افزودنی پلیمرها- نرم کننده ها قسمت دوم

می دانیم که نرم سازها در اصل حلالهای غیر فرار هستند. در نتیجه می بایست از پارامترهای انحلال پذیری نزدیک به پارامترهای انحلال پذیری پلیمر و وزن مولکولی دست کم 300 برخوردار باشند. در صورتی که پلیمر یا نرمساز متمایل به تبلور باشند، طبعا نیاز به برخی برهم کنش های ویژه میان پلیمر و نرم ساز خواهد بود.

از موارد خاص قابل توجه این است که وقتی دو نرمساز با وزن مولکولی و پارامتر انحلال پذیری یکسان، با پلیمر آلیاژ شوند، آمیزه هایی با خواص بسیار متفاوت بدست می آید. تفسیرهای زیادی در این خصوص پیشنهاد شده که رایج ترین آنها فرضیه قطبیت و فرضیه پیوند هیدروژنی است.

در فرضیه قطبیت نرم سازها به عنوان فضاگیر عمل نمی کنند بلکه با مولکولهای پلیمر اتصال برقرار می کنند، گرچه این اتصالات احتمالا موقتی باشند. گفته می شود در این حالت برهم کنش دوقطبی میان یک گروه قطبی از مولکول پلیمر مانند اتم کلری که بخشی از  دو قطبی کربن – کلر را تشکیل می دهد و یک گروه قطبی از نرمساز نظیر یک گروه استر اتفاق می افتد. در جایی که بین نرم ساز و یا تعدادی مولکولهای بیشتری اتصال برقرار شود، شکلی از اتصالات عرضی قطبی اتفاق می افتد.

برخی مولکولها نه تنها حاوی گروههای قطبی اند بلکه شامل گروه های قطبش پذیز مثل حلقه های بنزنی هستند که اتصال قطبی را تقویت می کنند.بنابراین طیفی از نرمسازها با درجات مختلف قطبیت و قطبش پذیری در دست خواهد بود. در اثر همین تفاوت هاست که اثرات متفاوتی از دو نرمساز تری تولیل فسفات و دی اکتیل سباسات در PVC دیده می شود.اولی شدیدا قطبی و بسیار قطبش پذیر بوده و دومی از قطبیت کمتری برخوردار است. اتصال قویتر فسفات بر روی اثر فضاگیری نرمساز تاثیر می گذارد به طوری که آمیزه های حاصل از مدول و سختی بیشتر و در دمای انعطاف سرد بالاتری در مقایسه با آن چه که از اثر فضاگیری تنها انتظار می رود برخوردار می شوند. در مورد PVC هیدروژن برروی کربن چسبیده به کلر ، فعال بوده به طوری که مولکول پلیمر به عنوان یک پروتون دهنده عمل می کند.

برخی از موارد ، بخشی از نرمسازها توسط ارزان کننده جایگزین می شود، این دسته ، موادی هستند که خود نرمساز نبوده ولی استفاده از آنها تا غلظت مشخصی در یک سیستم پلیمر – نرمساز مجاز است. از روغنهای پالایش و واکسهای کلردار به شکل گسترده ای در PVC به همین منظور استفاده می شود که هدف اصلی کاهش هزینه بوده گرچه واکسهای کلردار به عنوان پایدار کننده حرارتی هم عمل می کنند.

دی اکتیل فتالات (DOP) یکی از مهم ترین نرم کننده های پودر پی وی سی است روش تولید این ماده در یک راکتور مجهز به همزن در مجاورت کاتالیزور پاراتولوئن سولفونیک اسید (PSTA) با دو ماده اولیه دو اتیل هگزانول و انیدرید فتالیک تولید می شود و مراحل تولید DOP عبارتند از استریفاکسیون، بازیابی الکل مازاد و صاف کردن محصول . کاربرد در صنایع چرم مصنوعی، کفش، رنگسازی، شیلنگ سازی، اسباب بازی کابل سازی ،گرانول سازی، فیلتر هوا، توپ سازی، نوار دور شیشه و…

ساختار دی اکتیل فتالات (DOP)

02432464407-09

افزودنی پلیمرها- نرم کننده ها- قسمت اول

نرم کننده ها:

عمل آلیاژ کردن نرم سازها با برخی پلیمرها از همان روزهای اول صنعت پلاستیک وقتی الکساندر پارکس ، پارکزین را معرفی کرد انجام می شده است . وقتی اولین مرتبه به کار گرفته شدند، اساسا به عنوان جداکننده مولکولهای پلیمر عمل می کردند.طبعا انرژی کمتر جهت چرخش پیوند مولکولی لازم بود و پلیمرها در دمای پایین تر از دمای تجزیه شان قابلیت جریان داشتند. بعدها دریافتند که نرم سازها دو نقش دیگر هم ایفا می کنند ، کم کردن گرانروی مذاب و تغییر خواص فیزیکی محصول مانند افزایش نرمی و انعطاف پذیری و کاهش دمای انعطاف سرد ( دمایی که زیر آن آمیزه پلیمر انعطاف پذیری خود را از دست می دهد.)

به عبارت دیگر تعریف نرم‌کننده یا پلاستی‌سایزر عبارت است از ماده‌ای که در ترکیب با ماده دیگر (عموماً پلاستیک و یا الاستومر) منجر به افزایش انعطاف می‌شود. حضور نرم‌کننده می‌تواند باعث کاهش دمای انتقال شیشه‌ای، ویسکوزیته مذاب و مدول الاستیک شود.

امروزه از نرمسازها در بسیاری از پلیمرها مانند پلی وینیل استات، پلیمرهای آکریلی ، سلولز استات و مهمترین همه پلی وینیل کلراید PVC)) استفاده می شود. بیشترین بازار مصرف نرم‌کننده در صنایع پلیمری (حدود80درصد) متعلق به صنعت پی‌وی‌سی است. استفاده از مقادیر کم نرم‌کننده در فرمولاسیون پی‌وی‌سی موجب کاهش دمای فرایند و ممانعت از تخریب حرارتی آن می شود. از طرف دیگر این افزودنی به دلیل ایجاد انعطاف پذیری یکی از اجزای اصلی فرمولاسیون پی‌وی‌سی نرم به شمار می‌رود. مقادیر کم کمتر از (15Phr) نرم‌کننده با نفوذ میان زنجیرها و جلوگیری از ارتعاش و حرکت مولکولی خاصیت ضد نرم‌کنندگی مشاهده می‌شود. در این مقادیر نرم‌کننده، افزایش مدول و استحکام کششی و کاهش ازدیاد طول در نقطه شکست و استحکام ضربه مشاهده می‌شود. همچنین در مقادیر بسیار بالای نرم کننده  بیشتر از (90Phr ) تغییرات خواص مکانیکی با تغییر میزان نرم‌کننده بسیار ناچیز است. در غلظت میانی نرم کننده (20-80Phr) ساختار شیمیایی نرم‌کننده نقشی تعین کننده بر سهولت فرایندپذیری پی‌وی‌سی دارد.

02432464407-09

افزودنی های پلیمر- پرکننده ها

پرکننده ها :

لفظ پرکننده ها معمولا به افزودنیهای جامد در یک پلیمر که خواص فیزیکی آن را اصلاح می کند اطلاق می شود.  پرکننده ها دو دسته هستند:

آنهایی که پلیمر را تقویت کرده و باعث بهبود خواص مکانیکی پلیمر می شود.

آنهایی که فقط حجمی از ماده را اشغال کرده تا از پلیمر کمتری در تهیه نمونه استفاده شود.

نوع سومی نیز وجود دارد که کمتر معمول است و آن پرکننده هایی هستند که در زمینه پخش شده تا هدایت الکتریکی نمونه پلیمری را بهبود دهند.

اضافه کردن تقویت کننده به پلیمر باعث تولید ماده مرکب (composite) می شود .مواد مرکب به دو دسته تقسیم می شوند:

مواد مرکب با تقویت کننده هایی با کارایی بالا

مواد مرکب با تقویت کننده هایی با کارایی پایین

در مواد مرکب با کارایی بالا، تقویت کننده به گونه ای در پلیمر جا می گیرد که خواص مکانیکی بهینه شود، مانند اضافه کردن الیاف شیشه به رزین اپوکسی.در مواد مرکب با کارایی بالا تقویت کننده بین 50 تا 80 درصد حجمی ماده را تشکیل می دهد. این مواد به صورت لایه ای یا تیوبی تهیه می شوند.در موادمرکب با کارایی پایین، تقویت کننده به اندازه ای کوچک است که به راحتی بتواند در زمینه پخش شود. روش تولید این مواد مانند پلیمر خالص است. الیاف شیشه خرد شده و یا ویسکر شده، الیاف چوب و غیره مثالهایی از این نوع تقویت کننده هستند .برای چسبندگی بیشتر بین پلیمر و تقویت کننده از عوامل جفت ساز(coupling agents) از قبیل سیلان ها و تیتان ها استفاده می کنند.

پرکننده ها(extender) به منظور کاهش هزینه قطعه به شکل پرکننده ذره ای اضافه به پلیمر می شوند. معمولترین آنها کربنات. معمولترین آنها کربنات کلسیم، پودرسیلیکا، خاک رس و پودر چوب هستند.

تعدادی از انواع پرکننده ها که معمولا در صنعت پلیمر شناخته شده می باشند در نمودار زیر نشان داده شده اند:

02432464407-09

افزودنی پلیمر- قسمت دوم

در حالت کلی افزودنیها می بایست از مشخصات زیر برخوردار باشند مگر آن که به دلیل عملکردشان از چنین نیازهایی منتفی باشند :

باید از عملکرد موثر برخوردار باشند.

باید تحت شرایط فرایند پایدار باشند.

باید تحت شرایط کارکرد پایدار باشند.

نباید مهاجرت به سطح یا روآیی داشته باشند.

باید غیر سمی باشند و طعم و بوی خاصی به مواد ندهند.

نباید به شکل معکوس خواص پلیمر رت تحت تاثیر قرار دهند.

اغلب نیازهای بالا خود گویا می باشند ولی در مورد پدیده مهاجرت به سطح باید قدری بحث کرد. مهاجرت یک افزودنی به داخل ماده مجاور هنگامی اتفاق می افتد که افزودنی در پلیمری که در آن قرار دارد و در مجاورت یک مایع یا جامد می تواند تا اندازه ای انحلال پذیر باشد . چنین پدیده ای باعث رنگی شدن یا آلوده شدن ماده مجاور می شود. وقتی شرایط به وجود آورنده مهاجرت مهیا باشد ، سرعت آن تحت پوشش قوانین نفوذ خواهد بود.

بنابراین به اندازه منافذ در پلیمر و به اندازه مولکولهایذنفوذ کننده و به غلظت این مولکولها در پلیمر بستگی خواهد داشت. تعجب آور نخواهد بود اگر مهاجرت در بالاتر از Tg پلیمرها (و نقطه Tm ، اگر پلیمر بلورین باشد) به مراتب بیشتر از زیر نقطه Tg آنها اتفاق بیفتد. به منظور کاهش این اثر جایگزینی مولکولهای کوچکی که گرایش به مهاجرت دارند با مولکولهای بزرگتر با ساختار مشابه کاملا عملی است.

مهاجرت به سطح یا روآیی یک پدیده جدی است ولی در این مورد هم مسئله انحلال پذیری مطرح است . این پدیده وقتی اتفاق می افتد که یک افزودنی در دمای فرایند در پلیمر به طور کامل حل شده باشد ولی در دمای محیط از انحلال پذیری جزیی برخوردار باشد. در نتیجه مقداری از افزودنی به محض سرد شدن از حالت محلول در آمده و مقداری از آن در روی سطح توده پلیمر جمع می شود.اگر افزودنی در دمای فرایند به شکل جزیی حل شده باشد، ماده باقیمانده هسته هایی را تشکیل می دهد که اطراف آن مولکولهای افزودنی از حالت محلول در آمده و می توانند جمع شوند ، بدین ترتیب افزودنی به مراتب کمتری به روی سطح خواهد آمد. همچنین امکان اینکه افزودنی دیگری در هر دو مورد بالا تشکیل هسته های مناسب دهد نیز وجود دارد. در صورتی که افزودنی به طور کامل در دمای فرایند حل ناپذیر و یا به طور کامل در دمای محیط حل پذیر باشد مهاجرت به سطح یا روآیی اتفاق نخواهد افتاد. خاطر نشان می شود که مسئله انحلال پذیری نباید تنها در خود پلیمر بلکه در کل آمیزه پلیمری به عنوان مثال شامل نرم کننده ها و روان کننده ها در نظر گرفته شود.

02432464407-09

افزودنی پلیمر-قسمت اول

افزودنی پلیمر :

این مواد برای تصحیح خواص فرآورده‌های پلیمری به کار می روند ، خواص پلیمرها را می توان با افزودنی های مناسب به میزان قابل ملاحظه ای تغییر داد. شاید شناخته شده ترین نمونه این مورد در صنعت لاستیک باشد که با تغییر افزودنیها می توان محصولاتی متنوع مانند :تایر ، جعبه باتری ، نوارهای کشسان و پا کن و... تولید کرد . دسترسی به چنین تنوعی در بین مواد پلاستیکی امکات پذیر می باشد.

در مواردی از یک افزودنی مانند برخی ضد اکسنده ها در بسیاری از پلیمرها برای طیف وسیعی از کاربرد نهایی استفاده گردد. در موارد دیگر ممکن است یک افزودنی برای یک پلیمر معین و برای یک کاربرد نهایی خاص در نظر گرفته شود.

تقسیم فیزیکی افزودنی ها به چهار گروه انجام می شود : جامدات ، لاستیکها ، مایعات و گازها . که مورد آخر در ساخت پلیمرهای سلولی استفاده می شود. از نظر عملکرد افزودنیها با گرو ههای بیشتری روبه رو هستیم که در زیر به برخی از مهمترین آنها اشاره می کنیم :

پر کننده ها (Filler)

نرم کننده ها

تاخیر دهنده های اشتعال(Flame Retardant)

پایدار کننده های حرارتی (Stabilizer)

عوامل ضد الکتریسیته ساکن(Antistatic agents)

عوامل پف زا(Blowing agents)

روان سازها

مستربچ (رنگ)

عوامل شبکه ای کننده

افزودنی های ضد مه (or  Defog  Anti fog)

افزودنیهای مقاوم در برابر اشعه ماورابنفش  (Anti UV)

و ......

02432464407-09

دستگاه گرانول ساز

دستگاه گرانول ساز – اکسترودر

 

بیرون رانی مرحله ی آخر بسیاری از خطوط بازیافت پلاستیک است. خارج کننده ها معمولا مواد یکدست را دریافت می کنند. اگر خط بازیافت در مراحل تمیز کردن و خشک کردن درست عمل نکند، خارج کننده نیز درست عمل نخواهد کرد. این مساله معمولا در دیگر مراحل خط بازیافت اتفاق می افتد. یک دستگاه اکسترودر باید این ویژگیها را در تمام مراحل داشته باشد:

یک وسیله ی تخلیه ی خوب با یک پمپ خلاء قوی جهت افزایش تاثیر گازگیری، اگر تخلیه کننده دو تا باشد نتیجه بهتر است. یک تعویض کننده ی صفحه ی قوی و بزرگ زیرا گاهی، اگر مواد خوب شسته نشده باشد، و این اتفاق خواهد افتاد، و به هر حال باید محصول گرفته شود، یک تعویض کننده ی صفحه ی بزرگ بسیار کمک خواهد کرد.

اکسترودر های تک پیچه مورد استفاده ترین هستند. اکسترودر تک پیچه فقط یک پمپ است. خارج کننده های تک پیچه از لحاظ اجرا آسان ترند و به سختی دچار نقص می شوند و از انواع دیگر هم ارزان ترند. در خارج کننده های تک پیچه فراوری در سطح بالایی است و هزینه ی نگهداری پایین است.

گازهای پر خطر و شیمیایی موجود در مواد مورد استفاده از طریق جذب در سیستم خلاء از بین می روند و گاز ایجاد شده پس از این مرحله در تطابق با استانداردهای اروپایی و مد نظر قرار دادن بهداشت انسانها از هر نوع عنصر خطرناکی پاک می شود. بسته به ماده ای که مورد استفاده قرار می گیرد دستگاه خارج کننده با ظرفیتی حدود kg1200-100 در ساعت عمل می کند.

02432464407-09

انواع خطوط تولید گرانول

روش اول: خطوط تولید گرانول رشته ای

تولید گرانول رشته ای که ساخت ماشین آلات آن ساده تر بوده و معمولا در ایران مورد استفاده قرار می گیرد روشی است که در آن پلاستیک پس از ذوب شدن در دستگاه اکسترودر و عبور از صافی های فلزی بشکل رشته هایی از پلاستیک مذاب در آمده و پس از عبور از یک استخر آب به داخل یک دستگاه آسیاب کوچک هدایت می شوند و پس از تکه تکه شدن خشک می شوند.

این روش ساده بوده اما گرانول های تولید شده با آن شباهتی به گرانول های مواد اولیه نو ندارد و دارای گوشه های تیز و خرده های پلاستیک هست. خود خط نیز ثبات نداشته و رشته ها مدام قطع می شود و نیاز به اپراتور تمام وقت دارد.

روش دوم: خطوط تولید گرانول خشک

 در این روش پلاستیک های خرد شده پس از ذوب شدن در اکسترودر و عبور از صافی از سوراخهای ریزی خارج می شود و به همان شکل مذاب بوسیله ی تیغه ای که با سرعت زیاد برش می خورد. و همزمان بوسیله ی یک مکنده مکیده شده و با عبور از مسیرهای لوله ای سرد و خشک می شود. سپس با ورود به مخزن بزرگتری دچار افت فشارشده و بر اثر این افت فشار گرانولها که سنگین ترند به پایین مخزن سقوط کرده و هوا از بالای آن خارج می شود.

ساخت ماشین آلات آن نیاز به دقت بالاتری داشته و باید ازکنترلهای دور در قسمتهای مختلف آن استفاده کرد در کل قیمت خط بالاتر بوده اما گرانولهای تولید شده بسیار شبیه به گرانولهای خریداری شده از پتروشیمی بوده و خود خط تولید نیز در زمان کار کاملا دارای ثبات می باشد.

02432464407-09

تولید گرانول

تولید گرانول

گرانولهای پلاستیک گلوله های کوچکی از پلاستیک هستند که داخل دستگاههای مختلف شکل دهی پلاستیک ریخته شده و به انواع مختلف قطعات تبدیل می شوند.

سیستم ماشینهای شکل دهی به پلاستیک (شامل انواع خطوط اکستروژن و تزریق و ...) بگونه ای ساخته شده اند که بهتر است مواد اولیه ورودی آنها بشکل ساچمه های کوچک پلاستیکی باشد.

مواد پلاستیکی بازیافتی که آسیاب شده اند و دارای شکلهای ورقه ای یا گوشه های تیز هستند نمی توانند براحتی در قیف های ورودی این دستگاه ها مورد استفاده قرار بگیرند و البته زمان میکس شدن هم بدلیل عدم یکنواختی اندازه آنها با مواد دیگر همیشه یک ترکیب غیر یکنواخت دارند.

لذا مصرف کنندگان این مواد ترجیح میدهند مواد خریداری شده آنها مثل مواد اولیه نو بصورت گرانول یا همان ساچمه های کوچک پلاستیکی باشد که این کار بوسیله خطی به اسم خط تولید گرانول انجام می شود.

02432464407-09

گرانول-قسمت سوم

تهیه یک گرانول یکدست وبا کیفیت که باعث افت کیفیت محصول نگردد ومشکلات فرایندی وکیفی برای مصرف کننده به همراه نداشته باشد همواره از مهمترین نگرانی های فعالان صنعت بازیافت است .

سیستم ماشین‌های شکل دهی به پلاستیک (شامل انواع خطوط اکستروژن و تزریق و ...) بگونه ای ساخته شده اند که بهتر است مواد اولیه ورودی آنها بشکل ساچمه‌های کوچک پلاستیکی باشد.

مواد پلاستیکی بازیافتی که آسیاب شده اند و دارای شکل‌های ورقه ای یا گوشه های تیز هستند نمیتوانند براحتی در قیفهای ورودی این دستگاه ها مورد استفاده قرار بگیرن و البته زمان میکس شدن هم بدلیل عدم یکنواختی اندازه آنها با مواد دیگر همیشه یک ترکیب غیر یکنواخت دارند.

لذا مصرف کنندگان این مواد ترجیح می‌دهند مواد خریداری شده آنها مثل مواد اولیه نو بصورت گرانول یا همان ساچمه های کوچک پلاستیکی باشد که این کار بوسیله خطی به اسم خط تولید گرانول انجام می‌شود.

02432464407-09

گرانول-قسمت دوم

گرانول اسم پلیمر خاصی نیست. به نوعی از شکل پلیمر بدست آمده در پتروشیمی که بصورت دانه بوده و برای مصارف و کاربردها باید ذوب و شکل دهی شود گرانول می گویند.

در واقع وقتی پلیمر تولید می شود در دستگاه اکسترودر (چیزی شبیه چرخ گوشت) ذوب شده و در سر اکسترودر یک کاتر یا هر چیزی شبیه آن پلیمر خروجی را مرتباً قطع می کند و گرانول تولید می شود. همه مواد پلیمری بسته به کاربرد و میزان ویسکوزیته و عوامل دیگر مثل نوع پلیمریزاسیون و... میتوانند تبدیل به گرانول شوند. ولی اگر شرایط پلیمریزاسیون و عوامل دیگر پیچیده باشد پلیمر بصورت پودر یا محلول یا ... تولید می شود.

هدف اصلی در تولید یک پلیمر بدست آوردن یک ماده با خواص مطلوب است و به دست آوردن این خواص و کنترل آن در حین فرآیند شدن پلیمر بستگی به عوامل زیادی از جمله دما، فشار، کاتالیزور و.... دارد و پلیمری که بار اول ذوب و شکل دهی شده مطمئناً خواص بهتری نسبت به پلیمرهای بازیافتی چند بار ذوب شده دارد. بعضی از پلیمرها پس از چند بار ذوب و شکل دهی باز خواص خود رو حفظ می کنند. ولی بعضی از آنها مثل PVC پلی وینیل کلراید که مصرف زیادی در پروفیل در و پنجره، سفره و انواع ورق ها، کابل ها، لوازم خانگی و... دارند پس از بازیافت خواص خود را از دست می دهند. با استفاده از گرانول تولیدی، اقدام به تولید کفپوش دانه لاستیکی می نمایند. 

یکی از رو به گسترش ترین و مهمترین بخش های صنعت پلاستیک، بخش بازیافت ضایعات پلاستیک به گرانول های قابل استفاده مجدد برای سایر تولید کنندگان می باشد، چرا که مواد اولیه این صنعت لاستیک های فرسوده و دپو شده در مناطق کشور بوده که به فراوانی در ایران یافت می شوند و سالیانه چندین هزار تن به حجم آنها اضافه می گردد. همچنین محصول تولید شده این ماشین آلات، پودر لاستیک و گرانول لاستیک استاندارد، ماده اولیه صنایع بسیاری مانند تولید انواع کف پوش ها، انواع تقویت کننده ها و جایگزین در رنگ ها، آسفالت، بتن، همچنین به عنوان سوخت اصلی کوره، ماده اولیه لاستیک سازی و ... می باشد و کاربرد بسیار در داخل و خارج از کشور دارد.

02432464407-09