مقابله کند. استفاده از الیاف طبیعی پایداری زیست‌محیطی شرکت ما را بهبود میبخشد. براساس مطالعات درونی ما و داده‌های شخص ثالث، قطعاً مزایای LCA (ارزیابی چرخه عمر) در مقابل مواد معدنی و الیاف وجود دارد. استفاده از این مواد در حال گسترده‌تر شدن است. Kiziltas اشاره می‌کند که گروه مواد در حال ظهور و پایداری در فورد، تحقیقات کامپوزیت‌های پایدار را از سال ۲۰۰۰ را اجرا کرده است که منجر به استفاده از طیف گستردهای از مواد تجدیدپذیر نظیر کنف، پوست برنج و سلولز میشود. برخی از آنها کاندیدهای بدیهی‌تری نسبت به دیگری هستند. آزمایشات اخیر فورد نشان داده است که پوست قهوه پس از فرآیند بیوکربونیزاسیون میتواند جای‌گزین تالک در کامپاندهای PP شود. آزمایش پوست قهوه به عنوان روشی برای استفاده از ضایعات کشاورزی جهت ایجاد یک محصول پایدار انجام شد. Kiziltas بیان کرد: در حالی که آزمایشات اولیه مشکلاتی از قبیل بو، جذب آب و کربنی کردن قهوه این نگرانی‌ها را حل کرد و سازگاری بهتر با ماتریس PP را نتیجه داد. سازگاری بهبود یافته همراه با کاهش آب دوستی پر کننده کربنی شده باعث کاهش جذب رطوبت توسط قطعه کامپوزیت میشود. تیم فورد فرمول PP را با استفاده از ۲۰ درصد کربن زیستی (پوست قهوه) برای فورد ۲۰۲۰ توسعه داد تا جای‌گزین تالک ۴۰% در چراغ جلو تزریقی شود. Kiziltas می‌گوید: با استفاده از پوست قهوه (کربن زیستی) وزن را ۱۷% و هزینه را ۵% کاهش دادیم، بدون این که فرآیند یا عملکرد قطعه قربانی شود.
فورد همچنین توانست از دمای فرآیند کمتری برای قالبگیری بخش بایوکامپوزیت استفاده کند که منجر به چرخه خنک‌سازی کوتاه‌تر و صرفه‌جویی انرژی میشود. یک صرفه‌جویی اضافی در حدود ۱۵% در انرژی مصرف شده به هنگام اکسترود کردن مواد حاوی کربن زیستی وجود دارد که دلیل آن روان‌کاری مواد آلی در مقایسه با رئولوژی مواد معدنی است. Kiziltas بیان می‌کند: به طور کلی ما نتایج این ماده کامپوزیت نوآورانه را در صرفه‌جویی کل انرژی ۲۵% تخمین زدیم. تیم تحقیق و توسعه فورد نیز در حال بررسی پرکننده‌های کربن زیستی است. با استفاده از پیرولیز زیست توده جهت دست‌یابی به ماده متخلخل تولید میشوند که به عنوان یک راه حل جهت بهبود پایداری گرمایی مواد طبیعی است. الیاف طبیعی دارای پایداری حرارتی کمتری نسبت به بسیاری از الیاف جای‌گزین مصنوعی، محدود شدن کاربرد آنها به دمای فرآیند پایین پلیمر (کمتر از ۲۰۰ درجه) و محیط‌های خودرو با دمای پایین هستند. مطالعات اخیر ما ثابت کرد که می‌توانیم با استفاده از کربن زیستی به عنوان پرکننده در کامپوزیت‌های ترموپلاستیک مهندسی مانند PA6 و PA66 استفاده کنیم.
نانو سلولز
Performance Biofilaments کانادا که با حمایت از ercer International و Resolute Forest Products می‌گوید: تکنولوژی فرآیند اختصاصی با بهره‌گیری از الیاف چوب آنها را به نانوفیبریل سلولز (NFC) با استحکام و خلوص بالا تبدیل می‌کند. مطابق گفته Geoff Fisher مدیر توسعه این شرکت، مواد NFC در ترموپلاستیک‌ها برای طیف وسیعی از کاربردها در حال ارزیابی هستند. عملکرد بیوفیلامنت‌ها اخیراً با یک سری آزمون‌های مرکز تحقیق و توسعه مواد خودرویی شخص ثالث در کانادا تکمیل شد. ما NFC خود را در یک سیستم هیبریدی با الیاف شیشه در آمیزه‌های PP ترکیب کردیم و نتایج امیدوارکننده‌ای به دست آوردیم. Fisher می‌گوید: هدف این سری آزمایش نشان دادن این که بتوانیم پایداری محتوا را در آمیزه PP افزایش دهیم (یعنی افزایش محتوای الیاف طبیعی و کاهش محتوای الیاف شیشه) و سطح بالایی از عملکرد را حفظ کنیم. این شرکت در حال ساخت یک کارخانه تجاری برای تولید NFC است که انتظار می‌رود تا پایان سال ۲۰۲۲ راه‌اندازی شود. Green Dot Bioplastics در ایالات متحده پلیمرهای زیستی و قابل کمپوست را تولید می‌کند. Terratek پلاستیک تقویت شده با الیاف طبیعی آن در خط تولید ۲۰۲۰ تجاری‌سازی شده است. این مواد کامپوزیتی زیستی از الیافی مانند سیزال، بامبو آمریکایی و الیاف جوت احیا شده برای جای‌گزینی الیاف شیشه در PP ،PE و PA استفاده می‌کند. در حالی که الیاف طبیعی جای‌گزینی ۱:۱ برای الیاف شیشه نیستند، آنها یک گزینه پایدار را در بسیاری از کاربردها فراهم می‌کنند که تقویت و سختی فراتر از مواد پر نشده مورد نیاز است. شرکت می‌گوید که هم کامپاند و هم مستربچ الیاف طبیعی را تأمین می‌کند. Mark Remmert مدیر عامل Green می‌گوید: عملکرد و تأمین، دو عامل کلیدی در انتخاب الیاف طبیعی هستند. ما باید بتوانیم از یک محصول تکرارپذیر و عملکرد آن برای مشتریانمان اطمینان حاصل کنیم. بامبوی آمریکایی یک چمن بومی با خواص فیزیکی مطلوب و شیوه‌های رشد پایدار است. سال گذشته Green Dot Bioplastics با توامندترین شرکت در زنجیره تأمین، Mayco International برای حذف اتلاف و ضایعات الیاف جوت از فرآیند Mayco شریک شد، تا یک ماده NFRP جدید ایجاد کند. Sarah Harbaugh مدیر فروش و بازاریابی شرکت می‌گوید: به جای ضایعات و دفن آن، از بهره‌گیری آنها و ترکیب در گرانول بیوکامپوزیت برای کاربردهای دیگر استفاده می‌کنیم. مطابق اظهارات Luis Roca Blay رهبر آمیزه‌سازی، سازمان تحقیقات اسپانیایی Aimplas، بسیاری از الیاف طبیعی را برای استفاده به عنوان افزودنی تقویت‌کننده در پلاستیک‌های کامپوزیتی زیستی را در طول سال‌ها بررسی کرد. نمونه‌های آن شامل: کنف، سیسال، کتان، جوت و … هستند. هنگام توسعه آمیزه از پلاستیک زیستی، او پیشنهاد می‌کند که استفاده از الیاف طبیعی مطلوب‌تر باشد؛ به طوری که بسیاری از اجزا تا حد امکان تجدیدپذیر و در برخی موارد قابل کمپوست باشد.
نگرانی کمپوستسازی
کمپوست‌پذیری ویژگی جذاب رو به رشد در اروپا به ویژه برای بسته‌بندی است. با این حال اقلام بسته‌بندی ساخته شده با استفاده از پلاستیک قابل کمپوست تقویت شده با پایه گیاهی الیاف ممکن است در دست‌یابی به استاندارد EN13432 برای کمپوست‌پذیری صنعتی مشکل داشته باشند، بسته به درصد الیاف استفاده شده و ضخامت بخش. او می‌گوید: آسیاب کردن بسته‌بندی قبل از کمپوستسازی راه حلی برای این مشکل ارائه می‌دهد. استحکام و وزن کامپوزیت عوامل کلیدی در بسیاری از مصارف نهایی هستند. Roca همچنین می‌گوید: الیاف طبیعی جای‌گزین مستقیمی برای الیاف شیشه در راستای خواص تقویت‌کنندگی نیست اما اضافه می‌کند که میتواند مواد تقویت‌کننده معدنی را جای‌گزین کند و وزن را کاهش دهد. سایر افزودنی‌ها مانند اصلاح‌کننده‌های ضربه ممکن است برای ایجاد تعادل ویژگی لازم استفاده شود. Aimplas اخیراً تأخیرانداز شعله در فرمولاسیون حاوی الیاف طبیعی را مورد مطالعه قرار داده است. Roca گزارش می‌دهد که در یک فرمول اثر منفی در به تأخیر انداختن شعله یافت نشد. جای‌گزینی پلاستیک با درصدی از الیاف طبیعی سبب کاهش انتشار گرما میشود. همچنین مطالعه فرمولاسیون‌های حاوی الیاف طبیعی و بازدارنده شعله مبتنی بر فسفر مورد بررسی قرار گرفت و تأیید شد که برهم‌کنشی مضر بین آنها نیست. انجمن تحقیقاتی نروژی RISE PFI می‌گوید که به پیشرفت در توسعه بیوکامپوزیت‌های تولید شده مبتنی بر پلیمرهای زیستی به عنوان مثال الیاف زیستی، نانوسلولز و لیگنین ادامه می‌دهد. Gary Chinga Carrasco رهبر دانشمند در Biopolymers و Biocoposite منطقه در اتحادیه می‌گوید: این‌ها در حال توسعه و ارزیابی برای طیف وسیعی از کاربردها از جمله زیربنا، خودرو، بسته بندی نوشیدنی و غذا، مراقبت‌های بهداشتی و ساخت افزایشی (چاپ سه‌بعدی) هستند. این انجمن دارای یک آزمایشگاه کاملاً مجهز به چاپ سه‌بعدی جهت حمایت از افزایش تقاضا است. شرکای صنعتی به دنبال زیست پایه و راه حل‌های مواد پایدار برای چاپ سه‌بعدی و همچنین قالبگیری تزریقی هستند. چاپ سه‌بعدی امکان خوبی را برای ساخت سازه‌های پیچیده‌ای که ساخت آن‌های با فرآیندهای مرسوم آسان نیست فراهم می‌کند. چاپ سه‌بعدی نه تنها برای نمونه‌سازی استفاده میشود بلکه از آن برای ساخت دستگاه‌های کاربردی برای کاربردهای خیلی خاص استفاده میشود. Chinga Carrasco می‌گوید: علاوه بر این مصرف مواد کاهش می‌یابد که یک مزیت بزرگ از نقطه نظر اقتصادی و زیست‌محیطی است. او همچنین اضافه کرد: بایوکامپوزیت‌های زیستی تجدیدپذیر هستند و اگر ضروری باشد میتواند زیست‌تخریب‌پذیر باشد. این در مقایسه با سایر پلیمرهای فسیلی پر شده سودمند است. این منطقه در حال رشد توسعه مواد پایدار است که همچنین با اقتصاد زیستی و چرخه‌ای مطابق است.
دستاوردهای قالبگیری
فراتر از چاپ سه بعدی، پروژه RISE PFI’s BioComp در حال توسعه مواد بایوکامپوزیت جدید و پایدار است تا جای‌گزینی برای پلاستیک‌های پایه نفتی (فسیلی) در بخش قالبگیری تزریقی باشد. این پروژه تا حدی توسط شورای تحقیقات نروژ تأمین میشود؛ همکاری بین RISE PFI و شرکت‌های alloc نروژی (یک شرکت محصولات ساختمانی)، Norske Skog Saugbrugs (تولیدکننده بایوکامپوزیت) و Plasto (قالب‌گیر تزریقی) است. این پروژه در سال ۲۰۲۱ آغاز شده است و شرکا می‌گویند پیشرفت چشمگیری داشته‌اند. مطابق گفته Dag Molteberg مدیر ارشد و توسعه Norske Skog Saugbrugs ساخت کارخانه جدید ارائه بایوکامپوزیت را به پایان رسانده است که دارای خروجی ۱۲۰ کیلوگرم بر ساعت در حداکثر سرعت (حدود ۱ تن در یک روز کاری عادی) است. این شرکت تأسیسات بزرگ مکانیکی حرارتی خمیر کاغذ (TMP) برای تولید کاغذ و بایوکامپوزیت با الیاف TMP از چوب صنوبر را تأمین خواهد کرد. یک قسمت از کارخانه برای خشک کردن، آماده سازی و گرانول سازی الیاف چوب استفاده میشود. بخش دوم سیستم ترکیب را در خود جای داده است که الیاف خرد شده (گرانول شده) با پلاستیکها و افزودنی‌ها جهت تولید گرانول‌های بایوکامپوزیتی (با نام تجاری Cebico) ترکیب میشوند. سیستم اختلاط شامل مناطق گاززدایی جهت حذف رطوبت و ویژگی کنترل دما به خوبی تنظیم شده است. Molteberg می‌گوید: خط قابلیت خرد کردن هوا خشک شده و در زیر آب را دارد. قطر آمیزه‌های گرانولی بین ۳ تا ۵ میلی‌متر و طول آنها بین ۴ تا ۷ میلی‌متر است. Saugbrugs چندین تن از این مواد را از زمان تولید آزمایشی در دسامبر سال گذشته تولید کرده است. همچنین اضافه می‌کند: آزمایش مواد نشان می‌دهد که الیاف به خوبی در ماتریس پراکنده شده اند. استحکام کششی مطلوب و سختی خمشی بالا می‌دهد. پایداری ابعادی حرارتی از PE و PP پر نشده بهتر است و نتایج، جذب آب بسیار کم حتی در آب جوش را نشان می‌دهد. پارامترهای جریان مذاب نیز برای قالبگیری تزریقی قابل قبول هستند. Molteberg می‌گوید: مقدار الیاف در کامپوزیت‌ها میتوانند بین ۲۰ تا ۶۰% وزنی متغیر باشند، اما به طور معمول بین ۳۰ تا ۴۰% است. جز ترموپلاستیک شامل PE یا PP خام و بازیافت شده و در این پروژه استفاده از مواد ترموپلاستیک مبتنی بر زیستی و زیست‌تخریب‌پذیر بررسی خواهد شد. Plasto قالب‌گیر تزریقی، گرانول‌های بایوکامپوزیتی را با استفاده از تجهیزات قالبگیری تزریقی خوکار با سرعت بالا فرآیند می‌کند. Runar stenerud مدیر پروژه Plasto می‌گوید: خط تولید برای تولید روزانه به صورت ۲۴ ساعته و بدون نیاز به اپراتور پیکربندی شده است و خروجی بالا و پایدار اجزای بایوکامپوزیت تولید شده را تضمین خواهد کرد. Stenerud بیان کرد: همکاری با RISE PFI در پروژه BioComp بینش ارزشمندی از خواص مکانیکی و فرآیندی مرتبط با خواص و همچنین چگونگی طراحی برای جابه‌جایی بهینه در پایان طول عمر را به ما اعطا کرد. درگیری توسعه مراحل اولیه مواد جدید نیز این فرصت را به ما می‌دهد تا بر مشخصات مواد تأثیر بگذاریم تا بهترین سازگاری ممکن را با محصول در دست توسعه و فرآیند تولیدمان تضمین کنیم. هدف شرکت محصولات ساختمانی Alloc بازاریابی محصولات امسال پروژه Biocomp است. Leif Kåre Hindersland مدیر تحقیق و توسعه شرکت می‌گوید: ما از تجربه کردن خرسندیم که تیم تحقیق و توسعه Rise PFI انجام داد که در این راستا میتواند برای بهبود عملیات ما منتقل شود و در تولید پنل و کف‌پوش دیواری با کیفیت و خلاقانه کمک کند.
لیگنین کاربردی
شرکت فنلاندی UPM Biofore دارای چندین کسب و کار الیاف و زیست توده است و UPM Formi آمیزه پلاستیکی تقویت شده با الیاف سلولز برای قالبگیری تزریقی و چاپ سه‌بعدی را برای چندین سال تولید کرده است. این شرکت اکنون در حال توسعه یک پرکننده دیگر و در حال ساخت یک پالایشگاه زیستی در Leuna آلمان است که چوب راش را می‌گیرد و آن را به قندها هیدرولیز می‌کند که برای تولید بیومنواتیلن‌گلایکول و بیومنوپروپیلن گلایکول و لیگنین مناسب برای تبدیل به پرکننده‌های کاربردی تجدیدپذیر (RFF) استفاده میشود. یکی از اهداف RFF جای‌گزینی دوده یا سیلیکا رسوبی است. Christian Hübsch مدیر فروش و بازاریابی UPM Biochemicals (گروه UPM مستقر در آلمان) می‌گوید: در ترموپلاستیک و ترموست الاستومرها، RFF ممکن است دارای دو استفاده مختلف باشد. یک کاربرد برای RFF، یک رنگدانه سیاه جای‌گزین دوده است. مورد دوم استفاده از درصد بالای RFF جهت افزایش محتوای تجدیدپذیر و کاهش ردپای کربن است. در حالی که ویژگیهای مکانیکی قابل قبول حفظ شود. Hübsch می‌گوید: تا الان ما ترکیبات با ۳۰-۴۰% درصد وزنی RFF در PE، PP ، PBAT و… ساخته‌ایم. در حالی که RFF اغلب برای جای‌گزینی پلیمر در فرمولاسیون آمیزه استفاده میشود، میتوان برای جای‌گزینی پرکننده‌های مرسوم جهت سبک‌سازی استفاده کرد. Hübsch می‌گوید: با دانسیته تنها ۱/۳ گرم بر سانتی متر مکعب، RFF 50 تا ۶۰% از بسیاری پرکننده‌های سفید سبک‌تر است. همچنین اضافه می‌کند: RFF با ترکیبات مبتنی بر سلولز یا کامپوزیت‌های چوب-پلاستیک متفاوت است. آمیزه‌های ترموپلاستیک با درصد بالای RFF نشان دهنده یک کلاس جدید از مواد با پتانسیل عظیم آینده است. RFF اساساً بدون ترکیبات آلی فرار (VOC) است و ما در حال جمع‌آوری داده‌های لازم برای صدور گواهینامه تماس با غذا و آب آشامیدنی هستیم. UPM مرکز کاربرد را در سایت Leuna بازگشایی و آزمایش، توسعه و همچنین خدمات آمیزه‌سازی محصول را آغاز کرده است. Hübsch می‌گوید: ما شرکت خود را به عنوان یک شریک مستربچ و آمیزه‌ساز می‌بینیم. با این حال ما توسعه آمیزه‌های خودمان را انجام می‌دهیم. ما هر دو را برای مشتری خاص، برنامه‌های بهینه‌سازی ترکیب و مطالعات بنیادین دیگر به صورت موازی برای طیف گستردهای از پلیمرها و کاربردها اجرا می‌کنیم. انتظار می‌رود پالایشگاه زیستی صنعتی در اواخر سال ۲۰۲۳ راه اندازی شود و اولین مقادیر تجاری در اوایل سال ۲۰۲۴ در دسترس خواهد بود. در حال حاضر نمونه‌های مواد تا چند صد کیلوگرم توسط شرکای منتخب برای اهداف توسعه و تأیید آمیزه در حال آزمایش هستند. UPM می‌گوید که BioMotion RFF دارای CO2 خنثی است و انتظار می‌رود در مقیاس صنعتی CO2 منفی باشد. بر اساس آنالیز چرخه عمر تأیید شده شخص ثالث مطابق گفته Barbara Gall مدیر توسعه بازرگانی، پرکننده عمل‌کردی تجدیدپذیر در UPM Biochemicals فیلر بیش از ۹۴% محتوای کربن تجدیدپذیر خواهد داشت و خلوص بالا خواهد بود (VOC و محتوای گوگرد کم). Nymax Bio خط جدیدی از ترکیبات PA Avient است که دارای ۱۶ تا ۴۷% پرکننده از منابع گیاهی تجدیدپذیر مانند ذرت، کاه و گندم است. پایداری یک اولویت بالا برای برندهای مصرف کننده است. Matt Mitchel بازاریاب جهانی مواد مهندسی تخصصی شرکت می‌گوید: اکثر ابتکارات در راستای محصولات با سازگاری بیشتر با محیط زیست ساخته شده‌اند. Avient می‌گوید: در مقایسه با جای‌گزین‌های پلی‌آمید ۶۶ تقویت شده با الیاف شیشه مرسوم، گریدهای مشتقات زیستی، تابیدگی کمتر همراه با سطح ظاهری و رنگ‌پذیری مطلوب ارائه می‌کنند. فرمولاسیون‌های با جذب کم آب به نمایش پایداری ابعادی بسیار خوب و حفظ ویژگی پس از شرطی‌سازی گفته میشود. انتظار می‌رود گریدهای جدید، کاربرد در خودروسازی، صنعتی و ساختمانی پیدا کنند و میتوان آن را با قالبگیری تزریقی و اکستروژن فرآیند کرد. آنها همچنین میتوانند برای ارائه خواص کاربردی ویژه مانند جوشکاری لیزری یا تأخیر در شعله به صورت سفارشی فرموله شوند. مواد Nymax Bio در آسیا تولید میشوند اما در سطح جهانی در دسترس هستند.
کنف مناسب
مقررات در ایالات متحده در سال ۲۰۱۸ تغییر کرد تا اجازه رشد کنف را دهد. از آن زمان شرکت بیوتکنولوژی صنایع Heartland کار کرده است تا یک زنجیره تأمین کنف صنعتی قابل اعتماد ایجاد کند تا افزودنی‌های کربن منفی را برای پلاستیکها فراهم کند. مطابق گفته John ElY CMO در Heartland ریسک‌زدایی و مقیاس‌پذیری دو متغیر کلیدی در خلق زنجیره تأمین قابل اعتماد هستند. ما رویه‌های عملیاتی ساده خلق کردیم که هر کشاورز برای داشتن محصول موفق (مثل ذرت و سویا) میتواند از آن پیروی کند. این مهم‌ترین پی‌گیری برای کاهش خطر بانک‌ها و آژانس‌های بیمه است. به علاوه که ما در کنار کشاورزان در مناطق مختلف آمریکا برای بهبود انعطاف‌پذیری یک محصول در مورد حوادث موجود آب و هوایی کار می‌کنیم. Ely می‌گوید: اولین برداشت عمده محصول ایالات متحده امسال پیش‌بینی میشود و انتظار دارد که قراردادهای تجاری را در سه ماهه چهارم ۲۰۲۲ برای افزودنی‌های کنف ببیند. Heartland در ماه ژانویه یک توافق توسعه مشترک با Ravago آمریکا را برای مهندسی کردن افزودنی‌های کنف برای کاربردهای آمیزه‌های پلیمری اعلام کرد. کامپاندهای پلاستیک پرشده با کنف گفته میشود که سبک‌تر، ارزان‌تر، پایدارتر با خواص گرمایی و آکوستیک افزایش یافته هستند. Ravago که بازیافت‌کننده، آمیزه‌ساز و توزیع‌کننده است Heartland را در فرمولاسیون افزودنی‌ها راهنمایی می‌کند که نیازی به ابزارآلات مجدد برای آمیزه‌ساز و قالب‌گیرها نخواهد داشت. کنترل کیفیت الیاف کنف heartland اندازه استوار، رطوبت و ناحیه سطح را فراهم می‌کند در حالی که فرآیند مهندسی اختصاصی فرآیند و پیوند با پلاستیک را بهبود میبخشد. Ely می‌گوید: هدف ارائه جای‌گزینی ۱:۱ به تولیدکنندگان است که هزینه کمتر همراه با دیگر ویژگیهای کاربردی است که یکسان نگه داشته شده است. به عنوان مثال این شرکت در حال کار بر روی کنف پرشده به عنوان جای‌گزینی برای ترکیبات PP حاوی ۲۰% تالک است. الیاف نیز در پلیمرهایی از قبیل PE، PVC، ABS و PET ارزیابی شده است. به گفته Ravago آمیزه PP حاوی ۲۰% کنف استحکام کششی تقریباً یکسانی با PP حاوی ۲۰% تالک خواهد داشت. به علاوه دارای ۲۰% مدول خمشی کمتر و ۲۰% مقاومت ضربه آیزود بیشتر است. Chuck taylor مدیر فنی و مدیر کسب و کار Ravago Manufacturing Americas می‌گوید: همچنین کاهش وزن قطعه تا حدود ۲۰% را ارائه می‌دهد. Taylor می‌گوید: جای‌گزینی الیاف شیشه با الیاف کنف مطلوب است اما هنوز ممکن نیست. ما باید یک شیمی با دوام جهت اصلاح کنف ایجاد کنیم تا به رزین برای ایجاد تقویت چسبانده شود. او گفت تا آن زمان کنف به عنوان پرکننده عمل خواهد کرد. با این حال مطابق گفته او مشتریان به طور فزاینده‌ای درخواست محصولات تجدیدپذیر و پایدار را می‌کنند و به نظر میرسد درک کنند که این راه حل‌ها ممکن است افزایش هزینه را به دنبال داشته باشد. او اضافه می‌کند: این تمایل به پرداخت برای پایداری به طور چشمگیری با آنچه که در گذشته دیده‌ایم متفاوت است.
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
ارتقای عمل کرد فیلم های پلیمری با استفاده از فیلرهای معدنی
مواد معدنی استخراج شده از زمین، از کربنات کلسیم گرفته تا گونه های نامتعارفی مانند نفلین سینیت (nephline syenite)، همگی می توانند به عنوان پرکننده در فیلم های پلیمری مورد استفاده قرار گیرند و منجر به بهبود عملکرد این فیلم ها در دراز مدت شوند.
به عنوان مثال، در کنفرانس مربوط به بسته بندی های چندلایه انعطاف پذیر که سال گذشته توسط AMI برگزار شد، Christian Schanzer، مدیر تولید شرکت Sukano در بخش فیلم های نازک و پوشش ها، از یک عامل حفره زای جدید که قادر به بهبود کیفیت فیلم، به خصوص فیلم های BOPET (پلی اتیلن ترفتالات دو جهته) است، صحبت کرد.
این عامل حفره زای جدید که با همکاری تولید شده است، ترکیبی از چند گرید انتخابی کلسیم کربنات همراه با یک مستربچ اختصاصی است که بر اساس داده های به دست آمده از آزمایشگاه Sukano و نیز اندازه گیری های تحلیلی صورت گرفته، منجر به ایجاد یک افزودنی جدید جهت افزایش کدری و کاهش دانسیته فیلم BOPET می شود. این افزودنی در عین حال نیاز به فیلتراسیون را نیز به حداقل رسانده که این امر ارتقای بازدهی تولید را در پی خواهد داشت.
نتایج حاصل از آزمایش ها حاکی از آن است که فیلم های BOPET که به وسیله CaCO3 در آن ها حفره ایجاد شده، نسبت به فیلم های سفید دارای تیتانیوم دی اکساید (TiO2) از براقیت سطحی کمتری برخوردارند. در همین راستا، سه گرید مختلف از این افزودنی جدید بر پایه CaCO3 در فیلم سفید ۵۰ میکرونی مورد آزمون قرار گرفتند و مشخص شد براقیت سطحی فیلم حاوی این افزودنی تنها ۲۰% تا ۳۰% فیلم حاوی TiO2 است.
شرکت Sukano فرمولاسیون افزودنی جدیدش را در یک خط تولید آزمایشی در فیلم های با ساختار چندلایه نیز مورد آزمون قرار داده و نتایج به دست آمده نشان می دهند که در فیلم های کواکسترود شده، اگر عامل حفره زا در لایه مرکزی استفاده شود، منجر به افزایش براقیت فیلم خواهد شد. این در حالیست که در ساختارهای تک لایه، حضور افزودنی در فرمولاسیون، براقیت سطحی را به حدود ۲۰% مقدار اولیه کاهش می‌دهد.
همچنین، در این کنفرانس، Kysle King، مدیر فروش شرکت Sibelco آمریکای شمالی نیز به بیان ویژگیهای نوری طیف وسیعی از آنتیبلاک ها، با تمرکز بر نفلین سینیت این شرکت، پرداخت.
نفلین سینیت ترکیبی از سه فلدسپات (یا فلدسپار، نوعی کانی بلورین که از سیلیکات آلومینیوم، سدیم، پتاسیم، و کلسیم تشکیل شده و در سنگ های آذرین یافت می شود. فلدسپات ها به سه گروه کلسیک، پتاسیک، و سدیک تقسیم بندی میشوند.) است. این ماده به منظور ارتقای شفافیت/کدری در فیلم های پلاستیکی استفاده می شود. شرکت Sibelco گریدهایی از این ماده را در مجموعه Minbloc HC خود ارائه می دهد.
در دانشگاه Massachusetts Lowell، طی آزمایشی، یک رزین پایه LLDPE شرکت Dow را با استفاده از مجموعه ای از آنتی بلاک ها- از جمله Minbloc HC1400، خاک دیاتومه، تالک، و سیلیکای سنتزی مورد ارزیابی قرار دادند. میزان استفاده از آنتی بلاک های ذکر شده بین ۰/۵% تا ۰/۷۵% وزنی بود و ۴ آزمون کدری/شفافیت (ASTM D1003)، شفافیت برخط، سامانه FSP 600، و آزمون blocking (جهت اندازه‌گیری نیروی چسبندگی) در دمای ۴۰ درجه سانتی گراد بر روی نمونه ها انجام و فیلم نیز در خط تولید فیلم دمشی Battenfeld Gloucester تولید شد.
در حالی که کدری برای گرید بدون آنتی بلاک ۶/۲۷ بود، در نمونه دارای ۰/۵% وزنی HC1400 8/12 و برای نمونه حاوی ۰/۵% وزنی DE 9/12 تعیین شد. این مقادیر در زمان استفاده از ۰/۷۵% وزنی از HCL1400 و DE به ترتیب به ۱۰/۲۲ و ۱۰/۹۹ ارتقا یافت. فرمولاسیون های دیگر همگی دارای مقادیر بیشتری برای کدری بودند. در مورد شفافیت، مقدار آن که در نمونه بدون آنتیبلاک ۹۷/۶۶ بود، به ۹۱/۹۸ (برای ۰/۵% وزنی HC1400) و ۸۸/۶۲ (برای ۰/۵% وزنی DE) کاهش یافت. این مقادیر برای بارگذاری ۰/۷۵%، به ترتیب ۸۸/۸۲ و ۸۸/۲۰ بود.
در آزمون شفافیت FSP1600، نوری به فیلم تابانده می شود و به وسیله یک دوربین CCD نور جذب شده یا پراکنده شده را اندازه گیری خواهد شد. نتایج این آزمون حاکی از آن بود که فیلم های حاوی HC1400 بالاترین شفافیت را ارائه دادند.
در آزمون blocking یا انسداد و چسبندگی، که طبق استاندارد ASTM D3354 انجام می شود، نیروی چسبندگی دو لایه از فیلم بر حسب گرم بیان می شود. طبق نتایج به دست آمده، نیروی چسبندگی برای فیلم بدون فیلر معدنی ۲۰ گرم، برای فیلم دارای ۰/۵% وزنی HC1400، ۴ گرم، و برای فیلم حاوی ۰/۷۵% وزنی از این آنتی بلاک ۳ گرم بود. همچنین، برای DE و سیلیکا در بارگذاری های ۰/۷۵% و ۰/۷۵% وزنی به ترتیب مقادیر ۵، ۱، ۵، و ۱ گرم گزارش شد.
به گفته مدیر فروش Sibelco، نفلین سینیت دارای قابلیت بارگذاری بیشتر در مستربچ در مقایسه با DE است. همچنین، این افزودنی کنترل شفافیت/کدری و نیز کنترل اندازه بهتری هم ارائه می دهد.
پیشنهاد شرکت Sibelco برای فیلم های نازک (زیر ۱ میلی متر) HC500، برای فیلم های ۱ تا ۴ میلی متر HC1400، و برای فیلم های ضخیم تر مانند فیلم های کشاورزی HC200 است.
در همین رویداد، Hayder Zahalka، مدیر بخش فناوری گروه SI در ایالات متحده، توضیح داد که چگونه فسفیت ها میتوانند باعث پایداری در فیلم های پلی اتیلنی شوند.
به گفته وی، فسفیت ها از طریق تجزیه یک هیدروکسید میانی پلیمر به شکستن چرخه تخریب کمک می کنند. پایدارکننده های دیگر، مانند پایدارکننده های فنولی، با مهار یا جاروب رادیکال های آزاد، فرآیند تخریب را کند می سازند.
عوامل متعددی می توانند بر عملکرد فسفیت تأثیر بگذارند، که از جمله آن ها می توان به درصد فسفر موجود در فرمولاسیون، ساختار شیمیایی آن، پایداری حرارتی، نقطه ذوب، میزان بارگذاری و نوع پلیمر اشاره کرد.
این شرکت طی آزمایشی واکنش های دو گرید فسفیت، Alkanox 240 و گرید جدید Ultranox 626 را با استفاده از رزونانس مغناطیسی هسته (NMR) مورد بررسی قرار داد و در آن، طیف فسفر هر ۳۰۰ ثانیه یک بار رصد شد.
در این آزمایش، Alkanox 240 در یک مرحله به فسفات اکسیدشده تبدیل شد. در مورد Ultranox 626، سه جز فسفیت واکنش نداده، دیفسفات نیمه اکسیدشده، و دیفسفیت کاملاً اکسیدشده، با زمان شناسایی شدند. به گفته Zahalka، سرعت واکنشپذیری در هر دو واکنش Ultranox 626 سریع تر از Alkanox 240 بود.
همچنین، Alkanox 240 در دمای ۲۴۰ درجه سانتی گراد در اکسترودر شاخص زردشدگی (yellowing index) حدود ۴ را نشان داد که این مقدار برای Ultranox 626 صفر بود.
در پایان، به گفته Zahalka، Ultranox 626 دارای میزان بالایی فسفر فعال بوده و واکنش پذیری آن در ۳۱۳ کلوین، هشت برابر سریع تر از Alkanox 240 است. این گرید جدید همچنین عملکرد درون پلیمری بهتری داشته و با مواد افزودنی دیگر به خوبی قابل ترکیب است.
به علاوه، سال گذشته SI موفق به کسب مجوز FDA برای Ultranox 626 برای استفاده در کاربردهای در معرض تماس با مواد غذایی در هموپلیمرها و کوپلیمرهای پلی پروپیلن (PP) نیز شد که این افزودنی را برای استفاده در طیف وسیعی از کاربردهای بسته بندی مناسب می سازد. به گفته شرکت SI، این ماده در بین آنتی‌اکسیدانت های ثانویه این شرکت، بالاترین مقدار فسفر را داراست و در نتیجه می توان از آن در غلظت های کم استفاده کرد که همین امر منجر به مهاجرت و فراریت کمتر آن می شود.
لازم به ذکر است کنفرانس بعدی فیلم های پلی اتیلن در تاریخ ۲-۴ فوریه ۲۰۲۱ در فلوریدا، ایالات متحده آمریکا، برگزار خواهد شد.
منبع خبر:
_ www.sukano.com
_ www.omya.com
_ www.sibelco.com
_ www.siigroup.com
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
مواد پرکننده (Fillers)
پرکننده معمولاً به افزودنی‌های جامدی گفته میشود که خواص فیزیکی پلیمر را اصلاح می‌کنند. تعدادی از انواع پرکن‌ها معمولاً در صنعت پلیمر شناخته شده اند.
مواد پرکننده ذره‌ای
پرکننده‌های ذره ای به دو نوع پرکن‌های خنثی و پرکن‌های تقویتی تقسیم میشوند. پرکنندههایی که معمولاً به دلیل کاهش هزینه به آمیزه‌های پلیمری افزوده میشود را اصطلاحاً پرکننده خنثی می‌نامند و از میان آنها میتوان به کربنات کلسیم، خاک چینی، تالک و سولفات باریم اشاره کرد.
در کاربردهای عادی، مواد پرکننده باید در مایعی که پلیمر با آن تماس دراد، نامحلول باشند. خواص و شرایط ماده پرکننده میتوانند خواص مختلفی را در آمیزه پلیمری حاصل ایجاد کند. تفاوت‌های زیر در این خصوص قابل ملاحظه اند:
- متوسط اندازه و منحنی توزیع اندازه ذرات ماده پرکننده
- شکل و تخلخل ذرات
- طبیعت شیمیایی سطح ذره
- ناخالصی‌ها و یون‌های فلزی همراه با ماده پرکننده
در استفاده از مواد پرکننده، معمولاً مشاهده میشود که هر چه اندازه ذرات ریزتر باشد، خواصی نظیر استحکام کششی، مدول و سختی، بالاتر خواهند بود. این پدیده به عنوان عامل تقویت شناخته میشود.
شکل ذره نیز مؤثر است. مثلاً ذرات صفحه‌ای نظیر خاک چینی، در طول فرآیند جهت‌گیری می‌کنند. در مقابل، ذرات دیگر سطحی ناهموار را فراهم می‌سازند و به سختی با پلیمر اصلی ممزوج میشوند. برخی از دیگر ذرات، متخلخل بوده و با جذب افزودنی های دیگر، آنها را بی‌تأثیر می‌سازند.
طبیعت شیمیایی سطح نیز میتواند مؤثر باشد. به همین منظور برای اصلاح خاصیت خیس‌کنندگی و امتزاج‌پذیری با پلیمرها، معمولاً مواد پرکننده معدنی را آماده‌سازی می‌کنند. مثلاً کربنات کلسیم با اسید استئاریک آماده‌سازی میشود.
ناخالصی‌های پرکننده معدنی معمولاً اثراتی جدی و منفی بر پلیمر دارند. ذرات درشت ناخالصی، منجر به ایجاد نقاط ضعیف در پلیمرهای تهیه شده میشوند. مقادیر ناچیز مس، منگنز و آهن، بر پایداری اکسایشی پلیمر اثر منفی دارند.
پرکننده‌های ذره‌ای تقویتی، بسته به نوع و مقدار خود باعث افزایش استحکام و مقاومت پلیمر میشوند. ساز و کار تقویت به این صورت است که دانه های پرکن، زنجیره‌های پلیمر را بر روی خود نگه می‌دارد و اگر نیرویی به ماده پلیمری اعمال شود، مقداری از تنش بر روی ماده تقویت‌کننده و مقداری تیز روی ماده پلیمری توزیع میشود. مثلاً دوده باعث افزایش استحکام کششی PVC و افزایش در مدول، مقاوت پارگی و مقاومت سایشی لاستیکی نظیر SBR میشود.
در این آمیزه‌ها، اندازه و ذرات و میزان افزایش تقویت‌کننده، عواملی مؤثر بوده و بعضاً ممکن است به جای تقویت خواص استحکامی، موجب ضعف این خواص نیز شوند. از پرکننده‌های ذره‌ای تقویتی میتوان به دوده، سیلیس، هیدروکسید آلومینیوم، اکسید روی و سیلیکات کلسیم اشاره کرد.
پرکننده‌های لاستیکی
از پرکننده‌های لاستیکی، اغلب به منظور چقرمگی در ترموپلاستیک‌های بی‌شکل استفاده میشود. این مواد، به دو نوع واکنش‌پذیر و واکنش‌ناپذیر تقسیم شده‌اند. از نمونه‌های شناخته شده میتوان به استفاده از SBR و پلی‌بوتادی‌ان در پلی‌استایرن، لاستیک‌های بوتادی‌ان‌آکریلونیتریل در PVC و لاستیک‌های اتیلن‌پروپیلن اشاره کرد.
رزین‌ها (پرکننده‌های پلاستیکی)
در صنعت لاستیک، اغلب از رزین های مصنوعی (پلاستیکها) به عنوان پرکنندخ استفاده میشود. به طور نمونه، رزین‌های بوتادیان-استایرن حاوی دست کم ۵۰% استایرن است که به منظور تولید آمیزه‌هایی برای تولید کفی کفش، با لاستیک آلیاژ میشوند. رزین‌های فنلی که در دمای فرآیند از ویسکوزیته کمی برخوردارند، باعث افزایش جریان و فرآیندپذیری آمیزه‌های لاستیکی میشوند و هم‌زمان در حین واکنش ولکانیزاسیون لاستیک شبکه‌ای‌شده، محصولی نسبتاً سخت را به دست می‌دهند.
پرکننده‌های لیفی
استفاده از پرکننده‌های لیفی نظیر خاک اره، خرده پنبه، الیاف کوتاه آلی مصنوعی نظیر الیاف نایلون میتوانند استحکام ضربه‌ای و نیز سختی و چقرمگی آمیزه‌های قالبگیری شده را بهبود بخشند.
الیاف معدنی نظیر پنبه نسوز و الیاف شیشه نیز در ترمپلاستیک‌ها و ترموست‌ها در جایی که به ترتیب مقاومت گرمایی و استحکام مد نظر باشد، مورد استفاده قرار می‌گیرند. پرکننده‌های لیفی، اغلب به شکل لایه‌ای قرار داده میشوند. الیاف مصرفی در مقایسه با پلاستیک‌هایی که در ان قرار می‌گیرند، از مدول بالاتری برخوردارند، به طوری که وقتی سازه تولید شده با الیاف کشیده میشود، قسمت اعظم تنش وارده توسط لیف گرفته میشود. این امر منجر به افزایش استحکام و مدول در مقایسه با پلاستیک اصلاح نشده میشود.
از جمله معایب استفاده از پرکننده‌های لیفی این است که به شفافیت پلیمر لطمه زده و ممکن است ویسکوزیته پلیمر را در فرآیند افزایش دهند. هر چه الیاف طویل‌تر باشند، ویسکوزیته بیشتر شده، اما توانمندی کامپوزیت نیز تقویت میشود.
استحکام ایجاد شده در کامپوزیت‌های پلیمری الیاف‌دار به عوامل زیر بستگی دارد:
- غلظت الیاف در شبکه پلیمر
- جهت آرایش الیاف
- نسبت طول به قطر الیاف مورد استفاده
- سازگاری الیاف با پلیمر
- میزان استحکام و مدول الیاف نسبت به پلیمر اصلی
- استحکام پلیمر پایه
از جمله مهم‌ترین الیاف پرکننده در پلاستیکها، میتوان به انواع الیاف شیشه، الیاف پنبه، الیاف پلی‌استر، الیاف پلی‌وینیل‌الکل، الیاف پلی‌اکریلونیتریل و الیاف چتایی اشاره کرد. از دیگر پرکننده‌های لیفی، میتوان به پرکننده‌های الیاف کربن/گرانیت اشاره کرد که کاربرد آن برای ساخت کامپوزیت‌هایی با استحکام بالا و وزن کم در صنایع است.
پرکننده‌ها و تقویت‌کننده‌ها
پرکننده‌ها مواد جامد نسبتاً ارزان هستند که در مقادیر نسبتاً زیاد به پلیمر جهت تنظیم حجم، وزن، هزینه، سطح، رنگ رفتار فرآورش (رئولوژی)، جمع‌شدگی، ضریب انبساط، رسانایی، نفوذپذیری و خواص مکانیکی افزوده میشوند.
آنها میتوانند به طور کلی به پرکننده‌های غیر فعال یا بسط‌دهنده و پرکننده‌های فعال یا عاملی یا تقویت‌کننده تقسیم‌بندی شوند.
پرکننده‌های غیر فعال به طور همده برای کاهش هزینه به کار می‌روند، در حالی که پرکننده‌های فعال تغییرات ویژه در خواص ایجاد می‌کنند به طوری که ترکیب نیازهای مور تقاضای خود را برآورده می‌کند؛ اما درواقعیت، پرکننده‌ای وجود ندارد که کاملاً غیر فعال باشد و فقط هزینه‌ها را کاهش دهد.
تعدادی از پرکننده‌های تقویت‌کننده از طریق تشکیل پیوندهای شیمیایی با پلیمر عمل می‌کند. دیگر محصولات خواص مکانیکی را با افزایش حجم افزایش می‌دهند. آنها به زنجیرهای پلیمرهای اطراف متصل میشوند، در حالی که تحرک زنجیره‌های پلیمر را کاهش و آرایش‌یافتگی پلیمر در سطح پرکننده افزایش می‌دهد.
تحرک کاهش یافته منجر به دمای انتقال شیشه‌ای بالاتر میشود. اثر دیگری که برخی پرکننده‌ها دارند بر روی تبلور با تقویت هسته‌گذاری است.
شکل و اندازه ذارت و نیز خصوصیات مشتق شده مانند سطح ویژه و فشردگی ذرات عمده‌ترین عوامل تأثیرگذار بر روی ویژگیهای مکانیکی ترکیب است. علاوه بر این تخلخل و تمایل به کلوخه شدن (پیوند ضعیف) و/یا تجمع میتواند اثرات مهمی روی هر دو رفتار فرآورش و خواص مکانیکی داشته باشد. چگالی واقعی پرکننده به موفولوژی ترکیب‌‌بندی شیمیایی بستگی دارد.
پرکننده‌های سبک، نظیر کره‌های شیشه‌ای توخالی، چگالی ترکیب را کاهش می‌دهند، در حالی که پرکننده‌های سنگین آن را افزایش می‌دهند و میتوانند برای مثال برای کاربردهای عایق‌سازی صدا به کار روند. اکثر پرکننده‌های تجاری چگالی بین ۵/۴-۵/۱ دارند. چون اکثر پرکننده‌ها به شکل پودر استفاده میشوند، چگالی توده یا چگالی شُل (loose density) به طور قابل توجه‌ای بر نحوه کار و خوراک‌دهی در حین فرآورش مؤثر است.
پرکننده‌های ریز میتوانند چگالی بالک زیر (gr/cm3) 2/0 به دلیل گیرانداختن ها و بارهای الکتریکی ساکن داشته باشند، بنابراین در حالی که استفاده از آنها در تجهیزات فرآورش مرسوم را محدود می‌کند.
این مشکلات را میتوان به وسیله خوراک‌دهی چند قسمتی، گاز زدایی بهتر، و آماده‌سازی سطحی و/یا متراکم تر کردن پرکننده‌ها تا حدودی حل کرد.
مساحت سطح ویژه به این صورت تعریف میشود مجموع مساحت سطح به واحد وزن پرکننده. پرکاربردترین روش استفاده شده تعینن سطح ویژه استفاده از روش جذب نیتروژن BET است. روش ساده برای حصول ارقام مربوط به مساحت سطح ویژه تعیین جذب روغن است.
نتیجه به صورت مقدار سیال به میلی‌لیتر به ازای گرم فیلر داده میشود و تخمینی تقریبی از مقدار حداقل پلیمر مورد نیاز برای پراکنش فیلر ارائه می‌دهد.
خواص دیگر پرکننده‌ها و تقویت‌کننده ها که موثر است بر روی خواص ویژه ترکیبات هستند:
خواص نوری
سختی و سایندگی
خواص مغناطیسی و الکتریکی
حلالیت اسید
افت حرارتی loss on ignition
pH
میزان رطوبت
خصوصیات تقویت‌کنندگی پرکننده را میتوان از طریق عوامل اتصال‌دهند افزایش داد.
عوامل اتصالدهنده، معمولاً سیلانها و تیتاناتها پیوند بین سطحی میان پرکننده و رزین را بهبود می‌دهند.
آنها مولکول‌ه‌ای دو عمل‌کردی هستند، که در آن یک انتهای آن با مواد قطبی واکنش می‌دهد، مواد غیر آلی، در حالی که دیگری با مواد آلی، مواد غیر قطبی، واکنش می‌دهد. آنها به عنوان پل‌هایی میان پرکننده و رزین عمل می‌کنند. عوامل اتصالدهنده موجود در بازار دارای گروههای مختلف عمل‌کردی متناسب برای رزین خاص هستند. اثر نهایی، چسبندگی بهبودیافته میان پرکننده و پلیمر است که منتج به افزایش خواص مکانیکی، نظیر استحکام کششی، مدول خمشی، استجکام ضربه و دمای انحراف گرمایی میشود.
الیاف شیشه (رشته خرد شده) تقویت کننده‌ای است که اغلب در ترموپلاستیک استفاده میشود. آنها مقرون به صرفه هستند و میتوان طیف وسیعی از خصوصیات فیزیکی را برای تعداد زیادی از کاربردها به دست آورد. تقویت کننده‌های الیاف شیشه رشته‌هایی از تارها هستند که به قطرهای مختلف بین ۳٫۸ تا ۱۸ میلی‌متر کشیده میشوند. تعداد تارها در هر رشته، آرایش رشته و نسبت طول به وزن الیاف میتواند بسته به خصوصیات مورد نظر متنوع باشد. رشته های خرد شده و ممتد در قالبگیری تزریقی در بارگذاری‌های ۳۰%-۵% استفاده میشوند. نمد میتواند از رشته‌های ممتد و خردشده ساخته میشود. رزین‌های تقویت شده با الیاف شیشه استحکام کششی، سفتی بالا و مدول خمشی، مقاومت خزشی بالا، مقاومت ضربه و HDT بالا دارند. علاوه بر این ، آنها از ثبات ابعادی عالی و CLTE پایین برخوردار هستند. بازده تقویت الیاف شیشه با استفاده از عوامل اتصالدهنده (به عنوان مثال، سیلانها) میتواند ارتقای بیشتری پیدا کند.
به دلیل این که الیاف شیشه در جهت جریان در حین قالبگیری تزریقی آرایش می‌یابند، جمع شدگی تا حد زیادی در جریان کاهش می‌یابد. در جهت عرضی، کاهش جمع‌شدگی خیلی زیاد نیست. معایب الیاف شیشه تاب برداشتن، مقاومت کم در خط جوش و کیفیت پایین سطح هستند.
به دلیل ساینده بودن آنها، آنها میتوانند به ماشین‌الات و ابزار آسیب برسانند. پوشش‌های سخت شده بر روی محفظه‌ها (barrels)، پیج‌ها (screws) و ابزار میتوان ساییدگی را به حداقل رساند.
الیاف کربن و الیاف آرامید از ویژگیهای تقویت‌کننده استثنایی برخوردار هستند، اما به دلیل هزینه بالای آنها فقط در کاربردهای تخصصی مانند هوافضا، دریایی، نظامی و پزشکی کاربرد دارند.
پرکننده‌های نانو به عنوان پرکنندههایی با اندازه ذرات در محدوده ۱۰۰-۱ نانومتر تعریف میشوند.
چنین پرکنندههایی، برای مثال، دوده، سیلیکا سنتزی، کربنات کلسیم رسوبی، برای مدت‌های طولانی پیرامون ما وجود داشته است. اما ذرات اولیه آنها، ذرات ثانویه بزرگ‌تر و پایدارتر به واسطه انباشتگی تشکیل می‌دهند، بنابراین در نهایت آنها نمی‌توانند به عنوان نلنوپرکننده طبقه‌بندی شوند.
اخیراً نانوپرکننده‌های مختلف، نظیر نانوکلی‌ها (montmorrilonite, smectite) و نانوویسکرهای سوزنی‌شکل به صورت تجاری در دسترس قرار گرفته اند.
نانورس‌ها ورقه‌ای (Exfoliation) میشوند (به لایه‌های مجزا جدا میشوند) و ذرات اولیه تقویت کننده با نسبت‌های بسیار بالا (بیشتر از ۲۰۰) تشکیل میشوند.
لایه‌ها توسط آماده‌سازی سطح که بین لایه‌ای (intercalation) نامیده میشود، از طریق ترکیبات از جمله گروههای عاملی فسفونیوم یا آمونیوم افزایش می‌یابند.
این سطح را از آب‌دوستی به آلی‌دوستی تبدیل می‌کند.
مزایای این قبیل پرکننده‌ها این است که آنها خواص مکانیکی خیبی خوب در بارگذاری‌های کم، مقاومت در برابر خراش، خواص ممانعتی بالاتر، خواص مقاومت در برابر آتش افزایش یافته، و عملکرد اعوجاج گرمایی بهبودیافته هنگام مقایسه با پلیمر خالص ایجاد می‌کند.
عمده‌تربن کاربرد فعلی فیلم‌های بسته‌بدی و ظروف سخت، قطعات صنعتی و خودرویی هستند.
پرکننده‌ها مواد جامد نسبتاً ارزان هستند که در مقادیر نسبتاً زیاد به پلیمر جهت تنظیم حجم، وزن، هزینه، سطح، رنگ رفتار فرآورش (رئولوژی)، جمع‌شدگی، ضریب انبساط، رسانایی، نفوذپذیری و خواص مکانیکی افزوده میشوند.
آنها میتوانند به طور کلی به پرکننده‌های غیر فعال یا بسط‌دهنده و پرکننده‌های فعال یا عاملی یا تقویت‌کننده تقسیم‌بندی شوند.
پرکننده‌های غیر فعال به طور همده برای کاهش هزینه به کار می‌روند، در حالی که پرکننده‌های فعال تغییرات ویژه در خواص ایجاد می‌کنند به طوری که ترکیب نیازهای مور تقاضای خود را برآورده می‌کند؛ اما درواقعیت، پرکننده‌ای وجود ندارد که کاملاً غیر فعال باشد و فقط هزینه‌ها را کاهش دهد.
تعدادی از پرکننده‌های تقویت کننده از طریق تشکیل پیوندهای شیمیایی با پلیمر عمل می‌کند.
پرکنندههایی که معمولاً در پلیمرهای ترموپلاستیک استفاده میشوند
پرکننده‌های مکعبی و کره‌ای
کربنات کلسیم طبیعی که بسته به منبع مواد اولیه خام به صورت گچ، سنگ آهک یا سنگ مرمر موجود است.
کربنات کلسیم طبیعی بدون تغییر چشم‌گیر در خصوصیاتش، هزینه یک ترکیب را کاهش می‌دهد.
کربنات کلسیم رسوبی معمولاً از سنگ آهک کلسینه شده (CaO) و دی‌اکسید کربن تهیه میشود. اغب سطحی که آماده سازی میشود با اسیدهای چرب، ارائه میشود.
به دلیل سطح ویژه بالایش (m2/gr20-40) تأثیر عمده روی خواص رئولوژیکی و خواص جذب دارد (پایدارکننده‌ها و نرم‌کننده‌ها). سولفات باریم به عنوان ماده معدنی طبیعی (باریت) و هم به عنوان تولیدات سنتزی (blanc fixe) موجود است.
آن بالاترین وزن مخصوص را در میان پرکننده‌های تجاری دارد، بی‌اثر، بسیار روشن و به آسانی پراکنده میشود.
سولفات باریم به طور گستردهای برای کاربردهای عایق صوتی (فوم‌ها، لوله‌کشی)، در پشت فرش، کاشی کف، وسایل ورزشی، روکش ترمز و کلاچ، در محافظت در برابر اشعه و به عنوان رنگدانه سفید استفاده میشود.
دانه‌های شیشه و سرامیک به طور گستردهای در سامانه‌های رزینی استفاده میشود. آنها اغلب توسط سیلان برای افزایش پیوند میان رزین و ذارت آماده‌سازی میشوند یا توسط فلزات (نقره، مس) پوشش داده میشوند و به عنوان پرکننده رسانا مورد استفاده قرار می‌گیرند. پرکننده‌ای کروی مقاومت فشاری و پارگی، پایداری ابعادی، مقاومت در برابر خراش، و سختی ترکیبات را ایجاد می‌کنند.
دانه‌های شیشه‌ای توخالی چگالی ویژه ترکیب را کاهش می‌دهند و در فوم‌ها، فوم‌های سنتزی و در قطعات خودرو استفاده میشوند.
سیلیکای سنتزی اساساً دی‌اکسید سیلیکون آمورف با ذرات اولیه که محدوده قطر ۱۰۰-۱۰ نانومتر را دارند و انبوهه‌ها (بخش‌های ثانویه) را با اندازه ۱۰-۱ نانومتر را تشکیل می‌دهند.
محصولات سیلیکا بعد از فرآیند تولیدشان به صورت زیر نام‌گذاری میشوند:
Fumed، fused، precipitated، و مساحت سطح آن ها، بع فرایند استفاده شده بستگی دارد. میتواند متنوع از m2/g 800-50 باشد. سیلیکای سنتزی به عنوان پرکننده‌های نیمه‌تقویت‌کننده در ترموپلاستیک‌ها، الاستومرها، به عنوان افزودنی ضد انسداد برای فیلم‌ها، به عنوان تنظیم‌کننده‌های رئولوژی، و به عنوان عوامل مات‌کننده مورد استفاده قرار می‌گیرند.
سیلیکاهای سنتزی برای تقویت خواص تقویت کنندگی‌شان، توسط عوامل اتصال آماده‌سازی میشوند. به طور خلاصه، سیلیکاها عملکردهای زیر را در ترموپلاستیک انجام می‌دهند.
کاهش جمع‌شدگی و تشکیل ترک، تقویت‌کننده، ممانعت ار انسداد فیلم، بهبود پایداری ابعادی تحت حرارت، کاهش ضریب انسبساط خطی، بهبود خواص الکتریکی، افزایش سفتی، کاهش تورم دای، تأثیردهنده رفتار رئولوژیکی.
از کربن سیاه عمدتاً به عنوان تقویت‌کننده در الاستومرها استفاده میشود. استفاده آن در ترموپلاستیک‌ها به رنگدانه، محافظت در برابر uv، و رسانایی محدود میشود.
پرکننده‌های صفحه‌ای
تالک نرم‌ترین ماده معدنی با Mohs hardness دارای ۱، از لحاظ شیمیایی هیدرات سیلیکات منیزیم است. حداکثر تالک به ترکیبات پلیپروپیلن برای صنعت خودرو می‌رود.
تالک به طور مثبتی بر بسیاری از خصوصیات از جمله HDT، مقاومت در برابر خزش، جمع‌شدگی، و ضریب انبساط حرارتی خطی (CLTE) تأثیر می‌گذارد. میکا شبیه تالک یک سیلیکات ورقه‌ای با ساختار صفحه‌ای عالی است. مهم‌ترین انواع میکا muscovite و phlogopiteهستند. هر دو نوع نسبت منظر ۴۰-۲۰ دارند و در ترموپلاستیک‌ها جهت بهبود سختی، ثبات ابعادی و HDT به کار می‌رود.
میکا همچنینن خواص الکتریکی خوبی نشان می‌دهد و مقاوم در برابر اسید است. Muscovite سفید تا تقریباً بی‌رنگ به نظر میرسد، در حالی phlogopite یک رنگ ذاتی قهوه‌ای طلایی دارد. میکا سخت پراکنده میشود، بنابراین، سطحش توسط آمینوسیلان‌ها، واکس‌ها و یا آمینواستات‌ها آماده‌سازی میشود. از دیگر معایب میکا مقاومت ضعیف خط جوشش است.
کائولین و کِلی، انواع سیلیکات‌های آمینه شده، در درجه ای مختلف خلوص وجود دارد.
این ماده معدنی ساختار کریستالی ۶ ضلعی، ورق مانند با نسبت ابعاد حداکثر ۱۰ دارد. کم‌رنگ است و مقاومت شیمیایی عالی و خواص الکتریکی خوب دارد. اندازه متوسط ذرات محصولات تجاری بین ۱ تا ۱۰ میلی‌متر و سطح آنها m2/gr 40-10 است.
کاربرد اصلی برای کائولین به عنوان پرکننده در صنعت لاستیک است، جایی که تشخیص بین خاک رس سخت و نرم تمایز قائل می شود.
کائولین اغلب به شکل کلسینه و آماده سازی‌های سطح ویژه (به عنوان مثال سیلان) استفاده میشود. در ترموپلاستیک‌ها، به بهبود مقاومت شیمیایی، خصوصیات الکتریکی و کاهش جذب آب کمک می‌کند. این تمایل به ترک را در کالای نهایی کاهش می‌دهد و مقاومت در برابر ضربه و کیفیت سطح را بهبود میبخشد. ساختار لایه‌ای منجر به بهبود در سفتی سطح محصولات نهایی شده می‌گردد.
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
ترکیبات پایه پلی‌لاکتیک‌اسید PLA در کاربردهای خودرویی روانه بازار میشوند.
پلی‌لاکتیک‌اسید یک پلی‌استر گرمانرم آلیفاتیک خطی است که میتواند به طور ۱۰۰% طبیعی از منابع تجدیدپذیر استخراج شود. امروزه این پلیمر به طور گسترده در پزشکی، بسته‌بندی، نساجی، تولید ظروف پلاستیکی و قطعات خودرو… کاربرد دارد. این پلیمر زیست‌تخریب‌پذیر می‌باشد. چنین فرآیندهایی محصولات کشاورزی و حتی پسماندهای آنها را جای‌گزین نفت خام به عنوان ماده اولیه کرده است. این رخ‌داد به آن معناست که زیست‌پلایش میتواند از مقدار مواد شیمیایی و انرژی مورد نیاز برای تولید پلاستیکها بکاهد و پتانسیل‌هایی را برای کاهش قابل توجه مواد زائد از زباله ها فراهم آورد.
پلی‌لاکتیک‌اسید شباهت‌های زیادی به پلاستیک دارد. این پلیمر گرمانرم، زیست‌تخریب‌پذیر و ترکیبی مشتق شده از منابع تجدید‌شدنی گیاهی ذرت و چغندر قند است. پلی‌لاکتیک‌اسید به خانواده پلی‌استرهای آلیفاتیک تعلق دارد که معمولاً از آلفاهیدروکسی اسیدها ساخته میشوند. پلی‌لاکتیک‌اسید یک گرمانرم با استحکام و مدول زیاد است که ماده اولیه آن از منابع تجدیدپذیر مانند سیب‌زمینی و ذرت تولید میشود. این پلیمر، به راحتی در دستگاه‌های پلاستیک استاندارد قالبگیری میشود. PLA از معدود پلیمرهایی است که میتوان ساختار مولکولی آن را با نسبت ایزومرهای L و D کنترل کرد تا پلیمر بلوری یا بی‌شکل با وزن زیاد به دست آید. این پلیمر بدون نیاز به حضور کاتالیزور با آب‌کافت پیوندهای استری تجزیه میشود. سرعت تجزیه شدن آن به شکل و اندازه شیء پلیمری، نسبت ایزومر و دمای آب‌کافت بستگی دارد.
ایزومرهای فضایی لاکتیک اسید
افزایش آلودگی‌های محیط زیست در اثر استفاده بی‌رویه از پلاستیک‌های سنتزی، افزایش قیمت نفت و فرآورده‌های پتروشیمی، گرم‌شدن زمین و آثار زیست‌محیطی آن، از جمله عواملی است که باعث شده است طی سال‌های اخیر، استفاده از پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر به عنوان جای‌گزین پلیمرهای رایج حاصل از مشتقات نفتی، توجه همگان را به خود جلب کند. پلی‌لاکتیک‌اسید از پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیری است که به دلیل سهولت تولید و خواص مکانیکی مطلوب، مطالعات گستردهای روی آن انجام شده است. PLA پلی‌استر گرمانرم با زنجیر خطی است که از منابع تجدیدپذیر تولید میشود. لاکتیک‌اسید به عنوان مونومر تشکیل دهنده PLA، از تخمیر مواد اولیه گیاهی از جمله ذرت به دست می‌آید. PLA خواص مطلوبی مانند استحکام مکانیکی زیاد، شفافیت و بازدارندگی در برابر عبور پرتوهای بنفش برخوردار است. پلی‌لاکتیک به خوبی توانسته تا جای‌گزینی برای ترموپلاستیک‌های سنتی نفت محور باشد و این موضوع نیز ناشی از ترکیب خواصی ایده‌ال آن است. این ماده یکی از بهترین پلیمرهای زیستی بوده و دارای کاربردهای فراوانی می‌باشد که از آن جمله میتوان به حوزه سلامتی و صنایع پزشکی، بسته بندی، تولید قطعات خودرو و سایر موارد اشاره کرد.
در این راستا Röchling تأمین‌کننده آلمانی قطعات خودرو، خانواده بایوپلاستیک‌های مبتنی بر پلی‌لاکتیک‌اسید (PLA) را راه‌اندازی کرده است. این خانواده به منظور جای‌گزینی برای PP، ABS، PA6، PBT، PET و PC ارائه شده اند. در حال حاضر سه گرید استاندارد از ترکیبات BioBoom در دسترس اند. هر کدام حداقل ۹۰% از مواد تجدیدپذیر مبتنی بر چغندر یا نیشکر بوده و میتوانند برای کاربردهای بیشتر سفارشی‌سازی شوند.
به گفته مدیر عامل کمپانی Dr Hanns-Peter Knaebel، این ترکیبات برای فضای داخلی، محفظه موتور و قسمت زیرین خودرو مناسب اند. همچنین هدف کمپانی را تبدیل شدن به تأمین‌کننده پیشرو در زمینه بایوپلاستیک‌ها و مواد بازیافتی تا پایان سال ۲۰۳۵ تعیین کردند. این شرکت اطلاعاتی جز PLA که به عنوان مؤلفه اصلی همراه با تالک، الیاف شیشه و الیاف طبیعی مورد استفاده قرار می‌گیرد، فاش نکرده است. در سال ۲۰۱۴ حق ثبت اختراع ترکیب PLA همراه با پلی‌استرهای آروماتیک که دارای مقاومت ضربه بالا، مقاومت در برابر خراش و اشعه ماوراء بنفش (UV) و دمای HDT بالاتر از ۱۴۰ درجه سلسیوس بودند، به این شرکت اعطا شد.
منبع خبر:
www.roechling.com
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 📧
راهنمای جامع بهبود دهنده های چسبندگی (Adhesion Promoter) در پلیمرها
رزین ها و کامپوزیت های پلیمری معمولاً انرژی سطحی پایینی داشته و فاقد گروه های عاملی قطبی هستند، و در نتیجه به طور ذاتی خواص چسبندگی ضعیفی دارند. بنابراین، به منظور بهبود چسبندگی پلیمرها با دیگر اجزای یک آمیزه، اعم از پرکننده یشان و یا حتی پلیمرهای دیگر موجود در ترکیب، موادی تحت عنوان بهبوددهنده های چسبندگی به آنها اضافه می شوند. بهبوددهنده ها دارای گروه های عاملی فعال هستند که به افزایش چسبندگی/امتزاج پذیری دو جز ناسازگار کمک می کنند. سیلان ها، ترکیبات آلی فلزی، و بهبوددهنده های پلیمری، مثال هایی از بهبوددهنده های چسبندگی هستند.
-چگونه می توان چسبندگی پلیمرها را بهبود بخشید؟ زمانی که پلیمرها را با دیگر اجزا مخلوط می کنیم، که این جز دیگر می تواند فیلر و یا حتی پلیمر دیگری باشد، این دو، یا این چند جز، الزاماً شبیه یکدیگر نیستند. در بیش تر موارد، شاهد چسبندگی ضعیف و یا عدم چسبندگی و یا حتی یک نیروی دافعه بین اجزا خواهیم بود. درست مانند مخلوط آب و روغن که بدون وجود همزن اجزاء از هم جدا خواهند شد. در دنیای پلیمر میتوان مخلوط PE و PA را مثال زد. به منظور رفع این مشکل و کمک به چسبندگی اجزا می توان از بهبوددهنده های چسبندگی استفاده کرد. بهبوددهنده هایی که کار با آنها راحت است، بهبوددهنده های پلیمری هستند که می توان از آنها تحت عنوان سازگارکننده (compatibilizer) و یا عامل اتصال دهنده یا عامل جفت کننده (coupling agent) یاد کرد. این مواد به عنوان عوامل فعال سطحی (surfactant) عمل می کنند. بر اساس نوع عمل کرد، بهبوددهنده های چسبندگی به دو دسته تقسیم می شوند:
زمانی که بهبوددهنده های چسبندگی به منظور افزایش امتزاج پذیری دو پلیمر ناسازگار مورد استفاده قرار گیرند، به آنها سازگارکننده گفته می شود. زمانی که بهبوددهنده های چسبندگی به منظور ایجاد چسبندگی بین یک سیستم پلیمری و یک فیلر به کار بسته شوند، به آنها عامل جفت کننده یا عامل اتصال گفته می شود. بسته به اینکه بهبوددهنده های چسبندگی دارای گروه عاملی باشند که آنها را قادر به واکنش با اجزای موجود در آمیزه مد نظر کند یا نه، می توانند فعال یا غیر فعال باشند.
هدف این است که بهبوددهندهی چسبندگی در سطح مشترک عمل کرده و چسبندگی بین دو لایه را از طریق کاهش کشش سطحی افزایش دهد.
-سازوکار عملکرد عامل جفت کننده یا اتصال دهنده
یک عامل جفت کننده یا بهتر است بگوییم یک عامل اتصالدهنده پلیمری، پلیمری است که یک پرکننده غیرآلی را به یک ماتریس پلیمری متصل می کند.
پرکننده های متداول عبارتند از:
- کربنات کلسیم
- الیاف شیشه
- تالک، یا
- تأخیراندازهای شعله مانند ATH (آلومینیوم تریهیدرات) یا Mg(OH2) (منیزیم هیدروکساید)
هدف از افزودن مواد پرکننده عبارتند از:
- کاهش قیمت پلیمر (CaCO3,Talc)
- افزایش چقرمگی و یا سفتی پلیمر (الیاف شیشه، CaCO3)
- ایجاد تاخیر در شعله( Mg(OH2),ATH)
در هر صورت، افزودن پرکننده باعث کاهش ازدیاد طول در هنگام شکست، کاهش انعطاف پذیری، و در بسیاری از موارد کاهش چقرمگی پلیمر می شود چراکه پرکننده ها به مقدار بسیار زیادی در ترکیب وجود خواهند داشت. (به عنوان مثال ATH؛ ۲۰٪ پلیمر، ۸۰٪ پرکننده).
دلیل این امر این است که در اکثر موارد، پرکننده ها با پلیمرها سازگار نیستند، این بدان معنی است که پرکننده ها پلیمرها را خیلی دوست ندارند و حتی آنها را دفع می کنند.
به منظور غلبه بر مشکلات ناشی افزودن مواد پرکننده، از عوامل اتصال دهنده جهت کاهش دافعه بین پلیمرها و مواد پرکننده استفاده می شود. در نتیجه پلیمر، پرکننده را بیشتر دوست خواهد داشت، پرکننده بهتر به ماتریس پلیمری می چسبد و خصوصیات مخلوط نهایی (مانند ازدیاد طول، انعطاف پذیری، و حلالیت پرکننده در پلیمر) افزایش می یابد.
این عوامل اتصالدهنده باید از یک سمت با پلیمر سازگار باشند، (در حالت ایده آل، آن ها باید شیمی مشابه پلیمر را دارا باشند.) و از طرف دیگر، آنها باید واکنش/برهم کنش یا چسبندگی بهتری با پرکننده داشته باشند.
-عوامل جفت کننده سیلانی دارای گروه عاملی آلی
سیلان های دارای گروه عاملی آلی بیش از ۵۰ سال پیش به عنوان عوامل اتصال دهنده فایبرگلاس معرفی شدند. آنها متعاقباً در اصلاح مواد پرکننده معدنی به کار رفته و به همان اندازه موفق بوده اند. از دلایل موفقیت آنها می توان به تواناییشان در واکنش با طیف گستردهای از پرکننده ها و رزین ها اشاره کرد. این جفت کننده ها را می توان به صورتی که به سرعت قابل پراکنش باشند، تولید کرد. در جفت کننده های سیلانی دارای گروه عاملی آلی، عوامل فعال به شکل پایدار به اتم های سیلیکون، که از هر دو جنبه سمیت و ایجاد تخریب در پلیمر بیخطر هستند، متصل شده اند.
ساختار عمومی سیلان ها به این شکل است:
Y-R-Si-X3
که در آن،
- X یک گروه آلکوکسی قابل هیدرولیز (متوکسی، اتوکسی، یا استوکسی) است و
- Y یک گروه عاملی آلی (آمینو، وینیل، اپوکسی، متاکریل، و …) است که توسط یک پل آلکیلی، R، به سیلیکون متصل شده است.
گروه های آلکوکسی با گروه های سطحی بسیاری از مواد پرکننده معدنی واکنش می دهند. آنها ابتدا با آب واکنش داده و سیلانتریال تولید و الکل را به عنوان محصول جانبی آزاد می کنند. سپس گروه های سیلانول با گروه های اکسید یا هیدروکسیل روی سطح پرکننده متراکم می شوند. زنجیره های سیلوکسان مجاور می توانند باز هم ایجاد برهم کنش کرده و یک لایه پلی سیلوکسان در سطح ایجاد کنند.
اتصال یک سیلان متداول (گاما-آمینوپروپیلتریمتوکسیسیلان) به یک سطح سیلیکونی
سیلان ها برای ایجاد واکنش، به محل های فعال، ترجیحاً گروه های هیدروکسیل، روی سطح پرکننده نیاز دارند. بنابراین می توان از آنها برای اصلاح این موارد استفاده کرد:
- فیلرهای نوع سیلیکاتی
- اکسیدها و هیدروکسیدهای فلزی غیرآلی
موادی که توسط این جفت دهنده ها با موفقیت اصلاح شده اند شامل:
- ATH
- آلومینا
- اکسید کروم
- الیاف و پودر شیشه
- هیدروکسیدهای منیزیم
- میکا
- چوب معدنی
- رنگدانه های اکسیدی
- مواد معدنی مثل کوارتز، سیلیکا، تالک، تیتانیوم دیاکساید، ورمیکولیت، و ولاستونیت
- رس آبدار و خشک
- تیتانیوم دیاکساید
هستند.
بااین حال، سیلان ها به میزان چشم گیری با کربنات کلسیم و یا با سولفات باریم، دوده یا ترکیبات بور برهم کنش نداشته و نمی توانند به عنوان عوامل اتصالدهنده برای این مواد پرکننده استفاده شوند.
این مواد هنگامی که به فصل مشترک پرکننده متصل می شوند، جز فعال Y می تواند از طریق یک واکنش شیمیایی (پیوندزنی (grafting)، افزایشی، جاینشینی) با گروه های فعال بر روی پلیمر، و/یا از طریق برهم کنش های فیزیکی-شیمیایی، به ماتریس پلیمر پیوند بخورد. گروه های Y در جهت به حداکثر رساندن سازگاری با فرمولاسیون های رزین انتخاب می شوند.
به عنوان مثال:
- سیلان های با گروه عاملی متاکریلات بیشتر برای پلی استرهای غیر اشباع استفاده می شوند.
- در حالی که سیلان های دارای گروه عاملی آمینی به طور گسترده ای در پلی آمیدها و پلی کربنات ها، همچنین اپوکسی ها، یورتان ها و سایر سیستم ها قابل استفاده هستند.
به طور کلی، سیلان ها از عوامل اتصال بسیار مؤثر برای ترموپلاستیک های قطبی، ترموست ها و لاستیک ها هستند اما با پلیمرهای غیرقطبی مانند پلی الفین ها برهمکنش جزئی دارند. با اینحال، از سیلان ها بعضاً به عنوان اصلاح کننده سطح فیلر در PP و PE استفاده می شود که باعث بهبود پراکنش و کاهش جذب آب می شود.
عوامل جفتکننده سیلانی پیوندی قوی، پایدار، و مقاوم در برابر آب و مواد شیمیایی، بین پرکننده و رزین ایجاد می کنند، که در حالت بدون جفت کننده تنها به طور ضعیفی با هم برهم کنش خواهند داشت.
-مزایای اصلاح سطح توسط سیلان ها:
- پیوند قوی با ماتریس که عموماً مزایای زیر را در پی خواهد داشت:
- ارتقای خواص مکانیکی و الکتریکی
- کاهش shrinkage
- افزایش مقاومت به شرایط آب و هوایی
- کاهش و یا حذف نواقص سطحی یا داخلی
- فراهم آوردن یک ترکیب ارزان و با خصوصیات فیزیکی معمولاً معادل یا برتر از رزین پایه
- امکان افزودن مقادیر بیش تری از فیلر
- ایجاد مزایایی مانند پراکنش بهبود یافته، خیس شدن بهتر فیلر توسط رزین، و همچنین، ویژگی های رئولوژیکی (جریان) بهتر در هنگام اختلاط و قالبگیری
عوامل جفت کننده تیتاناتی دارای گروه عاملی آلی
ارگانوتیتانات ها توانسته اند بر بسیاری از محدودیت های سیلان ها به عنوان عامل اتصال دهنده برای پرکننده ها غلبه کنند. آنها مانند سیلان ها دارای چهار گروه عاملی هستند، اما برخلاف سیلان ها که فقط یک گروه آلی آویزان Y دارند، تیتانات ها دارای سه گروه هستند.
علاوه بر این، ساز و کار اتصال آنها به سطوح غیرآلی متفاوت است، و همچنین برای کربنات ها، کربن سیاه، و سایر پرکنندههایی که به سیلان ها پاسخ نمی دهند مناسب هستند.
این جفت کننده ها علاوه بر تأثیر بر افزایش پراکنش پرکننده و بهبود خواص و فرآیندپذیری ترکیب همانند سیلان ها، همچنین به عنوان:
- نرم کننده که باعث تسهیل در افزودن مقادیر بیشتر فیلر می شود و
- کاتالیست برای بسیاری از واکنش ها در ماتریس پلیمری
عمل می کنند.
هزینه اصلاح با تیتانات ها در همان حد سیلان ها است.
ساختار عمومی تیتانات ها به صورت زیر است:
XO-Ti-(OY)3
که در آن:
- XO- میتواند یک گروه مونو آلکوکسی یا نئوآلکوکسی باشد که قادر به واکنش با بستر غیر آلی بوده و
- -OY بخش فعال آلی است.
بخش Y به طور معمول می تواند شامل چندین گروه مختلف برای ایجاد برهمکنش با:
- ترموپلاستیک های قطبی و غیرقطبی (به عنوان مثال بنزیل و یا بوتیل) و ترموست ها (به عنوان مثال آمینو و یا متاکریل)
- و همچنین گروه های چسباننده (binder) مانند پیروفسفات یا کربوکسیل که می توانند عملکردهای اضافی را به کامپوزیت ببخشند، است.
برخلاف سیلانه ها، این مواد برای واکنش به آب نیاز ندارند.
تیتانات ها به چند دسته تقسیم میشوند:
- تیتانات های مونوآلکوکسی (مانند ایزوپروپوکسی)
- تیتانات های نئوآلکوکسی
- کیلیت (chelate) برای پایداری بیشتر در محیط های مرطوب
این مواد در فرم های پودر، گرانول، و مایع موجود هستند.
در مقایسه با مونوآلکوکسی ها، تیتانات های نئوآلکوکسی ساختاری پیچیده تر اما از نظر حرارتی پایدارتر دارند. آنها برای کاربردهای در درجه حرارت های بالا (بالاتر از ۲۰۰ درجه سانتیگراد در غیاب آب) مانند افزودن درجا در هنگام آمیزه سازی ترموپلاستیک ها و تولید کامپوزیت های یورتان ساخته شده اند. آنها از طریق یک سازوکار کئوردیناسیونی با پروتون های آزاد روی سطح پرکننده واکنش نشان می دهند و هیچ محصول جانبی ایجاد نمی کنند.
پروتون های آزاد، برخلاف گروه های هیدروکسیل مورد نیاز برای واکنش سیلان، تقریباً در همه ذرات سه بعدی وجود دارند، که همین عامل تیتانات ها را به طور گسترده تری واکنش پذیر می سازد.
واکنش با پروتون های آزاد، یک لایه تک مولکولی آلی در سطح معدنی ایجاد می کند -در مقایسه با لایه های چندمولکولی که در اثر استفاده از سایر عوامل اتصال دهنده ایجاد می شوند- که در ترکیب با ساختار شیمیایی تیتانات ها، اصلاحات جدیدی را در انرژی سطحی بستر و برهم کنشهای فاز پلیمر ایجاد می کند.
در مقایسه با سیلان ها، تیتانات ها:
- برای کربنات ها، دوده و سایر مواد پرکننده موثر هستند (در این موارد سیلان ها هیچ واکنش مفیدی ندارند).
- همچنین می توانند با پلی پروپیلن (و سایر پلی الفین ها) و پیویسی پیوند برقرار کنند (سیلان ها برهمکنش کمی با پلیالفین ها نشان می دهند).
- هیچ گونه منعی از لحاظ قیمت و مسئله غیر معمولی در استفاده ندارند.
واکنش پذیری پیوند TiO در برخی مواد می تواند باعث ایجاد مشکل از جمله تغییر رنگ در حضور فنول ها شود، اما به نظر میرسد این عیب با جنبه های مثبت تیتانات ها به عنوان عوامل اتصال جبران شود.
عوامل اتصال دهنده زیرکوناتی دارای گروه عاملی آلی
ساختار شیمیایی و کاربردهای زیرکونات های آلکوکسی کاملاً مشابه با تیتانات های آلکوکسی است.
برخلاف تیتانات ها، نه در حضور فنل تغییر رنگ می دهند (به استثنای نیتروفنول ها) و نه اینکه با آمین های استتار شده (HALS) برهمکنش دارند. در پلاستیک های پر نشده، آنها اغلب پایداری در برابر اشعه UV را در مقایسه با تیتاناتها، بهبود می بخشند و انواع نئوآلکوکسی می توانند فرصت های جدیدی را برای اتصال پلیمرهای فلورین به لایه های فلزی فراهم کنند. گرچه هزینه تولید زیرکوناتها از زمان معرفی آنها در سال ۱۹۸۶ به میزان قابل توجهی کاهش یافته است، اما قیمت آنها هنوز هم تقریباً دو برابر تیتانات ها است.
عوامل اتصال دهنده فلزی دارای گروه آلی که اخیرا تولید شده اند، آلومینات ها و زیرکوآلومینات ها هستند. این مواد اساساً مشابه سیلان ها و تیتانات ها هستند و در کاربردهای بسیار تخصصی کاربرد محدودی یافته اند.
پلیمرهای عامل دار شده
پلیمرهای عامل دار شده جدیدترین دسته از عوامل اتصال دهنده هستند.
در اینجا مفهوم اتصالدهندگی داشتن گروههای فعال بر روی مولکول های:
- پلیمر میزبان و یا
- پلیمر دیگر که با پلیمر میزبان سازگار شده است،
می باشد.
مشکل موجود در زمینه استفاده از پلیمرهای عامل دار شده، تولید پلیمرهای دارای گروه های عاملی مؤثر است. این موضوع تا حدی به دلیل استفاده وسیع از مواد پرکنندهی سیلیسی در مواد کامپوزیتی است. این مواد به طور مؤثری با الکوکسی سیلانها پیوند برقرار می کنند، اما وارد کردن گروههای مذکور در زنجیره های پلیمری کاری دشوار و پرهزینه است.
پلیمرهای دارای گروه عاملی اسیدی آسان ترین پلیمرهای این دسته از نظر تولیدند، به ویژه آنهایی که دارای گروه های انیدرید پیوند خورده یا کوپلیمر شده هستند. به عنوان مثال:
- پلی اتیلن یا پلی پروپیلن های کربوکسیله شده
- پلی بوتادیان های مالئیکه شده (Maleinized polybutadienes)
همه این موارد محصولات تجاری هستند که در برخی کاربردها در مواد کامپوزیتی پر شده استفاده می شوند. محدودیت اصلی افزودنی های دارای گروه عاملی اسیدی این است که بیش ترین تأثیر را در لایه های آمفوتری (دارای هر دو خصلت اسیدی و بازی) دارند، در حالی که اکثر بسترهایی که به عامل اتصال دهنده احتیاج دارند دارای ماهیتی سیلیسی هستند و معمولاً این نوع اتصال دهنده ها پاسخگوی آنها نیستند. یک راه برای رفع این مشکل این است که پرکننده سیلیسی را ابتدا با یک آمینوسیلان اصلاح کنند، سپس این امکان برای پرکننده فراهم می شود که با پلیمر دارای گروه عاملی اسیدی واکنش داده و یک پیوند آمیدی ایجاد کند.
پلی بوتادین های عاملدارشده-در پلی بوتادین های عاملدارشده، گروه های غیراشباع می توانند در فرآیندهای ایجاد اتصال عرضی با الاستومرها و پلیمرهای مختلف مانند پلی(متیل متاکریلات) شرکت کنند. عاملیت بستر معمولاً انیدرید اسید گرفت شده (عمدتاً مالئیک انیدرید)،تا ۲۵ درصد وزنی، است.
پلی بوتادین های مالئیکه (MPDB) عمدتاً به همراه کربنات کلسیم در الاستومرها استفاده می شوند. پلی بوتادین ها را می توان با استفاده از گروه های آلکوکسی سیلیس برای استفاده با شیشه، رسها و سیلیس ها نیز عامل دار کرد.
پلیالفین های عاملدارشده-در مورد پلی الفین های عاملدار شده، پذیرفته شده است که اتصال به توده ماتریس پلیمر توسط گره خوردگی یا کو-کریستالیزاسیون حاصل می شود. PP، PE و EVA عاملدار شده با اسید و انیدرید فرم های موجود پلی الفین های عامل دار شده هستند.
کاربرد اصلی این مواد همراه با الیاف شیشه (و آمینوسیلان ها) و میکا در کامپوزیت های پایه پلی الفین است. این محصولات همچنین با سطح تالک و پرکننده های سلولزی نیز واکنش نشان می دهند.
ساز و کار سازگارسازی پلیمرهای امتزاج ناپذیر
اصل کلی در سازگارسازی، کاهش انرژی سطحی بین دو پلیمر برای افزایش چسبندگی و همچنین کمک به پراکنش آنها است. به طور کلی، افزودن سازگارکننده ها همچنین باعث پراکنش دقیق تر، مورفولوژی های منظم و پایدارتر می شود.
سازگارکننده ها را می توان به سه دسته تقسیم کرد:
- کوپلیمرهای بلوکی (واکنش ناپذیر)
- کوپلیمرهای عاملدار فعال
- کوپلیمرهای قطبی غیرفعال (دارای برهمکنش های خاص)
سازگارسازی به استفاده از کوپلیمرهای بلوکی
اصل سازگارسازی توسط کوپلیمرهای بلوکی یا پیوندی در شکل زیر نشان داده شده است. سازگارکننده در واقع مانند یک “سورفاکتانت” عمل کرده و ترجیحاً برای کاهش کشش سطحی در سطح مشترک مهاجرت می کند. بلوک های قرمز با پلیمر A (ماتریس) و بلوک های آبی با پلیمر B (فاز پراکنده) سازگار هستند. در نتیجه این فرآیند، چسبندگی بین سطحی بهتر و نیز پراکنش بهتری خواهیم داشت.
سازگارسازی با استفاده از یک کوپلیمر بلوکی
کوپلیمرهای بلوکی مانند یک ماده فعال سطحی (سورفاکتانت)، تمایل به ایجاد مایسل دارند. میزان سازگارکننده به طور کلی زیاد (گاهی بیش از ۵٪) است.
علاوه بر این، برای همه پلیمرها، کوپلیمرهای بلوکی زیادی به صورت تجاری وجود ندارند و این سازگارکننده ها به طور کلی دارای قیمت بالایی هستند.
سازگارسازی با استفاده از کوپلیمرهای دارای گروه عاملی فعال
اصل حاکم بر عمل کرد این دسته از سازگارکننده ها، واکنش در فصل مشترک برای ایجاد یک کوپلیمر بلوکی پیوند خورده به صورت درجا از طریق واکنش بین گروههای عاملی پلیمرهای مختلف است. کوپلیمر دارای گروه عاملی، در ماتریس امتزاج پذیر است و می تواند با گروه های عاملی فاز پراکنده واکنش دهد.
سازوکار عملکرد گروههای عاملی
مزایای این گروه از سازگارکننده ها عبارتند از:
- تنظیم میزان واکنش پذیری
- بازدهی بالا
- قیمت کمتر نسبت به کوپلیمرهای بلوکی
پلیمرهای maleated
مونومر فعال در اینجا به طور کلی مالئیک انیدرید است. پلیمرهای Maleated از گسترده ترین خانواده پلیمرهای دارای گروه عاملی شناخته شده هستند که به عنوان سازگارکننده و بهبوددهنده چسبندگی استفاده می شوند. آنها را می توان مستقیماً از طریق پلیمریزاسیون یا به وسیله اصلاح در هنگام آمیزه سازی تهیه کرد.
گروه های انیدرید می توانند با گروه های آمین، گروه های اپوکسی، و نیز گروه های الکلی واکنش نشان دهند. شکل زیر نمونهای از واکنش بین یک پلیمر maleated و گروه های انتهایی -NH2 پلی آمیدها یا نایلون۶،۶ را به منظور سازگاری آمیزه PA/ پلیالفین، نشان می دهد.
رزین های maleated همچنین به منظور:
- افزایش چسبندگی پلاستیک ها به فلز
- بهبود چسبندگی بین پلیمر و فیلرها (مانند ATH، میکا، و چوب)
- بهبود چسبندگی بین پلیمر و الیاف شیشه در ترموپلاستیک ها و کامپوزیت ها و
- اصلاح ضربه
مورد استفاده قرار می گیرند.
پلیمرهای اپوکسیدشده
پلیمرهای اپوکسیدشده نیز به صورت تجاری موجود هستند. به طور کلی، آنها توسط گلیسیدیل متاکریلات اصلاح می شوند. و با NH2، انیدرید، اسید، و گروه های الکلی بسیار واکنش پذیر هستند. پلیمرهای اپوکسیدشده برای سازگاری پلی استرها (PET ، PBT) و پلیمرهای الفینی یا الاستومرها طبق سازوکار شکل زیر، پیشنهاد می شوند.
سازگارسازی به وسیله کوپلیمرهای قطبی غیرفعال
سازگارسازی در این گروه، بر اساس کاهش کشش سطحی و افزایش چسبندگی با ایجاد یک برهمکنش قطبی خاص مانند پیوند هیدروژنی یا نیروهای وندروالس صورت می گیرد.
کاربردهای بهبوددهندههای چسبندگی
آلیاژهای پلیمری
به منظور رفع نیازمندی های صنعت پلیمر، بسیاری از تولیدکنندگان معمولاً پلیمرها را با یکدیگر مخلوط می کنند تا به یک تعادل بهینه از خواص برسند.
این راهکار انعطاف پذیری را در تنظیم خواص فراهم می آورد و از تولید ماکرومولکول های جدید که در مقایسه با آلیاژ پلیمر معمولاً گران تر هستند جلوگیری می کند. بسیاری از آلیازهای پلیمری مانندPBT / PC یا PC / ABS یا PP / PA به صورت تجاری در دسترس هستند.
همان طور که قبلا ذکر شد، پلیمرها به طور طبیعی در هم امتزاج پذیر نیستند و اکثر اوقات نیاز است تا با استفاده از یک سازگارکننده، به موادی پایدار با عمل کرد مکانیکی مطلوب دست یابیم. سازگارسازی همچنین در بازیافت پلیمرها هم حائز اهمیت است. بازیافت مواد چندلایه به وسیله سازگارکننده ها تسهیل می شود.
در جدول زیر لیستی از چند آمیزه پلیمری و سازگارکننده های آنها را ارائه شده است
بازیافت
برای بسیاری از کاربردهای بسته بندی از ساختارهای چندلایه استفاده می شود. ترکیب این لایه ها به طور کلی باعث میشود ماده حاصل از مجموعه خواص پلیمرهای مجزای تشکیل دهنده هر لایه بهره ببرد. به عنوان مثال:
- عمل کرد ممانعتی
- قابلیت درزگیری
- مقاومت شیمیایی و نیز مقاومت به رطوبت و
- سفتی
بدیهی است یک پلیمر به تنهایی قادر به ارائه تمام خواص فوق نخواهد بود.
لایه های چسبنده چسبندگی خوبی بین لایه های ذکر شده ایجاد می کنند.
ضایعات فیلم های چندلایه در حوزهی بسته بندی به یک مسئله مهم جهانی تبدیل شده است که افزایش نگرانی ها را در مورد حفاظت از محیط زیست و فضاهای محدود دفن زباله به دنبال داشته است.
به منظور حفظ سازگاری مواد استفاده شده، لازم است در طول فرآیند بازیافت، سازگار کننده به آنها اضافه شود تا کارایی و پایداری ماده حاصل به سطوح بالاتری برسد. جدول زیر نمونه هایی از ساختارهای چندلایه و سازگار کننده های پیشنهادی برای انها را نشان می دهد:
بهبوددهنده های چسبندگی برای ترکیبات FR (تاخیراندازهای شعله) و سیم و کابل
به منظور تأمین نیازمند ها و استانداردهای تولیدکنندگان کابل، بسیاری از کاربردهای W&C به بازدارنده های شعله عاری از هالوژن نیاز دارند. متداولترین بازدارندهی شعله در این کاربرد، آلومینیوم تری هیدرات (ATH) است. برای ایجاد بازدارندگی شعله کارآمد، باید ۶۰ تا ۶۵٪ ATH به ماتریس پلیمری اضافه شود که عمل کردهای مکانیکی پلیمر مورد نظر را کاهش می دهد.
این درحالی است که خواص مکانیکی در کابل ها بسیار حائز اهمیت است، به ویژه ازدیاد طول در شکست و تنش کششی در هنگام شکست. برای بهینه سازی عملکرد مکانیکی، لازم است چسبندگی خوبی بین پرکننده و ماتریس ایجاد شود. با افزودن یک عامل اتصال دهنده می توان به چسبندگی مورد نیاز بین پلیمر و پرکننده دست یافت. برای این منظور می توان از سیلان ها استفاده کرد، اما پلی الفین های عامل دار شده کاندیدهای بهتری هستند که همچنین انعطاف پذیری خوبی نیز به ماده میبخشند.
عوامل اتصال دهنده برای پلی پروپیلن پرشده با الیاف شیشه
در اینجا، بهبوددهنده های چسبندگی، همانند عوامل اتصال دهنده مورد استفاده برای پلی پروپیلن پرشده با فیلرهای معدنی و الیاف شیشه، توانایی ایجاد واکنش با گروه های عاملی روی سطح پرکننده را دارند، در حالی که استخوان بندی اصلی زنجیر پلیمری اتصال دهنده، در پلیمر پایه (پلی پروپیلن) امتزاج پذیر است.
- به این طریق، اتصالدهنده بین فیلر و ماتریس پلیمر پیوند ایجاد می کند،
- همچنین، خیس شدن سطح فیلر، و نیز پراکنش آنها را بهبود میبخشد و به همگن شدن آمیزه کمک می کند.
- در نتیجه، استحکام کششی و استحکام ضربه کامپوزیت به طرز چشمگیری ارتقا می یابد.
اصلاح کننده ضربه مناسب برای هر کاربردی بستگی به خواص فیزیکی مورد انتظار از ترکیب نهایی دارد.
انواع دیگر در شرایطی که لازم است علاوه بر بالا بودن سطح پیوندزنی، جریان رزین پایه نیز بالا باشد، مفید واقع می شوند. به عنوان مثال، در فرآیند پالتروژن که خیس شدن سطح الیاف شیشه ضروری است.
میزان مورد نیاز عامل اتصالدهنده به منظور بهینه کردن خواص فیزیکی به طور کلی در محدودهی ۲ تا ۵ درصد است اما به بازدهی و کارایی تجهیزات مورد استفاده برای اختلاط نیز بستگی خواهد داشت.
عوامل اتصال دهنده برای TPO پرشده با مواد دیگر
/PP کربنات کلسیم- مانند عمل کرد عامل اتصال دهنده در پلی پروپیلن پرشده با مواد معدنی، در اینجا هم بهبوددهنده چسبندگی قادر به واکنش با گروه های عاملی موجود در سطح پرکننده است، در حالی که استخوان بندی اصلی پلیمر با پلیپروپیلن پایه امتزاجپذیر است.
این امر همچنین باعث خیس شدن بهتر سطح پرکننده، بهبود پراکنش پرکننده و همگنی بیشتر ترکیب می شود. در نتیجه مقاومت کششی و مقاومت به ضربهی کامپوزیت به طور قابل توجهی افزایش می یابد.
/PEHD میکا- بهبوددهنده های چسبندگی را می توان در سامانه های پلی اتیلنی پرشده با میکا، تالک، کلسیم کربنات و … به کار برد.
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 📧
عوامل پراکنده ساز و اتصال دهنده برای پلاستیک های پرشده
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 مؤثر 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 نتیجه پراکنش بهتر
- افزایش زیبایی
- مسدود شدن سطح پرکننده و عدم جذب مواد افزودنی دیگر از پلیمر
بهبود خواص ذکر شده پلاستیک ها را مناسب استفاده در کاربردهایی نظیر موارد زیر می سازند:
- بسته بندی
- قطعات الکترونیکی
- اتومبیل
- هوافضا
- لوازم خانگی
ساز و کار:
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 عامل دار شده سیلانی ایجاد شود.
به منظور بهبود سازگاری پرکننده با ماتریس پلیمر، می توان سطح پرکننده را از طریق ایجاد برهم کنش های خاص یا واکنش شیمیایی بین گروه عاملی پلیمر و گروه عاملی آلی ارگانوسیلان، عامل دار 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 می تواند با سایر گروه های سیلانول از جمله گروه های روی سطح سیلیکا، سیلیس و سایر فیلرها (که در سطح خود گروه هیدروکسی دارند)، متراکم شده و پیوند سیلوکسان ایجاد کند. این ویژگی عوامل اتصال سیلانی را به گزینه ای مناسب برای بهبود استحکام مکانیکی و سختی کامپوزیت ها، ارتقای چسبندگی رزین ها، و همچنین اصلاح سطح مبدل می کند.
پخش کننده ها 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 ، 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…
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 📧