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
کمک‌فرآیندها Processing Aids
در زمینه پلاستیک‌های گرمانرم، روان‌کننده‌ها در نقش کمک فرآیند عمل می‌کنند. رزین‌های گرما نرم در دماهای بالا فرآیند می‌شوند. با این حال ویسکوزیته مذاب اغلب به اندازه‌ای نیست که اجازه فرآیند کردن آسان را بدهد بنابراین کمک فرآیند (روان‌کننده‌ها) افزوده می‌شوند.
روان‌کننده‌ها می‌توانند فعال باشند. آن‌ها همچنین می‌توانند ویسکوزیته مذاب پلیمری را کاهش داده یا کاهش اصطکاک ناهمگن پلیمر با سطح ثابت یا در حالت حرکت تجهیزات فرآیندی را باعث شود.
یک روان‌کننده سطح رزین نهایی تولید شده را نرم می‌کند بنابراین توانایی فرآیندپذیری آن بهتر خواهد شد. هر دو روان‌کننده داخلی و خارجی می‌توانند استفاده شوند .
روان‌کننده داخلی در داخل پلیمر اقامت دارد تا ویسکوزیته رزین را کاهش دهد. بدین وسیله خاصیت جریان‌پذیری آن بهبود می‌یابد.
روان‌کننده خارجی فشار اکستروژن که بین سطح مذاب پلیمری و سطح فلزی تجهیزات اکسترودر است را کاهش می‌دهد.
پروفایل جریان پلیمر بدون روان‌کننده و همراه با روان‌کننده در شکل زیر نشان داده شده است.
اثر روان کننده بر پروفایل سرعت مذاب
شکل سمت چپ مربوط به مذاب پلیمر بدون روان‌کننده، شکل وسط مربوط به مذاب پلیمر همراه با روان‌کننده داخلی و مربوط به مذاب پلیمر همراه با روان‌کننده خارجی است.
روان‌کننده
از دیدگاه شیمی روان‌کننده‌ها اصولاً واکس‌ها یا چربی‌ها فرض می‌شوند. این مفهوم را می‌رساند که زنجیره اصلی کربن در محدوده ۱۰ تا ۷۰ اتم کربن متداول است. انواع روان‌کننده‌ها در زیر خلاصه شده است :
-الکل‌ها
-صابون فلزات
-آمیدها
-استرها
-واکس پارافین
-واکس پلی‌اتیلن
عمل‌کرد روان‌کننده‌های افزوده شده به پلیمرها متفاوت بوده و باعث می‌شود تا آن‌ها را به سه تنوع اصلی تقسیم‌بندی کنند:
- موادی که باعث کاهش اصطکاک مواد قالب‌گیری با دیگر محصولات تمام شده می‌شوند. نمونه این مواد عبارتند از گرافیت و سولفید روی مولیبدن که به میزان ۱% تا ۲%، در نایلون‌ها و دیگر ترموپلاستیک‌های دارای کاربرد چرخ‌دنده و یاتاقان، اضافه می‌شوند.
- روان‌کننده‌های بیرونی: این مواد حین فرآیند از آمیزه پلیمری خارج شده و در سطح مشترک پلیمر مذاب و سطوح فلزی دستگاه‌های فرآیندی که با آن‌ها در تماس هستند، قرار گرفته فیلمی نازک ایجاد می‌کنند که مانع از چسبندگی آمیزه پلاستیکی با دستگاه و در پلیمر متفاوت باشد. این مواد، عمدتاً قطبی بوده و با توجه به نوع پلیمر مورد استفاده و دمای فرآیند انتخاب می‌شوند. برخی روان‌کننده های بیرونی در مورد pvc عبارتند از: اسید استئاریک و نمک‌های استئارات (کلسیم، سرب، کادمیم و باریم)، پارافین، واکس، پلی‌اتیلن سبک و برخی استرها نظیر اتیل پالمیتات.
- روان‌کننده‌های درونی: این روان‌کننده‌ها، موادی سبک هستند که جریان پلیمر در حالت مذاب را افزایش داده و بر خلاف نرم‌سازها، تأثیری ناچیز بر خواص حالت جامد پلیمر دارند. مثلاً در مورد PVC می‌توان با واکس‌های آمینی، مشتقات استری واکس مونتان، گلیسیریل استرها و استرهای زنجیر بلند اشاره کرد. این مواد عموماً از پارامتر انحلال‌پذیری مشابه با پلیمر پایه برخوردارند اما در دمای فرآیند، ویسکوزیته‌ای به مرتب کم‌تر دارند.
مهم‌ترین تأمین‌کنندگان این مواد در جدول زیر معرفی شده‌اند.
– بهبود دهنده‌های سطح
این دسته از آمیزه‌ها جزء کمک فرآیندهای پلیمری محسوب می‌شوند. همانند روان‌کننده‌ها، عامل لغزش و… در تولید پلیمرهای اکسترودر شده نقص‌های سطحی همواره وجود دارد از قبیل پوست پرتقالی شدن و شکست مذاب که همه این موارد به طور خاص به رئولوژی مذاب پلیمری برمی‌گردد.
شکست مذاب یک پدیده جریانی است که برای جریان مذاب پلیمری در سراسر دای رخ می‌دهد. این پدیده از دهانه دای شروع می شود به صورت بی‌نظمی‌های زمخت روی شکل سطح دیده می‌شود.
پدیده شکست مذاب در فرایند اکستروژن
نرخ تنش برشی روی سطح مذاب پلیمری بسیار بالاست که باعث شکستن سطح مذاب پلیمری می‌شود. همچنین باعث لغزش سطح مذاب نسبت به توده مذاب پلیمری می‌شود.
به طور کلی سطح مذاب نمی‌تواند به اندازه کافی سریع جریان بیابد چرا که با تنش زیادی مواجه است. این امر باعث گرادیان سرعت نسبت به توده مذاب می‌شود و نهایتاً شکست مذاب رخ خواهد داد.
این بی‌نظمی‌ها روی شکل سطح ناخواسته و نامطلوب است. برای مثال در فرآیند تولید فیلم دمشی شاهد الگوی غیر جذابی از بی‌نظمی‌ها و زخمتی روی سطح هستیم.
با توجه با پدیده‌هایی که در بالا بررسی شد کمک فرآیندها به پلیمر اضافه می‌شوند و به سطح مذاب مهاجرت می‌کند. باعث روان‌کنندگی، افزایش خروجی اکسترودر و کاهش شکست مذاب می‌شود.
کمک فرآیند اصطلاحی است که به برخی موارد اشاره می‌شود که به منظور بهبود فرآیندپذیری و مدیریت وزن مولکولی بالا به کار می‌روند. مزایای آن عمدتاً در مرحله ذوب شدن پلیمر است. دو گروه اصلی کمک فرآیندها روان کننده‌ها و فلوروپلیمرها هستند. هرکدام تأثیر مشخصی بر روی مذاب پلیمری دارند. روان‌کننده‌ها در فرآیند پلیمرها برای کاهش ویسکوزیته مذاب یا جلوگیری از چسبندگی پلیمر به سطوح فلزی استفاده می‌شوند. روان‌کننده‌های داخلی بین مولکولی عمل می‌کنند و لغزش زنجیرهای پلیمری را آسان‌تر می‌کنند. کاهش ویسکوزیته سبب بهبود جریان پلیمر می‌شود. روان‌کننده‌های مورد استفاده شامل صابون‌های فلزی، واکس‌های هیدروکربنی، پلی‌اتیلن، واکس پلی‌آمید، اسیدهای چرب، الکل‌ها و استرها هستند. کمک فرآیندهای مبتنی بر فلوروپلیمر بیش‌تر کوپلیمرهای وینیلیدین فلوراید و هگزا فلوروپروپیلن هستند. این مواد تحت عنوان فلورو الاستومر شناخته می‌شوند حتی اگر کراسلینک نشده باشند. بنابراین خواص الاستومری ندارند. بارزترین اثر این کمک فرآیندها حذف شکست مذاب در حین اکستروژن پلیمرها 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