SPC PIC

جلوگیری از خوردگی لوله های فولادی به کمک ساختارهای پلی الفینی

فلزات همیشه تحت تاثیر خوردگی هستند و مکانیسم های مختلفی در این خوردگی دخیل هستند. هر چند گونه های خاصی از فلزات نیز هستند که خوردگی در آن ها رخ نمی دهد. اما فلزات عمومی و پرکاربرد که بهای تمام شده در آن ها مهم است و باید ارزان باشند، مستعد خوردگی هستند. به منظور جلوگیری از خوردگی در فلزات راهکارهای پیشگیرانه بسیاری توسعه داده شده است و پلیمرها نقش پر رنگی در این راهکارها دارند. به همین منظور تاکنون روش های مختلفی بر پایه پلیمرها، شامل استفاده از پوشش های پلی یورتان، اپوکسی، پوشش های پایه قیرهای اصلاح شده و سیستم های پوشش چند لایه با پایه پلی الفین، تجاری سازی شده اند. در این بخش قصد داریم آشنایی فنی بیشتری با راهکارهای پلی الفینی مورد استفاده در جلوگیری از خوردگی در لوله های فولادی پیدا کنیم.

SPC PIC

سیستم های SPC (Steel Pipe Coating) شامل سه لایه مختلف هستند که روی لوله های فولادی قرار می گیرند. در ابتدا سطح لوله فولادی از هر گونه زنگ زدگی و آلودگی احتمالی پاک می شود. سپس یک لایه اپوکسی باید روی لوله قرار گیرد و پخت شود. اما اپوکسی نیز به حفاظت نیاز دارد و به همین منظور یک لایه پلی الفینی به عنوان بیرونی ترین لایه به ساختار اضافه می شود. کار به همین سادگی نیز نمی باشد و عدم سازگاری شیمیایی لایه اپوکسی و پلی الفین مهندسین طراح را مجبور کرده است تا یک لایه چسب نیز برای این ساختارها طراحی کنند. بنابراین سیستم پوشش مناسب شامل به ترتیب لایه های اپوکسی، چسب بین لایه ای (Tie Layer) و پلی الفین خواهد بود. Tie Layer مناسب برای این ساختارها از نوع پلی الفین های عامل دار شده با گروه های قطبی چون مالئیک انهیدرید هستند. تمام پیچیدگی فنی و کارایی این سیستم در گرو انتخاب صحیح اپوکسی، لایه چسب و پلی الفین و سازگاری این لایه ها با یکدیگر است. از طرفی در فرایند اعمال هر یک از لایه ها نیز بایستی زمان کافی برای ایجاد چسبندگی لازم میان هر یک از لایه ها در دسترس باشد.

در انتخاب لایه چسب بایستی به نوع پلیمر پایه و درصد مالئیک انهیدرید موجود در ساختار آن دقت شود. همچنین باید در نظر داشت منظور از مالئیک انهیدرید، میزانی از آن است که روی زنجیره های پلیمر پایه به صورت شیمیایی قرار گرفته است (Grafted Maleic Anhydride) و نه اینکه به صورت فیزیکی مخلوط شده باشد یا به صورت مجزا پلیمریزه شده باشد. در خصوص انتخاب لایه پلی الفین نیز بایستی به دمای سرویس دهی سیستم پوشش دقت شود. در صورتیکه دمای سرویس دهی خط لوله کمتر از 90 °C است، پلی اتیلن و در صورتیکه احتمال افزایش این دما تا 110 °C وجود دارد، بایستی پلی پروپیلن انتخاب شود. همچنین بایستی در ذهن داشت انتخاب گرید مورد نظر پلی اتیلن یا پلی پروپیلن نیز مهم است و به سایر الزامات موجود در این کاربری نیز بایستی دقت شود.

Double Bubble

معرفی گریدهای Admer مناسب برای تولید فیلم های چند لایه بسته بندی

برای تولید انواع بسته بندی های چند لایه، مانند انواع پاکت، کیسه، درب پوش و …، به فیلم های پلیمری چند لایه نیاز است. مهمترین مخاطب این بسته بندی ها صنایع غذایی هستند که استفاده از این بسته بندی های چند لایه امکان افزایش زمان ماندگاری و حفظ کیفیت محصولاتشان را ممکن می سازد. اما برای تولید فیلم های چند لایه روش های Film Blowing و Cast Extrusion مورد استفاده قرار می گیرد که هر کدام الزامات خاص خودشان را در انتخاب مواد اولیه دارند. در این بخش می خواهیم با دو گرید Admer تولیدی میتسوئی کمیکال آشنا شویم که برای تولید بسته بندی های چند لایه توسعه داده شده اند و الزامات فنی این کار توسط میتسوئی در آن ها دیده شده است.

Double Bubble

Admer NF498E و Admer NF528E دو محصول میتسوئی برای استفاده در تولید فیلمهای چند لایه هستند. این محصولات از خانواده PE های عاملدار شده با مالئیک انهیدرید هستند که می توانند میان لایه های ناسازگار PE و EVOH یا PA اتصال ایجاد کنند و ساختار چند لایه را ایجاد کنند. نوع پلی اتیلن انتخابی و فرایند اصلاح آن با مالئیک انهیدرید تعیین کننده فرایند پذیری این گریدها و عملکرد آن ها در زمان بسته بندی است. Admer NF498E با MFI= 2.6 g/10min بر پایه LLDPE است و برای تولید انواع Sheet, Tube, Film مناسب است و کاربرد اصلی این گرید تولید فیلم های چند لایه به روش Cast یا Film Blowing است. اما گرید Admer NF528E گرید تخصصی تری با استحکام چسبندگی بسیار بالاتر است. این گرید با MFI=2.5 g/10 min برای استفاده در تولید فیلم های چند لایه Cast و Film Blowing مناسب است و کاربرد تخصصی آن تولید فیلم های پلیمری چند لایه Shrink به روش Double Bubble است. هر دو گرید امکان استفاده در ساختارهای حاوی EVOH یا PA را دارند.

در حین شکل دهی Admer بایستی توجه داشت تنظیم دمای اکسترودر در محدوده 180-230 °C مناسب است و نیازی به خشک کردن پیش از استفاده نیست. همچنین چنانچه توقف اکسترودر بیش از 2 ساعت بود، بایستی عملیات شستشو و Purging انجام شود و Admer درون اکسترودر تخلیه شود.

Multilayer Packaging

نقش حیاتی چسب های بین لایه ای در بسته بندی های چند لایه

در بخش های قبل در خصوص کاربرد Tie Layer ها و نکات مهمی که باید در انتخاب گرید مناسب آن ها در نظر داشته باشیم، صحبت کردیم. در آخرین بخش که لینک آن در ادامه قرار داده شده است، در خصوص خانواده های مختلف چسب های بین لایه ای یا همان Tie Layer ها صحبت کردیم.

در این قسمت در خصوص پارامترهای فنی مربوط به ساختار چسب ها و نکاتی در فرایند تولید بسته بندی های چند لایه صحبت خواهیم کرد که بر عملکرد بسته بندی نهایی تاثیر مستقیم دارد و حتی ممکن است عملکرد کل بسته بندی را زیر سوال ببرد.

پیش فرض این مقاله بر این است که ساختار مناسب برای یک بسته بندی چند لایه به درستی انتخاب شده است. برای مثال انتخاب تعداد و نوع لایه ها و همچنین ضخامت هر لایه به کمک محاسبات مهندسی تعیین شده است. برای این کار در نظر گرفتن خواص مکانیکی مورد نیاز بسته بندی و همچنین الزامات عبورپذیری بسته بندی در برابر گازهای گوناگون و بررسی اتمسفر مورد نیاز برای بسته بندی ضروری است. در مرحله بعد لازم است گرید پلیمر مناسب برای هر یک از لایه ها به درستی انتخاب شود. در این مقاله در خصوص نکات فنی مهم در انتخاب گرید چسب های بین لایه ای مناسب صحبت خواهیم کرد.

Multilayer Packaging

گرید Tie Layer مناسب برای یک ساختار چند لایه که توسط روش های Film Blowing یا Casting تولید می شود، با گرید مناسب برای Blow Molding که در تولید انواع بطری و تیوب به کار می رود، متفاوت است و این مهمترین نکته فرایندی است که روش تولید بسته بندی مورد نظر بر انتخاب گرید مناسب Tie Layer دیکته می کند. این ویژگی به صورت مستقیم تحت تاثیر پلیمر پایه ( انواع پلی اتیلن و پلی پروپیلن بر اساس ساختار بسته بندی چند لایه) چسب بین لایه ای است. پایه پلیمری چسب Tie Layer بایستی سازگاری کافی با لایه هایی که در دو طرف چسب قرار می گیرند نیز داشته باشد و این سازگاری از نقطه نظر رئولوژیکی و شیمیایی مهم است. در بعد شیمیایی چسب های بین لایه ای از یک سو در تماس با لایه های پلی الفینی چون پلی اتیلن و پلی پروپیلن هستند و در طرف دیگر در همسایگی PA، آلومینیوم و EVOH قرار می گیرند. در موارد خاص و ساختارهای ویژه، پلی استایرن (PS) نیز در این ساختارها قرار می گیرد. به همین دلیل در ساختار چسب های بین لایه ای گروه های قطبی لازم برای ایجاد چسبندگی با لایه های PA و EVOH قرار می گیرند. تعداد و توزیع این گروه ها استحکام چسبندگی ایجاد شده در بسته بندی چند لایه را تعیین می کند. اما این رخداد فنی به این سادگی نیز بدست نمی آید و در واقع گروه های قطبی بایستی روی زنجیره های پلیمر پایه قرار بگیرند. گروه های قطبی چون مالئیک انهیدرید به کمک فناوری Grafting روی زنجیره پلیمر پایه ( مانند انواع پلی اتیلن و پلی پروپیلن) قرار می گیرند. این واکنش شیمیایی واکنش های جانبی و فعالی را در پی دارد که منجر می شود مالئیک انهیدریدها به صورت جداگانه واکنش دهند و به زنجیره پلی الفینی نچسبند. همچنین استفاده از عناصر شیمیایی مختلف در فرایند Grafting، تخریب پلی الفین پایه را نیز به دنبال دارد. به همین دلیل است که تولید این چسب های بین لایه ای از نظر فناوری در گروه پلیمرهای با فناوری بالا (High-Tec.) قرار می گیرند و توصیه مراجع علمی به صنعتگران نیز این است که در حین انتخاب گرید چسب بین لایه ای مناسب دقت کافی را در تعیین محتوای مالئیک انهیدرید Graft شده موثر و آزاد به کار گیرند و همچنین خواص پلیمر پایه را نیز به دقت بررسی و صحت سنجی کنند.

ساختار شیمیایی این گروه ها و قابلیت چسبندگی آن ها به لایه های مختلف

نکات مهم انتخاب گرید چسب بین لایه ای (Tie layer adhesive) مناسب

در دو بخش قبلی سعی کردیم به خوبی با فلسفه شکل گیری بسته بندی های چند لایه آشنا شویم و مواد اولیه مصرفی در این ساختارها را شرح دهیم. همانطور که می دانیم لایه حیاتی که اتصال دهنده دیگر لایه های ناسازگار موجود در این ساختارها است، چسب های بین لایه ای، Tie layer adhesive هستند. چسب های بین لایه ای که حاوی گروه های قطبی در زنجیره پلیمری غیر قطبی هستند، در دیگر صنایع نیز کاربرد دارند. اما این بخش چسب بین لایه ای (Tie layer adhesive) مورد مصرف در صنعت بسته بندی را از نظر ساختار و مهمترین ویژگی هایی که بایستی در حین انتخاب آن ها مدنظر قرار گیرد را بررسی می کند. لینک زیر حاوی توضیحات مقدماتی در ارتباط با ساختار بسته بندی های چند لایه است.

تاریخچه پیدایش چسب های بین لایه ای در صنعت بسته بندی به حدود 40 سال پیش بر می گردد. خواستگاه تولید این چسب ها شرکت های معظم و بزرگ آمریکایی چون Lyondellbasell، DOW و Dupont بوده است. اولین و مهمترین معیار انتخاب چسب های بین لایه ای مناسب، ساختار بسته بندی مورد نظر، شامل تعداد و نوع لایه ها و ضخامت هر کدام از آن ها است. همانطور که می دانیم چسب بین لایه ای از زنجیره پلی الفینی و گروه های قطبی تشکیل می شوند. نوع زنجیره پلی الفینی بایستی بر اساس نوع پلی الفین های موجود در ساختار ( برای مثال پلی اتیلن یا پلی پروپیلن) انتخاب شود و گروه های قطبی با توجه به لایه های ناسازگار موجود در بسته بندی چند لایه معین می شود. مهمترین گروه های قطبی مورد استفاده در تولید چسب های بین لایه ای، شامل گروه های زیر است:

  • وینیل استات
  • مالئیک انهیدرید
  • آکریلیک اسید
  • متیل آکریلات

برخی از این گروه ها واکنش شیمیایی با لایه های قطبی مانند PA, EVOH می دهند و چسبندگی بسیار مناسبی ایجاد می کنند. چسب های بین لایه ای حاوی مالئیک انهیدرید از جمله این گروه ها هستند. جدول زیر ساختار شیمیایی این گروه ها و قابلیت چسبندگی آن ها به لایه های مختلف را نشان می دهد.

ساختار شیمیایی این گروه ها و قابلیت چسبندگی آن ها به لایه های مختلف

چسب های بین لایه ای حاوی مالئیک انهیدرید به خوبی با گروه های آمینی و الکلی موجود در PA و EVOH واکنش می دهند و چسبندگی بینظیری را ایجاد می کنند. اما در مورد فیلم های بسته بندی حاوی لایه آلومینیوم بهتر است از چسب های بین لایه ای حاوی دیگر گروه های قطبی مانند آکریلیک اسیدها استفاده شود. جدول زیر چسبندگی لایه های مختلف مورد استفاده در چسب های بین لایه ای را نشان می دهد. در تمامی موقعیت هایی که چسبندگی ضعیف است بایستی از چسب بین لایه ای استفاده شود.

چسبندگی لایه های مختلف مورد استفاده در چسب های بین لایه ای

اما از جمله نکات دیگری که در حین انتخاب گرید مناسب چسب بین لایه ای بایستی به آن ها دقت کرد، می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • فرایند تولید فیلم چند لایه ( دمش فیلم، ریخته گری (Cast film)، لمینیشن و …)، در واقع چسب بین لایه ای مانند سایر لایه ها بایستی فرایند پذیر باشد.
  • شرایط فرایند تولید ( دما، زمان فرایند و …)
  • ویژگی های خاص مورد نظر بسته بندی ( شفافیت و …)

انتخاب یک چسب نامناسب می تواند خسارت های جبران ناپذیری را به بار آورد و تمامی ویژگی های مثبت حاصل از بسته بندی های چند لایه را زیر سوال ببرد.

 

 

چسب های بین لایه ای

چسب های بین لایه ای ، Tie Layer Adhesive ، جزء لاینفک بسته بندی های چند لایه

شاید با کمی تاخیر این مقاله آماده شده باشد، اما مطابق وعده ای که در بخش قبلی این نوشتار داده شد، می خواهیم انواع چسب های Tie layer مورد مصرف در صنعت بسته بندی را معرفی کنیم. می توانید مقدمه این نوشتار را در لینک زیر مطالعه کنید.

چسب بین لایه‌ای در صنعت بسته بندی ( Tielayer adhesive )

این روزها عبارت بسته بندی های چند لایه به کرات به گوش ما می خورد. شاید جالب باشد بدانید که یک بسته بندی چند لایه از ترکیب 3 تا 11 و این روزها تا 15 لایه ی چند میکرونی تشکیل می شوند. هر یک از این لایه ها یک وظیفه به خصوص بر عهده دارند و بر اساس الزامات محصول درون بسته بندی انتخاب می شوند. با توجه به امکان تنظیم عبور دهی بسته بندی در برابر انواع گازها و امکان تنظیم ترکیب گاز درون بسته بندی، اولین بار بسته بندی های چند لایه در بسته بندی مواد غذایی فرآوری شده به کار گرفته شدند و امکان افزایش زمان ماندگاری این محصولات به کمک بسته بندی ها مهیا شد. اما باید گفت نقطه عطف گسترش بسته بندی های چند لایه در سال 1985 میلادی و با ابداع چسب های بین لایه ای رخ داد. در حقیقت بسته بندی های چند لایه حاوی لایه های پلیمری، سلولزی و آلومینیومی هستند که به خودی خود این لایه ها با یکدیگر نامتجانس و ناسازگار هستند و به کمک چسب های Tie layer اتصال آن ها به یکدیگر و ایجاد یک ساختار یکپارچه مهیا می شود. این نوشتار و بخش های بعدی آن انواع چسب های بین لایه ای را توضیح خواهند داد.

چسب های بین لایه ای

در بسته بندی های چند لایه، لایه های مختلفی از جنس پلی اتیلن (PE)، پلی پروپیلن (PP)، پلی استر (PET)، اتیلن وینیل الکل (EVOH)، پلی آمید (PA)، پلی استایرن (PS)، پلی وینیل کلراید (PVC) و پلی وینیلدین کلراید (PVDC)، آلومینیوم، کاغذ و … به کمک چسب های بین لایه ای در کنار یکدیگر قرار می گیرند. هدف از ترکیب این لایه های مختلف، دستیابی به خواص هم افزای آن ها است. برای مثال تنظیم میزان عبور دهی گازهای مختلف بسته بندی مانند بخار آب و اکسیژن، افزایش خواص مکانیکی بسته بندی مانند استحکام مکانیکی، انعطاف، مقاومت در برابر سوراخ شدن و پاره شدن، کاهش هزینه و خواصی از این دست، از جمله مهمترین اهداف تولید بسته بندی های چند لایه است.

چسب های بین لایه ای

مهمترین مشخصه چسب های بین لایه ای قابلیت اتصال لایه های قطبی و غیر قطبی توسط آن ها در ساختار بسته بندی و همچنین امکان شکل دهی آن ها در فرایندهای شکل دهی فیلم و ورق های بسته بندی مانند دمش فیلم (Film Blowing)، ریخته گری فیلم (Casting)، اکستروژن ورق (Sheet Extrusion)، اکستروژن تیوب و بطری (Tube and Bottle Extrusion) است.

در حقیقت چسب های بین لایه ای پلیمرهای غیر قطبی حاوی گروه های قطبی هستند. امروزه گونه های مختلف چسب های بین لایه ای با ساختارهای شیمیایی مختلف توسعه داده شده اند. انتخاب نوع صحیح چسب و گرید مناسب آن با توجه به لایه های موجود در بسته بندی و الزامات فرایند شکل دهی صورت می گیرد. در بخش بعدی این نوشتار با انواع چسب های بین لایه ای و راهنمای انتخاب این چسب ها بیشتر آشنا خواهیم شد.

چسب بین لایه ای

چسب بین لایه ای در صنعت بسته بندی ( Tielayer Adhesive )

یکی از مهمترین نیروی محرکه های پیشرفت در هر صنعتی کشش بازار تقاضا است. با گذشت زمان و از طرفی تغییر سبک زندگی، جوامع انسانی بیش از پیش، به استفاده از کالاهای مدرن و با کیفیت تمایل نشان می دهند. این نکته در مورد سبد غذایی خانوار از دو جهت اهمیت پیدا می کند، از یک طرف امروزه سرپرستان خانواده ها به شدت نسبت به سلامت مواد غذایی خریداری شده حساس شده اند و با بررسی های زیادی خرید می کنند و از طرف دیگر به دلیل توجه به سلامت و تناسب جسمانی، رژیم های غذایی ویژه ای انتخاب می شود و این عادات غذایی به سبد خاصی از محصولات غذایی نیاز دارد و به همین دلیل تنوع گسترده ای در غذاهای تولیدی ایجاد شده است. به دلایل ذکر شده و از طرف دیگر توجه سازمان های ملی و بین المللی به امنیت غذایی، امروزه صنایع غذایی یکی از پیش روترین بخش های صنعتی یک کشور هستند. بخش مهمی از صنعت غذا در تکنولوژی بسته بندی و استفاده از چسب بین لایه ای ( Tielayer ) دراین صنعت است.

چسب بین لایه ای

حفظ ارزش غذایی و بهداشت یک محصول غذایی مستقیما در گرو بسته بندی و حمل و نقل اصولی و بهینه آن است. پلیمرها نیز با داشتن خواص مکانیکی و عبور پذیری قابل تنظیم، در این مسیر آزادی عمل بالایی برای طراحان ایجاد کرده اند. در حالت کلی پلیمرهای مورد استفاده در تولید انواع بسته بندی های صنایع غذایی در گروه های زیر قرار می گیرند:

  • پلیمرهای توده بسته بندی (Bulk Layer) برای کنترل قیمت تمام شده بسته بندی، مانند انواع پلی اتیلن و پلی پروپیلن
  • پلیمرهای سدگر (Barrier Layer) مانند انواع پلی آمید و EVOH
  • پلیمرهای دوخت پذیر (Sealant Layer) مانند انواع پلی اتیلن و پلی پروپیلن های خاص

tie layer

در بسیاری از کاربری های مهندسی سه گروه بالا در کنار یکدیگر قرار گرفته و ساختارهای چند لایه مهندسی را (Multilayer Packaging) ایجاد می کنند. به دلیل عدم سازگاری این گروه ها (قطبی / غیر قطبی)، از چسب های بین لایه (Tielayer Adhesive) برای قرار دادن لایه ها روی یکدیگر استفاده می شود. Tielayer ها سهم کوچکی در ساختار بسته بندی دارند، اما تضمین کننده عملکرد بسته بندی نهایی هستند و انتخاب آن ها با دقت انجام می گیرد.

الزامات فرایند تولید، نوع پلیمرهای استفاده شده در لایه های مختلف و خواص فیزیکی – مکانیکی مورد نظر برای بسته بندی تعیین کننده نوع Tielayer مناسب برای ساختار مورد نظر است. پلیمرهای پایه برای تولید Tielayer ها خانواده PE, PP, EVA و در موارد محدود کوپلیمر Acrylate/ Acid هستند. برای ایجاد خاصیت چسبندگی انواع گروه های مالئیک، اکریلیک، اسید و … در ساختار پلیمر پایه قرار می گیرد. به دلیل فرایندپذیری خوب و تولید مقرون به صرفه Tielayerهای پایه PE کاربرد گسترده ای در صنایع بسته بندی پیدا کرده اند.