سازگارکننده ها برای آلیاژهای پلیمری
کاربرد آلیاژهای پلیمری به دلیل ارائه موازنه ای مطلوب از خواص فیزیکی و شیمیایی همچنان به رشد سریع خود ادامه می دهد.
سازگارکننده ها مکانیسمی جهت اختلاط این پلیمرهای غیر قابل امتزاج فراهم می آوردند.
در این مقاله به روند اخیر استفاده از سازگارکننده ها برای آلیاژهای پلیمری نگاهی می اندازیم.
استفاده از آلیاژهای پلیمری و به تبع آن سازگارکننده ها طبق پیش بینی کارشناسان، همچنان به رشد خود ادامه خواهد داد.
بازار سازگارکننده ها، بدون در نظر گرفتن آن میزان که در بازیافت استفاده می شود، در حدود 6/13 میلیون کیلوگرم (30 میلیون پوند) در سال 2000 تخمین زده شده است و انتظار می رود تا با سرعت رشد سالانه % 4/5 در سال 2005 به 6/18 میلیون کیلوگرم (40 میلیون پوند) برسد.
کمپانی ارتباطات تجاری (BCC) که یک کمپانی آمریکایی است این مطلب را در گزارش سال 2001 خود تحت عنوان "بهینه سازی پلیمر پس از پلیمریزاسیون" بیان کرده است.
دو عامل خواص و قیمت، رشد آلیاژها را تضمین میکنند.
آلیاژهای پلیمری جهت حصول موازنه مطلوب میان خواص فیزیکی و شیمیایی به طور وسیعی استفاده می شوند.
گرایش به پلیمرهای با نقاط ذوب بالاتر و پایداری حرارتی بهتر منجر به کاربرد بیشتر آلیاژهای پلیمری شده است که برای بهبود این پلیمرها که نوعا شکننده تر هستند، به کار گرفته می شوند.
تمایل دیگر، آلیاژ سازی سه ماده یا بیشتر با یکدیگر می باشد که عمدتاً در اجزای قالب گیری شده محصول مورد استفاده مصرف کننده به کار می روند، که از آن جمله می توان به لاستیک های با زیر دست نرم بر روی مسواک ها یا تیغ ها اشاره نمود.
اجزای قالب گیری شده یک محصول از مخلوط پیچیده ای از پلیمرها تشکیل می شوند که خواص فیزیکی مطلوب به همراه چسبندگی به زمینه را دارا می باشند.
سازگارکننده ها در به دست آوردن این آلیاژها نقش کلیدی دارند.
صنعت پلاستیک به طور مداوم به دنبال کاهش در هزینه ها می باشد.
در برخی موارد که یک پلیمر گران جهت کاربرد مشخصی مورد نظر می باشد، آلیاژ سازی با یک پلیمر ارزان تر با یک پرکننده، با استفاده از سازگارکننده یا عامل اتصال (Coupling Agent) مربوط، هزینه ها را کاهش خواهد داد.
راه حل دیگر اصلاح یک پلیمر ارزان مانند pp با استفاده از مواد افزودنی یا آلیاژسازی می باشد به طوری که بتواند با مواد بهتر از لحاظ خواص رقابت کند.
چگونگی عملکرد سازگارکننده ها
سازگارکننده ها جهت تهیه آلیاژ از پلیمرهای غیر قابل امتزاج و خلق یک مخلوط همگون به کار می روند.
مواد ناسازگار، مانند آب و روغن، هنگام اختلاط دو فازی می شوند.
یک سازگارکننده مانند یک عامل سطح فعال عمل کرده و کشش بین سطحی دو پلیمر ناسازگار را کاهش داده و امکان تهیه آلیاژ از آن ها را فراهم می آورد.
هر چند که آلیاژ کماکان دو فازی است اما سازگارکننده، اختلاط و پایداری دو فاز را تا حدی که آلیاژ به مثابه حالت امتزاج پذیر عمل کند، ممکن می سازد.
سازگار کننده نوعاً شامل دو بخش است به طوری که هر بخش می تواند با یکی از اجزای آلیاژ بر همکنش داشته باشد، سازگارکننده های غیر واکنشی پیوندی تشکیل نمی دهند اما عموماً با یکی از اجزا آلیاژ امتزاج پذیر می باشند.
سازگارکننده ها نقش مهمی در خلق انواع مختلف آلیاژ داشته و به آمیزه سازان نیز تا حدودی آزادی عملکرد در جهت برآورد نیازهای مشخص می دهند.
آلیاژهای پلیمری عموماً خواص ضربه یا خمشی، مقاومت شیمیایی، شکل پذیری حرارتی و قابلیت چاپ را تغییر می دهند، در برخی موارد بعضی از خواص آلیاژ سازگار شده از هر یک از اجزا به تنهایی پیشی می گیرد.
سازگارکننده های *** از شرکت Crompton را می توان جهت تهیه ترکیبات پلی پروپلین با کارکرد بهینه، همچنین آلیاژهای پلی پروپلین یا بسیاری از گرما نرم های مهندسی مختلف به کار گرفت.
جریان پذیری بهتر، دانسیته پایین تر، قالب پذیری و مقاومت شیمیایی بهتر، مقاومت به پیر شدن بهتر، مقاومت به خراش بهتر، شفافیت بالا و ماندگاری رنگ بهتر به علاوه کاهش وزن برای کاربردهای ویژه از مزایای استفاده از این مواد می باشد.
سازگارکننده های مورد استفاده در بازیافت
کاربرد مهم دیگر سازگارکننده ها در بازیافت مواد پلیمری می باشد، استفاده از مواد بازیافتی در فرایند گرما نرم ها معمول است.
اگر مواد ضایعاتی شامل پلیمرهای ناسازگار، مانند آنچه در ساختارهای چند لایه مشاهده می شود، باشد، جزء ناسازگار به سطح خارجی ماده اکسترود شده مهاجرت خواهد نمود.
سازگارکننده ها می توانند از وقوع این پدیده جلوگیری یا میزان آن را کاهش دهند.
همچنین سازگارکننده ها امکان بازیافت تکه های فیلم های چند لایه ای را که حاوی پلیمرهای با اندیس جریان کاملاً متفاوت می باشند، فراهم می آورند.
کاربرد مهم دیگر سازگارکننده ها در بازیافت مواد پلیمری می باشد، استفاده از مواد بازیافتی در فرایند گرما نرم ها معمول است.
همچنین سازگارکننده ها امکان بازیافت تکه های فیلم های چند لایه ای را که حاوی پلیمرهای با اندیس جریان کاملاً متفاوت می باشند، فراهم می آورند.
آمیزه سازی با سازگارکننده ها هنگام انتخاب یک سازگارکننده، آمیزه ساز ابتدا باید آن سازگارکننده ای را انتخاب کند که با پلیمرهای تشکیل دهنده آلیاژ همخوانی داشته باشد، سازگارکننده های واکنشی نیاز به یک گروه متضاد واکنشی دارند و سازگارکننده های غیر واکنشی باید از لحاظ گرانروی یا به طور ایده آل امتزاج پذیری، با یکی از اجزای آلیاژ تطبیق داشته باشند.
آمیزه سازها همچنین باید به محدوده دمایی قابل استفاده برای سازگارکننده و اجزای آلیاژ توجه داشته باشند.
آمیزه سازها باید مراقب هر گونه تاثیرات ناخواسته منفی حاصل از افزودن سازگارکننده نیز باشند.
برای مثال در یک سیستم واکنشی پیوند زنی مالئیک انیدرید (MA) که پراکسید بسیار زیادی دارد، امکان شبکه ای شدن یکی از پلیمرها در حین فرایند وجود خواهد داشت.
در سیستم های حاوی سازگارکننده های غیر واکنشی، آلیاژ سازگار شده باید از لحاظ خواص فیزیکی و خواص بلند مدت نظیر پیر شدن، حداقل به خوبی پلیمر ماتریس به تنهایی باشد.
در سیستم های آلیاژی، آمیزه ساز باید به هر گونه لایه لایه شدن با توزیع ناهمگون ماده رنگزا یا افزودنی توجه داشته باشد.
اگر یکی از پلیمرها در آلیاژ از دیگری آمورف تر باشد ممکن است که نسبت به ماده بلوری تر، ماده رنگزای بیشتری را در برگیرد.
استفاده از سازگارکننده ای که اختلاط مناسب اجزای پلیمری را ممکن می سازد، می تواند توزیع ناهمگون ماده رنگزا را بر طرف سازد.
اختلاط برشی خوب در آلیاژسازی پلیمرها به خصوص هنگام سازگار سازی واکنشی، بسیار مهم می باشد، در برخی موارد میزان مورد نیاز سازگارکننده می تواند با بهبود شرایط اختلاط کاهش یابد.
آلیاژهای با گرانروی بسیار متفاوت نیز نیاز به برش بسیار بالا دارند، اکسترودرهای دو پیچه همسوگرد به طور معمول برای اختلاط برشی به کار گرفته می شوند.
شرکت *** پلیمرهای *** را توسعه داده که بر پایه فناوری جدید SBC می باشند که بسیاری مزایای فرایندی و طراحی را ارائه می دهند.
سازگارکننده های واکنشی پلی الفین های پیوند خورده با مالئیک انیدرید (MA) عموماً به عنوان عوامل اتصال برای سیستم های حاوی پرکننده یا تقویت کننده استفاده می شوند، اما همچنین می توانند به عنوان سازگارکننده های واکنشی برای آلیاژ پلی الفین ها با پلیمرهایی نظیر نایلون و EVOH که با MA واکنش می دهند، به کار گرفته شوند.
PE یا PP پیوند خورده با MA تهیه شده توسط شرکت Crompton امکان تهیه آلیاژهای نایلون – PP را برای کاربردهایی نظیر قطعات سیستم سرمایش ماشین ها می دهند.
خواص مناسب نایلون در دماهای بالا مورد نیاز می باشد، اما PP نیز به عنوان کاهش دهنده جذب رطوبت که باعث تخریب نایلون می گردد، لازم است.
MA-g-PP را همچنین می توان به عنوان لایه میانی (Tie Layer) سازگارکننده در فیلم های بسته بندی چند لایه PP با EVOH که مانع نفوذ اکسیژن است، به کار برد.
سازگارکننده های پیوند خورده با MA در بازیافت فیلم های چند لایه که ممکن است حاوی نایلون و PP باشند، سودمند خواهند بود.
خط محصول Dupont Pusabound محدوده وسیعی از پلیمرهای پیوند خورده با MA را تولید می کند.
سایر سازگارکننده های واکنشی شامل ترپلیمر اتیلن – بوتیل اکریلات – گلیسیدیل متیل اکریلات (E-BA-GMA) مانند PTW Dupont Elvaloy می باشند که می توانند برای سازگار سازی آلیاژهای پلی بوتیلن ترفتالات PA/ PBT, PP (PBT) و پلی اتیلن ترفتالات (PET) پلی الفین به کار روند.
یک کاربرد برای این ترپلیمرها در سیم و کابل های مقاوم حرارتی می باشد.
کوپلیمرهای Kraton PG، کوپلیمرهای بلوکی Kraton G می باشند که با MA پیوند زنی شده اند.
از آنجا که هر مولکول دارای دو جزء است، این کوپلیمرها با محدوده وسیعی از پلیمرها شامل نایلون، PS و پلی الفین ها سازگار می باشند.
این مولکول ها در آلیاژهای حاوی سه پلیمر یا بیشتر نیز کاربری مناسبی خواهند داشت.
پلیمرهای Kraton A را می توان جهت تولید موادی که استحکام، کشسانی، مقاومت حرارتی، نرمی و ظاهر اصلاح شده ای دارند استفاده کرد و استفاده آن ها را در کاربردهای مختلف نظیر فیلم، اسباب بازی، بسته بندی، خودرو، لوازم ورزشی، تجهیزات ساختمانی و محصولات قالب گیری و اکسترود شده تسهیل نمود.
سازگارکننده های غیر واکنشی کوپلیمرهای اتیلن – اتیل اکریلات (EEA) می توانند به عنوان سازگارکننده های غیر واکنشی برای آلیاژ پلیمرها یا افزودنی های قطبی با پلی الفین ها به کار گرفته شوند.
EEA می تواند در خطوط بازیافت حاوی نایلون و PP به عنوان جایگزین ارزان تر برای پلی الفین های پیوند خورده با MA در مواردی که نیاز به مقاومت ضربه بالایی نیست یا حین تولید تحت برش بالا قرار نمی گیرد، به کار گرفته شود.
Amplity EA از شرکت Dow در محدوده وسیعی از اندیس های مذاب موجود می باشد تا با گرانروی اجزا در خط بازیافت همخوانی داشته باشد.
EEA همچنین می تواند جهت امکان پذیر نمودن استفاده از مواد افزودنی به میزان بسیار زیاد در مستریج های PE استفاده گردد.
افزودنی هایی نظیر آنتی آکسیدانت ها، رنگ دهنده ها یا آنتی استاتیک ها بسیار قطبی بوده و در پلی الفین های معمول انحلال پذیری پایینی دارند.
افزودن EEA % 30-5 به مستریچ اغلب امکان افزایش دو برابر ماده افزودنی را به آمیزه ساز خواهد داد در حالی که از مهاجرت نابهنگام جلوگیری می نماید، خط تولید Dupont Elvaloy AC شامل کوپلیمرهای EEA، اتیلن – بوتیل اکریلات (EEA) و اتیلن – متا کریلات (EMA) می باشد که به عنوان سازگارکننده برای گونه های مختلفی از پلیمرهای *** از شرکت Crompton که در سال 2002 از Basell خریداری شد، کوپلیمرهای پلی متیل متاکریلات (PMMA) یا پلی استایرن (PS) پیوند خورده بر روی پلی پروپیلن (PP) میباشند.
PMMA-g-PP می تواند به عنوان سازگارکننده غیر واکنشی برای آلیاژسازی PP غیر قطبی با رزین های مهندسی قطبی نظیر MMA، استایرن – اکریلونیتریل (SAN)، اکریلونیتریل – بوتادین – استایرن (ABS)، اکریلونیتریل - استایرن – اکریلات (ASA)، پی وینیل کلراید (PVC) یا پلی کربنات (PC) به کار رود.
این آلیاژها جهت حصول خواص مشخصی نظیر مشخصات جریان یا جذب رطوبت مورد نیاز استفاده می شوند.
آلیاژهای سازگار شده PP با پلیمرهای مهندسی در کاربردهای خودروسازی در حال رشد هستند.
محرک های این رشد، قیمت پایین تر PP و قابلیت بازیافت PP و آلیاژهای حاوی سازگارکننده می باشند.
PS g PP جهت سازگارسازی آلیاژهای پلی فنیلن اتر (PPS) و PP مورد استفاده قرار می گیرد زیرا PS و PPE از معدود پلیمرهایی هستند که کاملاً امتزاج پذیر می باشند.
PS g PP همچننی می تواند بازده اصلاح ضربه کوپلیمرهای بلوکی استایرنی (SBC) راکه به عنوان اصلاح کننده ضربه PP به وسیله سازگار نمودن PP و SBC به کار می روند، بهبود بخشد.
SBC ها خود به عنوان سازگارکننده استفاده می شوند.
SBC ها می توانند آلیاژ پلی فنیلن اکایرد (PPO) و نایلون را سازگار نموده و باعث چقرمگی آن شوند.
این آلیاژ ترکیبی از خواص بهینه را دارا می باشد: مقاومت حرارتی و ضربه به همراه سفتی و مشخصات سطحی عالی، SBC های مختلف جهت سازگار نمودن آلیاژهای استایرنی و الفین ها استفاده می شوند، پلیمرهای استایرنی شامل رزین ABS, HIPS, PS, K و غیره می باشند.
سازگار کننده های این آلیاژها شامل کوپلیمرهای چند بلوکی استایرن – بوتادین (SB)، استایرن – بوتادین – استایرن (SBC)، استایرن – اتیلن – بوتیلن – استایرن (SBES) و استایرن – ایزوپرن – استایرن (SBS) می باشند، جزء لاستیکی پلی دی ان (بوتادین یا ایزوپرن) سازگار کننده با جزء الفینی آلیاژ پلیمری امتزاج پذیر می باشد.
برخی مواد تنها سه بلوکی هستند (استایرن – دی ان – استایرن) در حالیکه بقیه شامل مقادیر مشخصی از کوپلیمر دو بلوکی می باشند (استایرن – دی ان).
کوپلیمرهای سه بلوکی استحکام را افزایش داده و محدوده دمایی کاربری آلیاژ را وسعت می بخشند.
کوپلیمرهای دارای اجزای دو بلوکی را می توان در کاربردهایی که جریان آسان تر، سختی کمتر و چسبندگی بیشتر مورد نیاز است