Mooney Viscometer

چگونه گریدهای مختلف یک رابر را به کمک پارامتر ویسکوزیته مونی ارزیابی کنیم؟

یک بشقاب ماکارانی را در نظر بگیرید که طول ماکارانی ها به کمک یک تابع توزیع اتفاقی تعیین شده است. این دقیقا تصور درستی از زنجیره های موجود در یک گرید پلیمر است. در واقع پلیمرهای گوناگون از زنجیره هایی با طول های متفاوت تشکیل شده اند. شیمی این زنجیره ها، طول و توزیع آن ها تعیین کننده خواص عملکردی گرید پلیمر مورد نظر است. به صورت خلاصه منومر یا منومرهای مورد استفاده در تولید یک پلیمر در کنار وزن مولکولی و توزیع آن تعیین کننده رفتار و عملکرد یک پلیمر در کاربری مد نظر هستند. در این بخش به صورت اختصاصی می خواهیم روشی برای ارزیابی وزن مولکولی یک رابر را بررسی کنیم.

واقعیت این است که اندازه گیری وزن مولکولی پر هزینه و زمان بر است. به همین دلیل صنایع مختلف روش های جایگزینی را توسعه داده اند که بتوان با هزینه و زمان کم به تخمینی درست از وزن مولکولی رسید. چرا که وزن مولکولی تعیین کننده خواص عملکردی پلیمر انتخابی است و نقشی تعیین کننده در تعیین گرید مناسب دارد. در صنعت رابر از ویسکوزیته مونی (Mooney Viscosity) به عنوان شاخصه تعیین کننده وزن مولکولی استفاده می شود. در واقع از آنجاییکه در بیشتر موارد با افزایش وزن مولکولی ویسکوزیته نیز رو به افزایش می گذارد، بنابراین می توان با اندازه گیری ویسکوزیته در خصوص وزن مولکولی نیز قضاوت کرد. این نکته پایه و اساس روش ویسکوزیته مونی است. بنابراین عدد ویسکوزیته مونی که در دیتاشیت گریدهای مختلف رابری می بینیم به صورت مستقیم به متوسط وزن مولکولی آن مرتبط می شود. هر چند ارتباط خط و ثابتی بین ویسکوزیته و وزن مولکولی وجود ندارد و در برخی حالت های حدی این دو پارامتر وابستگی به یکدیگر ندارند. بعبارت دیگر در حالت کلی هر گریدی که ویسکوزیته مونی بالاتری داشته باشد، خواص مکانیکی مطلوب تری دارد و البته فرایند پذیری سخت تری نیز خواهد داشت.

Mooney Viscometer

اولین بار Melvin Mooney اندازه گیری ویسکوزیته با این روش را معرفی کرد. در این روش رابر مورد نظر در حالت پخت نشده بین دو صفحه که یکی به صورت دیسک چرخان و دیگر به صورت یک استوانه حاوی رابر است، قرار می گیرد و مقاومت رابر قرار داده شده درون دستگاه در برابر چرخش دیسک به صورت گشتاور اندازه گیری می شود. بدیهی است دمای دستگاه، هندسه و ابعاد آن و در نهایت نحوه گزارش ویسکوزیته بر مقدار ویسکوزیته مونی اعلامی تاثیر گذارند. به همین دلیل از روش های استاندارد برای اندازه گیری این پارامتر، مانند ASTM D1646، استفاده می شود. برای اعلام مقدار ویسکوزیته مونی نیز از فرمت استانداردی استفاده می شود، برای مثال عدد ویسکوزیته مونی در شرایط ML(1+4) @ 100 deg C نشان می دهد ویسکوزیته در دمای 100 deg C، چهار دقیقه پس از شروع آزمون با احتساب یک دقیقه پیشگرم شدن اندازه گیری شده است.

pipe elastic

مروری بر ساختارهای لوله های چند لایه پلیمری

در بخش قبلی سعی کردیم با مزایای لوله های چند لایه پلیمری ( لوله های پلیمری چند لایه، گزینه ای اقتصادی برای سیستم های لوله کشی مختلف ) آشنا شویم و مقدمه ای را در این خصوص مطالعه کردیم. در ادامه می توانید با این بخش در خصوص معرفی ساختار این لوله ها و معیارهای انتخاب لایه چسب مناسب همراه باشید.

Pipe Tie Layer

لوله های پلی الفینی چند لایه شامل لایه های زیر هستند:

  • لایه پلی الفین ( PE، PP یا PB): این لایه به منظور ایجاد انعطاف در لوله استفاده می شود و مهمترین مزیت آن قیمت کم و سبکی است.
  • لایه آلومینیوم یا EVOH: این لایه به منظور دستیابی به یک ساختار نفوذ ناپذیر در برابر اکسیژن و همچنین در مورد آلومینیوم به جهت افزایش مقاومت در برابر خزش (Creep) و کاهش میزان آبرفتگی، استفاده می شود.

بر اساس قرار گیری لایه ها، انواع ساختارهای منعطف و غیر منعطف حاصل می شود که هرکدام کاربرد ویژه ای ( مانند سیستم های گرمایش از کف، انتقال آب گرم و سامانه های ذوب یخ و برف معابر) دارند و می توانند به صورت الاستیک یا غیر الاستیک باشند. ساختارهای منعطف الاستیک که در تصویر زیر دیده می شوند، شامل یک لایه پلی الفینی و EVOH است. مزیت ساختارهای پنج لایه حفاظت از لایه EVOH به کمک پلی اتیلن است و در مورد استفاده از PB باعث افزایش مقاومت حرارتی لوله نهایی می شود.

pipe elastic

اما ساختارهای منعطف غیر الاستیک شامل پلی الفین ها و لایه آلومینیومی هستند. مزیت اصلی این ساختارها مقاومت بینظیر آن ها در برابر فشار سیال داخل لوله است. در این ساختارها از انواع خاص پلی اتیلن مانند PE-RT با دمای کاربری بالاتر نیز استفاده می شود.

pipe nonelastic

اما از ساختارهای منعطف که بگذریم به ساختارهای سخت (Rigid) می رسیم. مزیت اصلی این ساختارها انبساط طولی بسیار ناچیز، استحکام مکانیکی بسیار بالا و مناسب برای استفاده در محل هایی است که پایداری ابعادی مهم است. ساختار شماتیک این لوله ها در تصویر زیر دیده می شود. PP های حاوی الیاف شیشه در این ساختارها استفاده فراوانی دارند.

rigid pipe

اما مهمترین نکته در مورد قرار گرفتن صحیح این لایه ها و همانطور که در بخش قبلی اشاره شد، انتخاب چسب مناسب (Tie Layer Adhesive) است. می توانیم بگوییم مهمترین کار مهندس تولید این لوله ها، انتخاب لایه چسب مناسب است و تنها به کمک یک چسب مناسب عملکرد هر یک از لایه ها تضمین خواهد شد. انتخاب چسب مناسب بر اساس معیارهای زیر صورت می گیرد:

  • شرایط کاربری ( دما/ فشار/ نوع سیال)
  • ساختار لوله (منعطف/ صلب)، نوع لایه ها (پلیمر (افزودنی ها)/ آلومینیوم، ضخامت و تعداد لایه ها
  • نوع و شرایط فرایند تولید لوله

پس از تولید لوله، لایه چسب باید بتواند مانند سایر لایه ها، تمامی الزامات کارایی این لوله ها را برآورده کند و پس از آزمون هایی چون بررسی استحکام چسبندگی و آزمون فشار هیدروستاتیک، هیچگونه جدایشی بین لایه ها و چسب رخ ندهد. فراموش نکنیم در صورت ایجاد نقیصه ای حتی در یک اتصال کوچک، عملکرد کل سامانه تاسیساتی زیر سوال خواهد رفت و خسارات جبران ناپذیری را بر جای خواهد گذاشت.

plasticizer

معرفی مکانیسم عملکرد و ساختار شیمیایی نرم کننده های PVC

نرم کننده های PVC یا پلاستی سایزرها جزء لاینفک فرمولاسیون قطعات منعطف و نرم پایه PVC هستند و لینک زیر توضیحات اولیه ای را در خصوص این افزودنی ها در بر دارد. در ادامه با این بخش در خصوص معرفی خانواده های مختلف نرم کننده های مورد استفاده در صنعت PVC همراه باشید.

نرم کننده های PVC با اصلاح نیروها و اصطکاک بین مولکولی در زنجیره های PVC، همچنین به عنوان حلال، باعث حرکت راحت تر زنجیره های پلیمری شده و فرمولاسیون نهایی را نرم تر می کنند. وارد شدن به مکانیسم های شیمیایی تاثیر نرم کننده ها از نقطه نظر صنعتی خیلی حائز اهمیت نیست، فقط باید در نظر داشت که بیشتر نرم کننده ها در مقادیر پایین مصرف ( 10 phr و کمتر)، نه تنها نرمی ایجاد نمی کنند، بلکه با پر کردن فضای خالی بین زنجیره ها باعث سخت و شکننده شدن محصول نیز می شوند. از این نکته فنی که بگذریم به معرفی خانواده های نرم کننده ها می رسیم. بزرگترین عضو این گروه که در بخش نرم کننده های معمولی قرار می گیرد، فتالات ها و استر فتالیک هایی مانند DEHP (DOP) هستند. از جمله دیگر نرم کننده ها می توان به ساختارهای زیر اشاره کرد:

  • DiNCH یا DiNP که سیکلوهگزان های کربوکسیلیک اسید هستند،
  • DOTP که ترفتالات ها هستند،
  • ایزو فتالات ها،
  • TOTM، که استر اسیدها ترملیتیک هستند،
  • DOA و DiNA، که آدیپیت ها هستند،
  • فسفات ها و استر اسید فسفریک ها،
  • سیتریک اسید استرها،
  • بنزوئات ها،
  • سولفونات ها،
  • نرم کننده های پلیمری مانند پلی استر، پلی اتیلن گلایکول ها
  • اسید استرهای اپوکسیده شده ( مانند ESBO)،
  • پارافین های کلره شده

plasticizer

دیگر انواع نرم کننده های فتالاتی شامل DUP، DiUP و DTDP است که وارد شدن به ساختار شیمیایی آن ها لزومی ندارد و تنها کافی است بدانیم با افزایش طول زنجیره فتالاتی، مهاجرت آن ها به سطح کمتر می شود، اما بهای تمام شده محصول بالا می رود.

انتخاب یک نرم کننده مناسب بر اساس پارامترهای زیر صورت می گیرد:

  • قیمت
  • سازگاری با سایر اجزا
  • میزان مهاجرت به سطح قطعه
  • مقاومت در برابر استخراج
  • تاثیر بر میزان و زمان ژل شدن
  • تاثیر بر جریان پذیری فرمول
  • انعطافپذیری در دماهای پایین
  • فراریت
  • دانسیته
  • مقاومت در برابر نور خورشید و هوازدگی
  • بررسی خواص ویژه هر کاربری ( برای مثال در کاربری سیم و کابل تاثیر نرم کننده بر مقاومت الکتریکی بایستی بررسی شود.)

پس از انتخاب نوع مناسب نرم کننده باید از تاثیرات آن بر عملکرد محصول مطمئن شد و باید در نظر داشت که:

  • با افزایش میزان استفاده از نرم کننده استحکام مکانیکی کاهش و ازدیاد طول در پارگی افزایش می یابد،
  • در غلظت ثابت DOP بیشترین افزایش را در ازدیاد طول در پارگی ایجاد می کند،

معمولا بهترین نتایج در غلظت 30-40 phr نرم کننده حاصل می شود. باید در نظر داشت در سال های اخیر فتالات ها، از جمله DOP، به دلیل نگرانی هایی که در خصوص مخاطرات سلامتی این گروه از مواد اولیه وجود دارد، با محدودیت هایی در استفاده روبرو شده اند و چندین کشور اروپایی برنامه هایی برای کاهش میزان مصرف نرم کننده های فتالاتی وضع کرده اند. هر چند فتالات ها از نظر تعادل قیمت/ کارایی بهترین گزینه هستند، اما در برخی کاربردها بایستی به دلیل محدودیت های اعمالی به فکر جایگزین کردن آن ها باشیم. از جمله مهمترین جایگزین های DOP می توان به DOA و TOTM اشاره کرد.

راهکارهایی برای افزایش مقاومت در برابر ضربه پلی آمید

راهکارهایی برای افزایش مقاومت در برابر ضربه پلی آمید

بخش قبلی این نوشتار که لینک آن در زیر دیده می شود، مزایای پلی آمیدها را برشمرد. اما گاهی باید از زاویه ای دیگر، به نقاط منفی پلیمرهای مهندسی نیز نگاهی انداخت. این مقاله مهمترین ایراد وارد بر خانواده پلی آمیدها، یعنی مقاومت به ضربه کم آن ها در مقایسه با دیگر خواص را بررسی خواهد کرد.

پلی آمید – لازمه خودرو های مهندسی و با دوام

از آنجاییکه پلی آمید در گروه پلاستیک های مهندسی قرار می گیرد و تمامی گریدهای آن در تولید قطعات حساس بخش های مختلف صنعتی به مصرف می رسند، مقاومت به ضربه یکی از مهمترین خواص مورد انتظار از پلی آمیدها است. پلی آمید با توجه به ریزساختار کریستالین و همچنین نوع بافت کریستالی خود، در برابر ضربه عملکرد ضعیفی از خود نشان می دهد. وضعیت وقتی نگران کننده تر می شود که بدانیم پلی آمید در گروه پلاستیک های حساس به شکاف (Notched) نیز قرار دارند و چنانچه در زمان تولید یا کاربری شکافی در قطعه ایجاد شود، مقاومت به ضربه آن حتی تا ده برابر نسبت به نمونه بدون شکاف کمتر می شود. اما خوشبختانه در سال های اخیر بر اساس الزامات کاربری، گریدهای پلی آمید مختلفی با مقاومت های ضربه متنوع توسعه داده شده اند و توانسته اند به خوبی از پس معیارهای مهندسی برآیند.

پر بازده ترین روشی که تاکنون برای افزایش مقاومت به ضربه پلی آمید تجاری سازی شده است، آلیاژ کردن آن با الاستومرها است. در واقع الاستومرها با داشتن زنجیره های منعطف در صورتیکه به پلی آمیدها اضافه شوند، مکانیزم هایی را ایجاد می کنند که به کمک آن ها انرژی وارد شده به قطعه در اثر ضربه، می تواند جذب شود و از ایجاد و رشد ترک که مقدمه شکست قطعه است، جلوگیری کنند. آلیاژهای پلی آمید/ الاستومر در گروه آلیاژهای ناسازگار قرار می گیرند و بخش الاستومری به صورت قطراتی در ماتریس پلی آمید قرار می گیرد. پس باید دقت داشت الاستومرهایی که توانایی افزایش مقاومت به ضربه پلی آمید را دارند، از نظر شیمیایی با آن سازگار نیستند و اولین چالش ایجاد سازگاری شیمیایی بین الاستومر و پلی آمید است. دومین چالش انتخاب الاستومر مناسب، و آخرین مورد، تولید آلیاژ به کمک دستگاه های اختلاط پر بازده، به منظور دست یابی به پخش و توزیع یکنواخت که لازمه ایجاد مقاومت به ضربه بالا در پلی آمید است، می باشد.

راهکارهایی برای افزایش مقاومت در برابر ضربه پلی آمید

از جمله مهمترین الاستومرهایی که تا کنون به عنوان بهبود دهنده ضربه در ماتریس پلی آمید قرار گرفته اند، می توان به EPDM، SEBS و نسل جدید الاستومرها، موسوم به POE (Polyolefin Elastomer)، اشاره کرد. اما همانطور که در بالا اشاره شد، هر سه کاندید الاستومری معرفی شده از نظر شیمیایی در گروه پلیمرهای غیر قطبی قرار می گیرند. حال آنکه پلی آمید پلیمری قطبی است و اضافه کردن یک الاستومر غیر قطبی نه تنها منجر به بهبود وضعیت مقاومت به ضربه نمی شود، بلکه خواص مکانیکی پلی آمید را تضعیف نیز می کند. در چنین وضعیتی از سازگارکننده های پلیمری که حاوی گروه های قطبی و غیر قطبی سازگار با هر دو پلیمر هستند، استفاده می شود. سازگارکننده های مناسب برای آلیاژ پلی آمید/ الاستومر، EPDM و SEBS های قطبی شده با مالئیکه (EPDM-g-MA, SEBS-g-MA) هستند.

راهکارهایی برای افزایش مقاومت در برابر ضربه پلی آمید

اگر تا به اینجای کار را بخواهیم جمع بندی کنیم، باید بگوییم ترکیب سه تایی زیر می تواند یک راهکار مهندسی به منظور بر طرف کردن مقاومت به ضربه کم پلی آمیدها باشد:

PA/ EPDM, SEBS, POE/ EPDM-g-MA, SEBS-g-MA, POE-g-MA

در بخش بعدی در ارتباط با این راهکار مهندسی بیشتر صحبت خواهیم کرد.

پلی اتیلن سبک ( LDPE ) متحول کننده بسته بندی های شرینک

پلی اتیلن سبک ( LDPE ) متحول کننده بسته بندی های شرینک

یکی از صنایع اصلی مصرف کننده پلی اتیلن ها، صنعت بسته بندی است و همچنین یکی از اصلی ترین انواع بسته بندی ها، بسته بندی های شرینک (shrink Packaging) هستند. با توجه به خواص برگشت پذیری فوق العاده، بخش اصلی فرمولاسیون فیلم های شرینک پلی اتیلن های سبک (Low Density Polyethylene-LDPE) هستند. در حقیقت با کشف پتانسیل پلی اتیلن های سبک در برگشت پذیری خوب حرارتی و تولید آن ها به صورت کشیده شده (Oriented)، انقلابی در بسته بندی ثانویه کالاهای مختلف رخ داد. فناوری بسته بندی شرینک در برابر بسته بندی های معمولی چون چوب و مقوا قدمت زیادی ندارد، اما در همین مدت کم به دلایل زیر کاربرد گسترده ای پیدا کرده است:

  • حفاظت فیزیکی بسیار خوب از محصول در حمل و نقل
  • حفاظت در برابر آلودگی های محیطی
  • سبک و شفاف بودن
  • استفاده بسیار سریع و آسان

پلی اتیلن سبک ( LDPE ) متحول کننده بسته بندی های شرینک

کارایی بسته بندی های شرینک در گرو انتخاب صحیح فیلم پلی اتیلنی مورد مصرف است. فیلم های پلی اتیلنی مورد مصرف در بسته بندی شرینک، بایستی با استفاده از فرمولاسیون ویژه و در شرایط فرایندی صحیح تولید شده باشند. برای مثال فیلم های تک جهته (Monoaxial) در حین تولید، تنها در راستای تولید کشیده می شوند، اما انواع دو جهته (Biaxial) علاوه بر جهت تولید، در راستای عرضی نیز پس از تولید کشیده می شوند. هر چند فیلم های تک جهته در دو راستای طولی و عرضی برگشت پذیری دارند، امادر مقایسه با فیلم های دو جهته عملکرد برگشت پذیری ضعیفتری دارند. نکته مهم دیگر در انتخاب نوع مناسب فیلم شرینک، خواص مکانیکی و ضخامت فیلم مورد نظر است. این پارامتر ارتباط مستقیمی با وزن و مشخصات کالای مورد بسته بندی دارد. برای مثال ضخامت های بالای 100 µm برای کالا های سنگین، و کمتر از آن برای کاربری های عادی استفاده می شود. در طراحی فیلم شرینک بایستی به نیروی برگشت پذیری نیز توجه شود. این نیرو بر اساس استحکام کالای بسته بندی صورت می گیرد و برای کالاهای سبک و با استحکام کم، میزان نیروی کم لازم است و برای کالاهای سنگین به فرمول های ویژه ای از فیلم های شرینک با نیروی برگشت پذیری بالا نیاز است.

پلی اتیلن سبک ( LDPE ) متحول کننده بسته بندی های شرینک

فناوری بسته بندی شرینک علاوه بر حوزه تولید فیلم و گریدهای پلی اتیلن در خصوص دستگاه های بسته بندی نیز تحول بزرگی ایجاد کرده است. امروزه گستره وسیعی از دستگاه های بسته بندی شرینک برای کالاهای مختلف توسعه داده شده اند. وظیفه اصلی این دستگاه ها برش فیلم ها و اعمال حرارت برای ایجاد برگشت پذیری در فیلم است. در این دستگاه ها به کمک هوای داغ، فیلم پلی اتیلنی تا اندکی بالای دمای ذوب خود ( معمولا در بازه 110-120 °C و دماهای بالاتر می تواند منجر به سوراخ شدگی و پارگی فیلم شوند)، حرارت می بیند و بر اساس میزان کششی که در فرایند تولید خود تحمل کرده برگشت پذیری ایجاد می کند. بر اساس مقدار درصد برگشت پذیری، یا همان درصد شرینک فیلم پلی اتیلنی، و ابعاد کالایی که قرار است بسته بندی شود، ابعاد مناسبی از فیلم بسته بندی مشخص برش داده می شود ( معمولا 10 درصد بزرگتر از ابعاد کالای بسته بندی) و با قرار گرفتن در دستگاه بسته بندی و اعمال حرارت، عملیات شرینک شروع می شود. از طرف دیگر با اولین برخورد فیلم شرینک با کالای درون بسته بندی عملیات شرینک به دلیل ممانعت فضایی متوقف می شود.