وضعیت ورود
درحال حاضر شما وارد سایت نشده اید.
آمار بازدیدکنندگان
  • کاربران حاضر: 0
  • بازدید امروز: 39
  • بازدید ماه: 71,301
  • بازدید سال: 908,304
  • کل بازدیدکنند‌گان: 196,621
قیمت روز

Interface

عوامل جفت کننده (Coupling Agents)

بسیاری از مواد پرکننده معدنی با محیط پلیمری سازگاری نداشته، نمی‌توانند با آن جفت شوند. لذا برای بهبود چسبندگی در سطح مشترک بین پرکننده و پلیمر، از موادی به نام مواد جفت کننده استفاده می‌شود. این مواد با تشکیل پیوندهای بین مولکولی در میان سطح پرکننده و شبکه پلیمری، باعث چسبندگی در سطح مشترک می‌شوند. به این ترتیب، تنش اعمالی به کامپوزیت از طریق شبکه به نحوی بهتر به ذرات پرکننده یا الیاف انتقال می‌یابد و در نتیجه، استحکام کامپوزیت بهبود بیش‌تری می‌یابد. یک مولکول جفت کننده، عموماً حاوی یک گروه عامل معدنی و یک گروه ماده آلی است. عوامل جفت‌کننده به سه گروه اصلی طبقه بندی‌می‌شوند: آلی، غیر آلی و آلی-غیر آلی.

  • عوامل آلی شامل ایزوسیانات‌ها، ایمیدها، آکریلات‌ها، کلروتریازین‌ها، اپوکسایدها، اسیدهای آلی، مونومرها، پلیمرها و کوپلیمرها.
  • تعداد محدودی از عوامل جفت‌کننده غیر آلی نظیر اسیدهای غیر آلی و سیلیکات‌ها در کامپوزیت‌ها استفاده می‌شوند.
  • عوامل آلی-غیر آلی شامل سیلان‌ها، کمپلکس‌های کروم، استرهای غیر آلی، زیرکونات‌ها، آمومینات‌ها و تیتانات‌ها هستند. مشهورترین عامل‌های اتصال در صنعت کامپوزیت محدود به ایزوسیانات‌ها، انیدریدها ، سیلان‌ها و پلیمرهای اصلاح شده با انیدرید است.

جفت کننده‌های سیلانی

سازگارکننده‌های سیلانی توانایی تشکیل پیوند بادوام بین مواد آلی و معدنی را دارند. رویایی مواد غیر مشابه اغلب دارای یک عضو سیلیسی است یا دارای شیمی سطح مشابهی با آن‌‌ها است؛ شیمی سطح فصل مشترک چنین موادی به یک ناحیه پویا تبدیل شده است که در آن سطوح به منظور ایجاد محیط‌های ناهمگون موردنظر یا ترکیب خواص توده (بالک) فازهای مختلف جهت ایجاد ساختار کامپوزیتی یکنواخت اصلاح شده‌اند.

Untitled

فرمول کلی یک سازگارکننده سیلانی به طور معمول دو دسته عاملیت را نشان می‌دهد. X گروه با قابلیت هیدولیز است که اغلب شامل آلکوکسی، آسیلوکسی، هالوژن و آمین هستند. به دنبال هیدولیز یک گروه واکنش پذیر گروه سیلانولی تشکیل می‌شود که می‌تواند با سایر گروه‌های سیلانولی متراکم شود. محصولات تراکمی پایدار با اکسیدهایی نظیر آلومینیوم، زیرکونیوم، قلع، تیتانیوم و نیکل تشکیل می‌شوند. با اکسیدهای آهن، بور و کربن پیوندهای با پایداری کمتر ایجاد می‌شود. اکسیدهای فلزهای قلیایی و کربنات‌ها با Si_O پیوند پایدار ایجاد نمی‌کنند. گروه R یک رادیکال آلی غیر هیدرولیز پذیر است که ممکن است یک عاملیت را در ویژگی‌های مورد نظر ارائه دهد. نتیجه نهایی واکنش ارگانوسیلان با بستر، تغییر خصوصیات ترشوندگی و چسبندگی است. به کارگیری بستر جهت تسریع تحولات شیمیایی در فصل مشترک ناهمگون، سامان دهی ناحیه بین سطحی و اصلاح ویژگی‌های حد فاصلی است. به طور قابل توجهی توانایی ایجاد یک پیوند کوالانسی بین مواد آلی و معدنی را شامل می‌شود.

Untitled

سیلان چگونه یک سطح را اصلاح می‌کند؟

اصلاح‌کننده‌های سیلانی با هدف بهبود چسبندگی بین سطحی در کامپوزیت‌ها و سایر مواد، برای بهبود استحکام مکانیکی، مقاومت شیمیایی، رطوبت‌پذیری و خواص الکتریکی به کار می‌روند. به طور کلی عامل سیلانی از دو روش برقراری جذب فیزیکی و اتصال شیمیایی موجب اصلاح سطح ذرات غیر آلی می‌شود.

اصلاح با روش جذب فیزیکی

در این روش، واکنش ذرات با مولکول‌های کوچک فقط از راه جذب سطحی انجام‌پذیر است، اما در جذب فیزیکی ممکن است عمل واجذب نیز رخ دهد. این روش به تشکیل ساختاری برگشت‌پذیر و ناپایدار منجر می‌شود. زیرا اتصال عامل اصلاح‌کننده سیلانی به سطح ذرات از نوع جاذبه‌های ضعیف فیزیکی است و پیوندهای شیمیایی تشکیل نمی‌شود. برهم کنش‌ها اغلب از نوع واندروالس یا پیوند هیدروژنی هستند. در نتیجه، این برهم‌کنش‌های ضعیف در برابر گرما و حلال ناپایدارند. ذرات اصلاح شده با عامل اصلاح‌کننده سیلانی از دو بخش ذرات غیر آلی آب‌دوست و عامل اصلاح‌کننده سیلانی آب‌گریز تشکیل شده اند.

اصلاح با روش اتصال شیمیایی

برای اصلاح سطح ذرات به روش شیمیایی ابتدا با توجه به نوع ذره، عامل اصلاح‌کننده سیلانی مناسب دارای گروه‌های عاملی متفاوت با نسبت‌‌های مولی مختلف انتخاب می‌شوند.

اکثر ارگانوسیلان‌های پرکاربرد دارای اتم یا گروه آلی تعویض پذیر و ۲ گروه قابل هیدولیز هستند. در اکثر قریب به اتفاق درخواست‌های اصلاح، گروه آلکوکسی، تری آلکوکسی سیلان‌ها هیدرولیز شده تا گونه‌های حاوی سیلانول را تشکیل دهند. آب لازم برای انجام هیدرولیز به طرق مختلف مانند اضافه کردن و محیط تامین می‌شود. تشکیل پیوند کوالانسی بر روی سطح دارای مقدار معینی قابلیت بازگشت است. با حذف آب، به طور کلی با گرم کردن به مدت ۳۰ تا ۹۰ دقیقه یا تخلیه به مدت ۲ تا ۶ ساعت، پیوند ممکن است تشکیل، شکسته یا به منظور حذف تنش‌ داخلی اصلاح شود. مکانیزم مشابه می‌تواند اجازه‌ی جابه‌جایی موقعیتی اجزای فصل مشترک را بدهد. واکنش این سیلان‌ها شامل ۴ مرحله است. در ابتدا هیدولیز سه گروه ناپایدار رخ می‌دهد که مرحله تراکم الیگومرهای را به دنبال دارد. این مرحله شامل پیوند هیدروژن با گروه‌های OH بستر است. سرانجام در مرحله خشک شدن یا پخت یک پیوند کوالانسی با بستر به همراه ازدست دادن آب تشکیل می‌شود. اگرچه این واکنش‌ها به ترتیب توضیح داده شده اند، اما این واکنش‌ها می‌توانند به طور همزمان پس از مرحله هیدولیز اولیه رخ دهند. در فصل مشترک معمولا تنها یک پیوند از هر سیلیس به سطح بستر ارگانوسیلان وجود دارد. دو گروه سیلانول باقی مانده به صورت متراکم یا آزاد وجود دارند. گروه R برای واکنش کوالانسی یا برهمکنش فیزیکی با فازهای دیگر در دسترس باقی می‌ماند. سیلان‌ها می‌توانند سطوح را تحت شرایط بی آب(خشک) و با استفاده از تک لایه و رسوب دهی بخار اصلاح کنند. زمان واکنش بین ۴ تا ۱۲ ساعت و دمای  آن بین ۵۰ تا ۱۲۰ درجه سلسیوس است. از بین سیلان‌ها تنها متوکسی سیلان‌ها بدون تاثیر از رسوب دهی بخار به کمک کاتالیزور هستند. موثرترین سیلان‌ها برای رسوب دهی بخار آزاسیلان‌های حلقوی هستند.

Untitled

ساز و کار ارتقاء‌دهنده‌های چسبندگی با سیلان در فاز میانی

عوامل جفت‌کننده سیلانی هنگامی که در منطقه فاز میانی حضور دارند، مساحت بین بستر غیر آلی (نظیر شیشه، فلز و مواد معدنی) و بستر آلی (نظیر پلیمر آلی، پوشش‌ها و چسب‌ها) به عنوان عامل پیوند یا پل جهت بهبود چسبندگی بین دو ماده نامتشابه عمل خواهد کرد. اصلاح منطقه فاز میانی می‌تواند تغییرات مطلوب زیر را ایجاد کند: بهبود تر‌شوندگی بستر غیر آلی توسط پلیمر، بهبود پراکندگی پرکننده در پلیرهای مایع، کاهش ویسکوزیته مخلوط پلیمرهای پخت نشده/پرکننده. محافظت از مواد معدنی در برابر تجزیه، بهبود نقایص موجود در سطح، استحکام بخشیدن به لایه‌های پلیمر در فصل مشترک از طریق نفوذ داخلی با عامل جفت‌کننده برای تشکیل شبکه‌های پلیمری درهم‌نفوذکننده (interpenetrating polymer networks (IPNs)). در منطقه فاز میانی میان پلیمر و ماده غیر آلی برهم کنش‌های پیچیده از عوامل شیمیایی و فیزیکی مربوط به چسبندگی، استحکام فیزیکی و حفظ خواص چسب‌ها، کامپوزیت‌ها و مخلوط‌های مواد آلی و غیر آلی نظیر کامپوزیت‌ها وجود دارد. پیوندهای چسبنده می‌توانند توسط مهاجرت آب به داخل این منطقه فاز میانی از بین می‌روند، که پیوندها را هیدرولیز می‌کنند و سبب جدا شدن فیزیکی می‌شود. عوامل جفت‌کننده سیلانی خواص فیزیکی و شیمیایی منصر به فردی دارند که نه تنهت استحکام پیوند را افزایش می‌دهد، بلکه از جدایش در فصل مشترک نیز ممانعت می‌کند. در کامپوزیت‌ها اغلب ۴۰% استحکام خمشی افزایش می‌یابد که از طریق استفاده از عامل جفت‌کننده حاصل می‌شود. در پوشش‌ها و چسب‌ها، عوامل جفت‌کننده سیلانی به طور چشم‌گیری استحکام پیوند و مقاومت در برابر رطوبت و سایر شرایط نامساعد محیطی را افزایش می‌دهد، به طوری که فقط شکست هم‌چسبی پیوند مشاهده می‌شود.

Untitled

 

چشم انداز انتخاب سیلان برای اصلاح سطح بستر معدنی

عوامل موثر بر انتخاب اصلاح کننده‌ی سطح سیلانی:

  • غلظت گروه‌های هیدروکسیل سطح
  • نوع گروه‌های هیدروکسیل سطح
  • پایداری هیدرولیتیکی (آبکافتی) پیوند تشکیل شده
  • ابعاد فیزیکی بستر یا ویژگی‌های آن

هنگامی که سیلان‌ها با سطح بستر واکنش می‌دهند، اصلاح سطح به میزان حداکثر است و حداکثر سایت‌های در دسترس با سطح انرژی مناسب را ارائه می‌‍دهد. افزون بر آن خواص فیزیکی و شیمیایی فاز میانی مطرح است. فاز میانی می‌تواند ویژگی‌های کل سیستم مربوط به خواص فیزیکی مانند مدول و خواص شیمیایی مانند مقدار آب را ارتقا یا کاهش دهد. بسترهای حاوی هیدروکسیل از نظر غلظت و نوع گروه‌های هیدروکسیل متفاوت اند.

Untitled

 بسترهای تازه ذوب شده که تحت شرایط خنثی نگهداری می‌شوند دارای حداقل مقدار هیدروکسیل اند. آبکافت نشأت گرفته از اکسیدها در هوای مرطوب از نظر فیزیکی مقدار قابل توجهی آب جذب کرده که می‌تواند درجفت شدن اختلال ایجاد کند. پیوند هیدروژن سیلانول‌های مجاور با سازگار کننده‌های سیلانی واکنش بیشتری می‌دهد، در صورتی که هیدروکسیل‌های جدا یا آزاد با اکراه واکنش نشان می‌دهند. سیلان‌ها با سه گروه آلکوکسی نقطه شروع برای اطلاح بستر هستند. این مواد تمایل به رسوب به صورت فیلم‌های پلیمری دارند که تاثیر گذار بر پوشش کلی و به حداکثر رساندن عاملیت آلی است. آن‌ها مواد اولیه در کامپوزیت‌ها، چسب‌ها، درزگیرها و پوشش‌ها هستند. محدودیت‌های ذاتی در استفاده از رسوب دهی چند لایه برای مواد نانو و نانوکامپوزیت‌ها قابل توجه است که در آن ابعاد فاز میانی توسط رسوب دهی چند لایه ایجاد شده است که ممکن است به بستر نزدیک شود. گروه‌های هیدروکسیل باقی مانده (غیر متراکم) از آلکوکسی سیلان‌ها می‌توانند در فعالیت تداخل ایجاد کنند. مونو آلکوکسی سیلان غالبا یک جایگزین در بسترهای دارای نانو به دلیل محدودکردن رسوب دهی به یک لایه مورد استفاده قرار می‌گیرد. اگر ثبات هیدرولیتی پیوند اکسان بین سیلان و بستر ضعیف باشد یا زمانی که کاربرد آن در محیط‌های تهاجمی است، استفاده از سیلان‌های دوقطبی بهبود عملکرد قابل توجهی را از خود نشان می‌دهد. این مواد شبکه‌های محکم تری را تشکیل می‌دهند و ممکن است مقاومت بیشتر تا ۱۰۵ در برابر هیدرولیز نشان دهد و آن‌ها را مناسب برای کاربردهای آغازگر می‌سازد.

Untitled

Untitled

اهمیت کشش سطح بحرانی و چسبندگی

در حالی که زاویه تماس آب بر روی یک بستر شاخص خوبی از آبگریزی یا آبدوستی نسبی بستر است اما شاخص خوبی برای تر شوندگی بستر توسط مایعات دیگر نیست.

Untitled

کشش سطحی بحرانی با ترشوندگی یا آزاد شدن خواص یک جامد همراه است. این به عنوان یک پیش بینی بهتر رفتار یک جامد در طیفی از مایعات به کار می‌رود. مایعات با کشش سطحی زیر کشش بحرانی یک بستر سطح را مرطوب می‌کنند. به عنوان مثال زاویه صفر را نشان می‌دهند. کشش سطحی بحرانی برای هر ماده جامد منحصر به فرد بوده و با رسم کسینوس زاویه تماس مایعات در کشش‌های مختلف سطح و برون یابی به ۱ به دست می‌آید. رفتار آب دوست به طور کلی در سطوح با کشش سطحی بحرانی بالاتر از  dynes/cm 45 مشاهده می‌شود. نتیجه افزایش کشش سطحی بحرانی، کاهش مورد انتظار در زاویه تماس همراه با رفتار جذب قوی‌تر و گرمازایی بیشتر است.

رفتار آب گریز به طورکلی در سطوح با کشش سطحی بحرانی کمتر از dynes/cm 35 مشاهده می‌شود. در ابتدا کاهش در کشش سطحی با رفتار اولئوفیلیک مرتبط است، به عنوان مثال ترشدن سطح توسط روغن‌های هیدروکربنی. زمانی که کشش سطحی بحرانی به زیر dynes/cm 20 کاهش می‌یابد، سطح در برابر خیش شدن توسط روغن‌های هیدروکربنی مقاومت می‌کند و به عنوان آبگریز در نظر گرفته می‌شود.

کاربرد عوامل جفت کننده در پلیمرها

ماده اصلاح‌کننده سیلانی به عنوان اتصال‌دهنده عمل می‌کند و می تواند موجب اتصال میان بستر غیر آلی (مانند الیاف شیشه، فلزات، اکسید فلزات، مواد غیر آلی و پرکننده‌ها) و ماده آلی مانند پلیمر (لاستیک، پلاستیک، چسب و پوشش) شود و دو ماده نامشابه را به یکدیگر اتصال دهد. همچنین مواد اصلاح‌کننده سیلانی برای شبکه‌ای کردن پلیمرهای غیر قطبی و پلیمرهای واکنش‌ناپذیر مانند پلی‌اتیلن و کوپلیمرهای اتیلن به کار می‌روند. برای نمونه کاربرد وینیل سیلان‌ها در شبکه‌ای کردن پلیمرهای غیر قطبی و پلیمرهای واکنش‌ناپذیری مانند پلی‌اتیلن و کوپلیمرهای اتیلن، از راه ساز و کار رادیکالی است. به طور کلی، برای انجام واکنش پیوندزنی، از وینیل سیلان‌ها همراه با پراکسیدهای آلی استفاده می‌شود. این نوع اصلاح‌کننده‌ها برای ترکیباتی به کار می‌روند که با پراکسید و گوگرد ولکانیزه شده اند. با این روش می‌توان پلیمرهایی مانند پلی‌پروپیلن، پلی‌اتیلن، اتیلن‌وینیل‌استات و لاستیک EPDM را اصلاح کرد.

آمینوسیلان‌ها نیز برای اصلاح بسیاری از پرکننده‌ها و الیاف شیشه به کار می‌روند. برای مثال آن‌ها قابلیت پیوند زنی به EVA را به وسیله واکنش آمین‌کافت درارند. با این اصلاح‌کننده می‌توان به اصلاح پلیمرهایی نظیر پلی‌پروپیلن، پلی‌اتیلن، پلی‌استایرن، پلی‌وینیل‌کلراید، پلی‌کربنات، ملامین فرمالدهید، پلی‌یورتان، EVA، اپوکسی، فنل‌فرمالدهید و لاستیک سیلیکونی پرداخت. مختصرا به توضیح بیشتر در پلیمرهای پرکاربرد می‌پردازیم.

ترموپلاستیک‌ها

ترموپلاستیک‌ها رقابت بیشتری برای استفاده از سازگارکننده‌های سیلانی در مقایسه با ترموست‌ها از خود نشان می‌دهند. سیلان‌ها می‌بایست با پلیمر واکنش دهند نه ماده‌ای اولیه (منومر) که نه تنها راه‌های اتصال را محدود می‌کند بلکه مشکلات اضافی در رئولوژی و خواص حرارتی را در طی مراحل فرمولاسیون کامپوزیت نشان می‌دهد. علاوه بر این در اینجا الزامات مکانیکی سختگیرانه در نظر گرفته شده است. از پلیمرهایی که دارای سایت‌های  منظم در زنجیره اصلی یا به صورت آویزان جهت واکنش کوالانسی هستند می‌توان به پلی‌دی ان‌ها، پلی وینیل کلراید، پلی وینیل سولفون، هموپلیمرهای آکریلیک، مالئیک اندرید، آکریلیک، وینیل استات، کوپلیمرهای دی‌انی، هالوژن و کلروسولفون‌های اصلاح شده اشاره کرد. تعداد بالایی از مواد می‌توانند توسط آمینوآلکیل سیلان‌ها جفت شوند که شگفت آور است. پلیمرهای کلردار می‌توانند به آسانی ترکیبات نوع چهارم را تشکیل دهند در حالی که گروه‌های کربوکسیلات و سولفونات، آمیدها و سولفونامیدها را تحت شرایط فرآیند تشکیل می‌دهند. در دمای بالا آمین‌ها از طریق بسیاری از پیوندهای دوگانه اضافه می‌شوند؛ اگرچه که مرکاپتو آلکیل سیلان‌ها عوامل سازگار کننده‌ی ترجیحی هستند.

از بین پرکاربردترین عوامل سازگار کننده آمینو آلکیل سیلان‌ها اقتصادی ترین بوده، اما لزوما بهترین نیستند. به عنوان مثال اپوکسی سیلان‌ها برای کوپلیمرهای آکریلیک اسید و مالئیک اسید با موفقیت مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 

ترموپلاستیک‌های تراکمی

آن دسته از پلیمرها که به میزان بیش‌تری محدودیت‌هاى تئوری در رابطه با استحکام کامپوزیت را برطرف می‌کنند، فرصت‌های قاعده‌مند و منظمی برای برقراری یا تشکیل پیوند کووالانسی با زیرلایه (بستر) را ندارند. بسیاری از پلیمرهای تراکمی نظیر پلی آمید، پلی استر و پلی کربنات در این گروه هستند. چسبندگی با معرفی گروه‌‌ها با سطح انرژی بالا و پتانسیل پیوند هیدورژنی در فاز میانی ارتقا می‌یابد. همچنین می‌توان با استفاده از پلیمرها با جرم مولکولی کم، فرصت را برای واکنش گروه‌های انتهایی فراهم کرد. آمینو الکیل سیلان‌ها، کلروآلکیل سیلان‌ها و ایزوسیانات سیلان‌ها نامزدهای معمول سازگار کننده برای این نوع به شمار می‌روند. این گروه دارای بیشترین مقاومت مکانیکی در بین ترموپلاستیک‌ها هستند که اجازه‌ی استفاده را در کاربردهای اتصال دهنده، چرخ دنده و قرقره به جای فلزات می‌دهد.

پلی اولفین‌ها

پلی اولفین‌ها و پلی اترها فرصت مستقیمی برای اتصال کوالانسی ندارند. تا همین اواخر اصلاح سطح انرژی پرکننده‌ها برای تطبیق آن با پلیمرها انجام می‌شد. برای بهینه سازی تقویت پلیمر می‌بایست دارای وزن مولکولی بالا، خطی و ویسکوزیته مذاب کم باشند.  بهبود استحکام کامپوزیت‌ها از طریق آلکیل سیلان‌های زنجیره بلند یا آمینوسیلان‌ها انجام شده است. بسازگار کننده با گروه‌های وینیل یا متاکریلوکسی بسیار اثر بخش‌تر است، به خصوص اگر سایت‌های اضافی سازگارکننده با افزودن پراکسیدها ایجاد شوند. ترکیباتی نظیر دی کیومیل پراکساید و بیس t-بیوتیل پراکسی در مقدار ۱۵/۰ تا ۲۵/۰ درصد به پلی اتیلن با الیاف شیشه (یا رس) اصلاح شده با وینیل سیلان اضافه می‌شوند. افزایش ۵۰ درصدی خواص کششی و خمشی در مقایسه با حالت بدون پراکسید مشاهده شده است. روش دیگر اصلاح پلی اتیلن و پلی پروپیلن استفاده از سیلان سولفونازیدها است.

اما روش نوآورانه برای اصلاح سطح پلی اولفین‌ها استفاده از اصلاح کننده‌های الیگومری چند حالته نظیر SSP-055 است. چنین الیگومرهایی چسبندگی بهتری را برای اتصال پیوند دو قطبی سیلان فراهم می‌کنند. در آخر اصلاح با استفاده از پلاسما سبب ایجاد رادیکال‌های هیدروکسیل در سطح پلی اولفین می‌شوند. این کار سایت‌های لازم برای اتصال سیلان به سطح پلی اولفین را فراهم کرده و برای طیف وسیعی از سیلان‌ها قابل اجرا است.

در حقیقت این ترکیبات که در مقادیر کم استفاده می‌شوند با پروتون‌های آزاد در فصل مشترک غیر آلی تشکیل‌دهنده یا چند لایه تک‌مولکولی روی سطح غیر آلی، واکنش می‌دهند. مولکول انتخاب شده برای این هدف باید در دو انتهایش گروه ای عاملی داشته باشد که قادر به واکنش با سطح ذرات غیر آلی و مواد ماتریس هستند. این افزایش چسبندگی که در نتیجه این واکنش رخ می‌دهد، باعث بهبود انتقال تنش بین اجزای کامپوزیت، چقرمگی شکست و استحکام سایشی می‌شود، بارگذاری بیش تر پرکننده را ممکن می‌سازد، پراکندگی ذرات را بهینه می‌کند، جریان‌یافتگی پلیمرهای پرشده و پرنشده در دماهای فرآیندی پایین‌تر را افزایش می‌دهد و شکنندگی کامپوزیت نهایی را کاهش می‌دهد. طیف وسیعی از عوامل جفت کننده‌ای که دارای دو گروه عاملی هستند برای این منظور کارامد می‌باشند-یک گروه که به چسب متصل می‌شود و گروه دیگر که به سطح بستر جذب می‌شود. به طور کلی ، اگر گروه عاملی عامل جفت‌کننده ماهیت غیر واکنشی داشته باشد، چسبندگی را افزایش نمی‌دهد، اما عوامل جفت‌کننده‌ای وجود دارند که چسبندگی را از طریق بهبود سازگاری فصل مشترک بین دو جزء ارتقا می‌دهند یا خواص سطح مواد را تغییر می‌دهند، یا آن‌ها را به پلیمرها کوپلیمره می‌کنند.

مثال‌هایی از انواع جفت کننده‌های سیلانی را مشاهده می‌کنید:

Untitled

 

Untitled

 

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 📧

سازگارکننده‌های پلیمری

مخلوط‌های پلیمری تقریباً یک سوم کل پلیمرهای مصرفی جهان را تشکیل می‌دهند. آن‌ها تعادل خوبی از خصوصیات فنی را ارائه می‌دهند؛ یا ممکن است انگیزه اقتصادی باشد، مانند زمانی که یک پلیمر ارزان قیمت برای کاهش هزینه‌ها به یک پلیمر مهندسی گران‌تر اضافه می‌شود. برخی از جفت‌ پلیمرها به راحتی در اکسترودر امتزاج‌پذیر هستند، ولی برخی دیگر ناسازگارند و آن ها دو فاز تشکیل می‌دهند، یکی در دیگری پخش می‌شود. خواص مکانیکی مخلوط ناسازگار به دلیل فصل مشترک ضعیف میان دو فاز، ضعیف است.

سازگارسازی: فرآیند اصلاح خواص بین سطحی در پلیمرهای امتزاج‌ناپذیر که منجر به کاهش کشش بین سطحی و تثبیت ریزساختار مطلوب و در نتیجه محصول آلیاژ پلیمری مطلوب می‌گردد. سازگارسازی، از کاهش فعالیت بین سطحی و بهبود چسبندگی در آلیاژهای پلیمری است. سازگارسازی در آلیاژهای دو فازی مورد استفاده قرار می گیرد زیرا در آلیاژهای تک فازی، بر هم کنش میان اجزا مناسب بوده و نیازی به استفاده از روش های سازگارسازی نیست. این امر سبب خواهد شد که چسبندگی میان اجزاء بهبود یابد و در نتیجه خواص استحکامی ماده حاصله، بسیار مناسب شود. از سوی دیگر سازگارسازی باعث می شود تا اندازه ذرات پخش شده در آلیاژ پلیمری، کوچک تر شده و در نتیجه خواص مناسب تری حاصل شود. نقش مهم دیگری که یک سازگارکننده دارد ایفای تثبیت مورفولوژی است. استفاده از سازگارساز باعث می شود که مورفولوژی آلیاژ حاصله، در فرآیندهای بعدی تغییر نکرده و در نتیجه خواص مورد نظر از محصول به دست آید. (نکته مهم این است که آلیاژهای تولید شده، برای تبدیل به محصول نهایی باید وارد فرآیندهای شکل دهی شوند. اگر تثبیت مورفولوژی انجام نگیرد، در فرآیندهای بعدی مورفولوژی آلیاژ و ابعاد ذرات پخش شده تغییر خواهد کرد و این امر باعث تغییر خواص آلیاژ خواهد شد.)

سازگارکننده: پلیمر یا کوپلیمری که یا به یک مخلوط پلیمری اضافه می‌گردد یا در حین اختلاط واکنشی تولید شده، مشخصات فصل مشترک را بهبود می‌بخشد و باعث تثبیت ریزساختار می‌گردد. سازگارکننده‌ها گونه‌های ماکرومولکولی هستند که فعالیت‌های بین سطحی در مخلوط‌های پلیمری ناهمگن را به نمایش می‌گذارند.

پلیمرها با ساختارهای مختلف از لحاظ ترمودینامیکی امتزاج‌پذیر نیستند و بنابراین مخلوط‌های ناهمگن (آلیاژ) ایجاد کنند. پلیمر در غلظت بالاتر فاز پیوسته‌ای تشکیل خواهد داد و پلیمر با غلظت کم‌ در بستر پیوسته پراکنده خواهد شد. اما چسبندگی بین مولکولی میان فاز پراکنده و پیوسته خیلی ضعیف است، در حالی که منجر به عمل‌کردهای مکانیکی ضعیف مخلوط می‌شود.

عمل‌کرد آلیاژها بستگی به خواص اجزاء تشکیل‌دهنده آلیاژ، غلظت اولیه اجزاء در آلیاژ و ریزساختار آلیاژ حاصل دارد. فرآیند آلیاژ کردن بایستی منجر به مخلوط پلیمری با خواص پایدار و تکرار پذیر گردد. بنابراین ریزساختار یا باید پایدار و غیر قابل تغییر در حین مراحل تهیه باشد و یا این که تغییرات آن قابل پیش‌بینی باشند.

آلیاژسازی از روش‌های پراکندن فازها در یک‌دیگر و همچنین سازگارسازی آن‌ها با هم استفاده می‌نماید. روش سازگارسازی سه وظیفه اصلی را برعهده دارد:

  • کاهش کشش بی سطحی فازها که منجر به پراکندگی ریزتر و یکنواخت‌ فازها در هم می‌شود.
  • پایدارسازی ریزساختار در مقابل اثرات حرارتی و برشی در حین مراحل فرآیند.
  • چسبندگی بین سطحی در فصل مشترک در حالت جامد.

راه‌کارهای مختلفی برای عمل سازگارسازی به کار می‌رود که عبارتند از:

  • افزودن مقدار کمی از یک حلال مشترک و یا جزء سومی که با هر دو امتزاج‌پذیر باشد.

افزودن یک کوپلیمر بلوکی یا پیوندی که قسمتی از آن با یک فاز و قسمتی دیگر از آن با فاز دیگر امتزاج‌پذیر باشد. . این کوپلیمرها اغلب دارای دوجزء هستند به‌ طوری که هر یک از اجزاء می‌توانند با یکی از فازها برهم‌کنش برقرار کند و به این ترتیب با کاهش تنش بین سطحی دو پلیمر و ممانعت از به ‌هم‌ پیوستن قطرات، اندازه قطرات به وجود آمده در فرآیند اختلاط را کاهش دهند و سبب چسبندگی بهتر بین دو فاز و پایدارسازی مورفولوژی سامانه حین فرآیند شده و فصل مشترک دو فاز را بهبود بخشند.

  • افزودن مقدار زیادی از یک کوپلیمر به صورت هسته-پوسته که معمولاً به منظور بهبود خواص ضربه استفاده می‌گردد.
  • اختلاط واکنشی که منجر به اصلاح حداقل یکی از اجزاء ماکرومولکول و ایجاد نواحی امتزاج‌پذیر می‌گردد.
  • مخلوط کردن مکانیکی-شیمیایی

مرجع دیگری بیان می‌کند معمولاً زنجیرهای سازگارکننده ساختار قطعه‌ای (Block) دارند، با یک بلوک امتزاج‌پذیر سازنده با یک جزء مخلوط و بلوک امتزاج‌پذیر دوم با جزء دیگر مخلوط دارند.

روش‌های سازگارسازی می‌توانند به دو دسته تقسیم‌بندی شوند:

  • (i) افزودن مقدار کمی از یک جزء که با هر دو فاز امتزاج‌‌پذیر است (ii) افزودن مقدار کمی کوپلیمر که یک قسمت با فاز اول سازگار است و قسمت دیگر با فاز دیگر (iii) افزودن مقدار زیادی از یک هسته-پوسته، سازگارکننده-اصلاح کننده ضربه چند-منظوره.
  • سازگارسازی واکنشی که از راهبردهایی نظیر موارد ذکر شده استفاده می‌کند: (i) واکنش‌های ترانس (ii) تشکیل واکنش پیوندی (graft)، قطعه‌ای (block) یا کوپلیمر دارای اتصالات عرضی سبک، (iii) تشکیل ساختارهای پیوندی از لحاظ یونی (iv) اختلاط مکانیکی-شیمیایی که می‌تواند منجر به شکست زنجیره‌ها و بازترکیب شود، بنابراین در حالی که کوپلیمرها را تولید می‌کنند.

فشارهای شدید زیست محیطی صنایع را به بازیافت پلیمرهای زائد به ویژه آن‌هایی که در کاربردهای بسته‌بندی سر و کار دارند، سوق می‌دهند. پلی‌اتیلن در تمام اشکال تجاری موجود (HDPE)، (LDPE)، (LLDPE)، در حال حاضر بیش از ۵۰٪ از بازار بازیافت پلیمر را نشان می‌دهد. همراه با پلی‌پروپیلن (PP) ، پلی‌استایرن (PS) ، پلی وینیل کلراید (PVC) و پلی اتیلن ترفتالات (PET)، PE عمده مواد زائد پس از مصرف در مورد مواد پلیمری را تشکیل می‌دهند.

با توجه به ترکیب پلیمری مورد نظر، انواع مختلف سازگارکننده‌ها به صورت تجاری موجود است:

Untitled

یکی از عوامل مهم در امتزاج‌پذیری، سرعت رسیدن به تعادل ترمودینامیکی است که این عامل، خود به ضریب اثرات متقابل ترمودینامیکی و نیروهای مقاوم ریولوژیکی مانند خود-نفوذی (Diffusion-Self) بستگی دارد. برای مثال در مخلوط‌های پلی‌الفینی ضریب اثرات متقابل نزدیک به صفر است از طرفی ضریب خودنفوذی ماکرومولکول‌ها هم بسیار کوچک است، لذا رسیدن به تعادل ترمودینامیکی به ندرت اتفاق می‌افتد. عامل دیگر روش تهیه مخلوط است. برای مثال مخلوط‌های پلی‌الفینی که به روش محلول تهیه می‌گردند به دلیل داشتن فرصت کافی برای رسیدن به تعادل ترمودینامیکی، امتزاج‌پذیرند. در حالی که چنانچه مخلوط به روش اختلاط مکانیکی تهیه گردد، امتزاج‌ناپذیر خواهد بود.

در پلیمرهای امتزاج‌ناپذیر به دلیل کوچک بودن برهم‌کنش ذاتی بین آن‌ها محصولی با مورفولوژی نایکنواخت و ناپایدار و دارای چسبندگی ضعیف بین فازی حاصل می‌گردد که این امر باعث افت خواص فیزیکی و مکانیکی محصول نهایی می‌شود. این مشکل از برهم‌کنش ضعیف بین فازها ناشی می‌شود که در پی آن میان فازها یک فصل مشترک شکل می‌گیرد و در این ناحیه به دلیل چگالی پایین گره‌خوردگی زنجیرهای پلیمری با یکدیگر، انتقال تنش بین دو فاز به خوبی صورت نمی‌پذیرد به طوری که از یک سو موجب بالا بودن تنش بین سطحی بین اجزاء در حالت مذاب می‌گردد و در نتیجه تغییر شکل و شکست (Break-Up) قطرات برای پراکندگی فاز متفرق در حین اختلاط و مقاومت در برابر پدیده ائتلاف (Coalescence) قطره را در فرآیندهای بعدی مشکل‌ می‌سازد و از سویی دیگر موجب چسبندگی ضعیف در حالت جامد شده که بر حسب نوع تنش اعمال شده و ساز و کار شکست منجر به شکست مکانیکی زود هنگام می‌شود. موفولوژی و چسبندگی بین سطحی با استفاده از فرآیند سازگارسازی بهبود می‌یابند.

این نوع سازگارسازی نتیجه اثر ممانعت فضایی‌ای (Hindrance Effect) است که به دلیل حضور سازگارکننده در فصل مشترک و به دنبال آن گرادیان غلظت سازگارکننده روی فصل مشترک و متعاقب آن به وجود آمدن نیروهای مارانگونی (Marangoni Forces) روی فصل مشترک دو پلیمر، ایجاد می‌گردد. (اثر مارانگونی پدیده‌ای است که در آن به علت وجود گرادیان تنش بین سطحی در طول فصل مشترک دو سیال، انتقال جرم انجام می­شود. گرادیان تنش بین سطحی می­تواند در اثر وجود گرادیان غلظت و یا گرادیان دما ایجاد شود زیرا تنش بین سطحی تابع دما است) همان طور که گفته شد، ابعاد نهایی قطرات از تعادل بین نیروهای ویسکوز و نیروهای تنش بین سطحی منشأ می‌شود. در تحقیقاتی که توسط محققین صورت گرفته اگر چسبندگی بین دو فاز مناسب باشد، قطره می‌تواند تغییر شکل بسیار زیادی را قبل از شکست تحمل کند و در نتیجه ریزساختار فازی با ذرات ریزتری حاصل می‌شود.

گفته شد اصطلاح سازگارکننده به ماده افزودنی گفته می‌شود که جهت بهبود امتزاج‌پذیری و خواص مخلوط پلیمری استفاده می‌شود. گاهی اوقات به طور خاص‌تر به معنای افزودنی است که برای تقویت چسبندگی بین یک پلیمر و یک سطح غیر آلی مانند یک ماده معدنی یا الیاف شیشه استفاده می شود. در این گزارش عوامل جفت‌کنندهایی که جهت ارتقاء چسبندگی میان پلیمرها و افزودنی‌های معدنی استفاده می‌شوند، تحت عنوان پرکننده‌ها مورد بحث قرار می گیرند، و این بخش تقریباً به طور کامل در مورد سازگارکننده‌هایی که برای ارتقاء قابلیت سازگاری دو پلیمر آلی استفاده می‌شوند، متمرکز است.

سازگارکننده‌ها به طور معمول کوپلیمرهای (قطعه‌ای یا پیوندی هستند، نه تصادفی). کوپلیمرهای بلوکی مولکول‌های طویلی دارند که در آن‌ها دنباله‌ای متشکل از چندین واحد ساختاری یکسان، ppppp، در ادامه دنباله دیگری با واحدهای ساختاریی یکسان اما مجزا از دنباله اول، QQQQQ، در یک زنجیر قرار می ‌گیرد. در مورد کوپلیمرهای گرافت شده، یک بخش منشعب به زنجیر اصلی متصل می‌شود و ساختاری T شکل را ایجاد می‌کند، و بخشی از زنجیر اصلی نیست.

سازگارکننده‌ معمولاً از وزن مولکولی بالاتر نسبت به پلیمرهای مخلوط شده برخوردارند. خواه کوپلیمر یک بلوک باشد یا یک گرافت، یک توالی، P برای سازگاری با پلیمر A و دیگری Q، با پلیمر B انتخاب می‌شود.  توالی P حتی ممکن است با واحد تکراری پلیمر A یکسان باشد ، یا نه. اگر پلیمر A و پلیمر B ناسازگار باشند و در حال مخلوط شدن باشند، ساده ترین چیدمان استفاده از کوپلیمر بلوک A و B به عنوان سازگارکننده است، اما این تنها احتمال نیست. از پلیمرهای تری‌بلاک مانند PPPPPP – QQQQQ – TT RRRRRR نیز گاهی استفاده می‌شود، اما لزوماً از انواع دی‌بلاک موثرتر نیستند.

از کوپلیمرهای هسته-پوسته نظیر گلیسیدیل متاکریلات-اتیلن-وینیل استات، در حالی که حاوی هر دو بخش قطبی و غیر قطبی هستند، جهت سازگارسازی و چقرمه‌سازی مخلوط‌های دو پلیمر شکننده استفاده شده است.

عوامل مؤثر در روش افزودن کوپلیمر بلاک یا گرافت به آلیاژ پلیمری عبارتست از نوع کوپلیمر و میزان آن. باید توجه داشت که اگر سطح مشترک بین دو فاز از کوپلیمر سازگارساز اشباع شود، با افزایش این جزء، بهبود بیشتری در چسبندگی حاصل نمی شود و بهبود خواص به دست نمی آید (در برخی موارد، با افزایش بیش از حد سازگارساز حتی افت خواص نیز حاصل خواهد شد.)

سازگارکننده‌ها معمولاً از گره‌خوردگی‌های مولکولی جهت اتصال به دو پلیمر غیر مشابه استفاده می‌کنند. مخلوط‌های سازگارشده از مخلوط‌های طبیعی پلیمرهای امتزاج‌پذیر متفاوتند، به این دلیل که هر کدام از پلیمرهای اصلی به حضورشان در نواحی بسیار کوچک و متمرکز از خود یا پلیمر دیگر، معمولاً در حد نواحی میکرونی، ادامه می‌دهند.

سازگارکننده‌ها می‌توانند مانند سورفکتانت‌های جامد عمل کنند، در حالی که ضریب تنش بین سطحی را کاهش می‌دهند، اندازه ذرات یک پلیمر پراکنده را در دیگری کاهش می‌دهند و اغلب باعث بهبود پراکندگی آن‌ها می‌شوند. عمل‌کردهای دیگر سازگارکننده‌ها ایجاد ثبات در مورفولوژی و بهبود چسبندگی بین مواد تشکیل دهنده است. برای دستیابی به موفقیت در همه این موارد ممکن است بیش از یک سازگارکننده لازم باشد. هر دو ساز و کار شیمیایی فیزیکی و واکنشی ممکن است در این امر دخیل باشند. همیشه به حداکثر رساندن سازگاری یک ترکیب مطلوب نیست، زیرا درجه خاصی از ناسازگاری، ناهمگنی و ضعف سطحی باعث افزایش مقاومت در برابر ضربه می‌شود.

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 📧