PSU Application

تولید قطعاتی با پایداری حرارتی بسیار بالا به کمک پلی سولفون ها (PPSU)

ترموپلاستیکی بی نظم (آمورف)، مقاوم در برابر حرارت، شفاف، مقاومت بسیار بسیار بالا در برابر هیدرولیز، پایداری شیمیایی در انواع محیط های اسیدی و بازی همگی ویژگی های پلی فنیل سولفون است. پلی فنیل سولفون که با نام های اختصاری PPSU و PPSF نیز دیده می شود، حاصل جایگزینی Nucleophilic aromatic بین Difuorodiphenyl Sulfone و نمک سدیم Dyhydroxybyphenyl، با حذف سدیم فلوراید است. از این مراحل پیچیده تولید که بگذریم، خواص و کاربردهای این سوپرپلاستیک مهندسی قابل توجه است. در این بخش سعی می کنیم با خانواده PPSU بیشتر آشنا شویم.

به عنوان مقدمه در نظر داشته باشیم که سه ترموپلاستیک سوپر مهندسی PSU، PES و PPSU ساختار و خواص مشابه یکدیگر دارند و روش تولید این سه محصول نیز به یکدیگر نزدیک است. پلی سولفون با نام اختصاری PSU یا PSF، شفاف و آمورف است. از نظر خواص فیزیکی – مکانیکی PSU با پلی کربنات قابل مقایسه و خواصی برتر دارد. این ترموپلاستیک مهندسی بهترین گزینه برای تولید قطعاتی است که در برابر بخار و آب داغ قرار می گیرند. از جمله مهمترین کاربرهای PSU می توان به قطعات داخلی دستگاه های قهوه ساز، تجهیزات پزشکی، تاسیسات آب گرم و پمپاژ، ممبران ها و فیلترهای آب داغ و … اشاره کرد. مهمترین نقطه ضعف PSU پایداری کم آن در برابر اشعه UV و برخی حلال های قطبی مانند بنزن و تولوئن است. دومین عضو این خانواده PES، یا پلی اتر سولفون است که مشابه PSU آمورف، شفاف با رنگ متمایل به کهربایی و مقاوم در برابر حرارت است. PES کاربردهایی شبیه به PSU دارد، با این تفاوت که مقاومت سایشی بالاتری دارد و برای تولید قطعاتی همچون کارتریج پرینترها به کار می رود. ساختار PSU و PES در تصاویر زیر دیده می شود.

PSU

اما به سومین عضو این خانواده، یعنی PPSU می رسیم. PPSU با داشتن واحدهای فنیلن اتر مقاومت به ضربه بالاتر از PSU و PES دارد و همچنین حساسیت آن به شکاف و ترک نیز بالا است. PPSU از نقطه نظر خواص مکانیکی همچون چقرمگی و استحکام بالاتری نسبت به PSU و PES دارد، اما گرانتر نیز هست و بنابراین کمتر مورد استفاده قرار می گیرد.

PSU Application

گریدهای خاصی از خانواده پلی سولفون ها قابلیت استفاده در کاربردهای پزشکی و غذایی را دارند و توانایی برآورده کردن الزامات این صنعت را دارند. از جمله دیگر کاربردهای این ترموپلاستیک ها می توان به صنعت خودروسازی ( تولید کاسه چراغ، بدنه فیوزها و …)، ظروف آشپرخانه، قطعات پمپ و اتصالات ( مانند Impeller پمپ)، الیاف و بدنه فیلترها و … اشاره کرد.

گریدهای مختلف پلی سولفون ها برای انواع فرایندهای شکل دهی تزریق و اکستروژن مناسب هستند. اما در انتخاب گرید مناسب بایستی دقت کرد و همچنین شرایط اولیه شکل دهی را نیز در نظر گرفت. برای مثال تمامی گریدها به خشک کردن پیش از شکل دهی، به منظور کاهش درصد رطوبت نیاز دارند. این کار برای چهار ساعت در دماهای 130-150 °c انجام می شود و دماهای دستگاه شکل دهی را بایستی در محدوده 340 – 390 °C قرار داد.

PVC Static Test

ارزیابی کمی پایداری حرارتی کامپاندهای PVC

موفق شدیم در آخرین بخش که لینک آن در ادامه قرار داده شده است، در ارتباط با خانواده های مختلف افزودنی های استابلایزر مورد استفاده در افزایش پایداری حرارتی PVC، صحبت کنیم. با توجه به مقالات قبلی، ما می توانیم نوع مناسب پایدارکننده حرارتی یا همان استابلایزر را انتخاب کنیم. باید در نظر داشته باشیم در هر خانواده چندین گرید تجاری توسط شرکت های مختلف عرضه می شوند و مهندسین طراح فرمولاسیون باید بتوانند در مرحله اول گرید مناسب را انتخاب و سپس غلظت بهینه ای از آن را جهت استفاده در کامپاند محصول مورد نظرشان قرار دهند. در این بخش و قسمت بعدی آن در خصوص روش های ارزیابی کارایی پایداری حرارتی استابلایزرها بحث خواهیم کرد.

پایدارکننده های حرارتی ( استابلایزر) PVC، خانواده ای وسیع و متنوع بخش دوم

تا کنون دو روش مهم جهت کمی سازی توان استابلایزرها در افزایش مقاومت حرارتی PVC توسعه داده شده است. روش اول به تست دینامیک و روش دوم استاتیک تست نام دارد. هر روش را با جزئیات بیشتری بررسی خواهیم کرد، اما در همین ابتدا لازم است بدانیم هیچکدام از این تست ها برتری نسبت به دیگری نداشته و تنها باید دقت کرد چنانچه تنها نمونه مورد نظر ما تحت دما قرار دارد، از تست استاتیک و چنانچه علاوه بر دما، نمونه در معرض تنش های مکانیکی – حرارتی نیز قرار دارد، از تست دینامیک استفاده شود. این بخش را با معرفی تست استاتیک همراه خواهیم بود.

در آزمون ارزیابی پایداری حرارتی استاتیک نمونه تولید شده با استفاده از کامپاندی که کاملا منطبق بر فرمولاسیون نهایی قطعه مورد نظر است و حاوی غلظت کافی از استابلایزر است، در معرض دمای ثابت قرار می گیرد و تغییر یکی از دو شاخص زیر مورد ارزیابی قرار می گیرد:

  • تغییر رنگ نمونه ( تست آون)
  • اندازه گیری زمان آزاد شدن هیدروکلریک اسید

نمونه ای که مورد آزمون قرار می گیرد، می تواند به کمک هر یک از روش هایی که در مقاله بازدهی فرمول یک محصول پایه PVC را چگونه ارزیابی کنیم؟ معرفی شدند، تولید شود. اما باید در نظر داشت همه نمونه ها تحت شرایط ثابتی تهیه شوند.

PVC Static Test

در روش آون یا همان بررسی تغییر رنگ نمونه، باریکه هایی از فیلم های تهیه شده از نمونه مورد نظر در دمای ثابتی ( معمولا دمای 170-200 °C) درون آون قرار می گیرند و در زمان های مختلف (برای مثال هر ده دقیقه یک بار) نمونه برداری صورت می گیرد و تغییر رنگ نمونه ها نسبت به یکدیگر ارزیابی می شود. با توجه به اینکه امکان اندازه گیری تغییر رنگ به صورت کمی نیز مهیا ( برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید به روش های ارزیابی کیفیت و ثبات رنگ قطعات تولید شده با PVC) است، بنابراین این روش اطلاعات کاملا کمی را حاصل می کند. این روش بیشتر در کاربری های PVC نرم مورد استفاده قرار می گیرد.

اما در روش تعیین زمان آزاد شدن هیدروکلریک اسید، به تجهیزات پیشرفته تری نیاز داریم. در این روش نمونه حرارت داده می شود و جریان هوا، نیتروژن یا آرگون در محفظه ای که نمونه در آن قرار دارد، وجود دارد. گاز خروجی از محفظه نمونه وارد آب بدون یون می شود و PH این آب مرتبا اندازه گیری می شود. به محض شروع تولید گاز هیدروکلریک اسید PH آب کاهش می یابد. مدت زمانی که طول می کشد اولین کاهش در PH آب رویت شود، همان زمان پایداری استاتیک نمونه PVC مورد آزمون است. این روش بنام دی هیدروکلرینیشن (Dehydrochlorination) نیز شناخته می شود و معمولا برای فرمولاسیون های PVC سخت و کدر، مانند لوله و پروفیل درب و پنجره مورد استفاده قرار می گیرد.

Soft PVC

پلاستیسایزر ها، جزء لاینفک فرمولاسیون محصولات PVC

PVC از نظر سازگاری شیمیایی به اجزای قطبی و غیر قطبی تمایل نشان می دهد. همین نکته سبب شده است با طیف گسترده ای از روغن ها و نرم کننده ها سازگار باشد و امکان تولید قطعات نرم بر پایه این پلاستیک محبوب مهیا باشد. در واقع نرم کننده که ترجمه شده واژه Plasticiser است و در بازارهای سنتی آن را پلاستیسایزر نیز می نویسند، بخش جدا نشدنی فرمولاسیون محصولات PVC نرم است. به کمک نرم کننده ها می توان PVC با سختی 20 Shore A و بالاتر را تولید کرد. تا کنون نسل های مختلفی از نرم کننده ها تجاری سازی شده اند. در این بخش تصمیم داریم با دنیای جدید نرم کننده ها آشنا شویم.

Soft PVC

فعالین با تجربه صنعت کامپاندینگ PVC استفاده از گازوئیل را بعنوان نرم کننده محصولات PVC بخاطر دارند. از این استفاده های نابجا که بگذریم، می توان گفت فتالات ها اولین گروه شیمیایی هستند که در مقام پلاستیسایزر در دستگاه های اختلاط PVC قرار گرفتند. در ادامه به منظور کنترل نرخ مهاجرت نرم کننده به سطح و مهندسی سازی خواص مختلف، فتالات هایی با وزن مولکولی مختلف به بازار عرضه شد. DOP (Dioctyl Phthalate) معروفترین عضو خانواده نرم کننده های فتالاتی است. به منظور آشنایی بیشتر با نرم کننده ها می توانید به لینک زیر رجوع کنید:

Medical PVC

زمان زیادی طول نکشید تا مشخص شد که استفاده از فتالات ها مخاطرات سلامتی و زیست محیطی دارد. به همین منظور خیلی زود استفاده از نرم کننده هایی چون BBP (Benzyl Butyl Phthalate)، DBP (Dibutyl Phthalate، DEHP (Diethyl Hexyl Phthalate) و DOP در برخی کشورها با محدودیت هایی برای صنایعی چون محصولات غذایی و بهداشتی روبرو شد. باید در نظر داشت هزینه معقول و عملکرد نرم کنندگی بسیار عالی این خانواده باعث شده است حذف آن ها به سرعت عملی نباشد. همچنین در برخی کاربردها محدوده مجاز حضور فتالات ها امکان استفاده از این نرم کننده ها مهیا می کند. فتالات های با وزن مولکولی بالاتر مانند DOTP (Dioctyl Terephthalate)، دامنه کاربرد وسیع تری دارند و به دلیل وزن مولکولی بالاتر مخاطرات کمتری را متوجه کاربری نهایی می کنند. تلاش هایی نیز به منظور تجاری سازی روغن های نرم کننده سازگار با PVC از منابع تجدید پذیر در حال انجام است. به عنوان جمع بندی می توان گفت روند توسعه پلاستیسایزرها به سمت وزن مولکولی های بالاتر و کم خطر برای سلامتی انسان ها، و البته استفاده از منابع تجدید پذیر به منظور توجه به توسعه پایدار صنایع است.

Oil viscosity improver

کدامیک از پلیمرها به عنوان اصلاح کننده ویسکوزیته روغن ها به کار می روند؟

فناوری تولید خودروهای سواری و تجاری در بخش های مختلف کابین و قوای محرکه آنقدر پیشرفت کرده است که در سال های اخیر و پس از معرفی خودروهای الکتریکی و خودران، شاهد تغییر بزرگی در این زمینه نبوده ایم. اما پیشرفت های کوچک و از جنس بهبودهای مستمر عملکردی همچنان در جریان است. برای مثال در بخش قوای محرکه مهندسین طراح در هر سال نسل های بهینه موتورها را عرضه می کنند و تمام بخش های یک موتور را به روز رسانی می کنند. روغن موتورها بخش جدایی ناپذیر موتورهای بنزینی و دیزلی هستند که امروزه تنها یک روغن ساده نیستند. هر یک از روغن موتورهای امروزی از یک یا حتی چند روغن پایه تشکیل می شوند و بر اساس نوع موتور و نسل آن، مجموعه ای از افزودنی ها به آن اضافه می شود. در بخش قبلی این نوشتار که لینک آن در ادامه قرار داده شده است با گروه اول افزودنی های روغن موتور (اصلاح کننده ویسکوزیته – Viscosity Modifier)، آشنا شدیم و دو گروه مهم این خانواده را که EPDM و پلیمرهای اکریلیک مانند PAMA بودند را معرفی کردیم. در این بخش با دو پلیمر دیگر که به عنوان اصلاح کننده ویسکوزیته به کار می روند آشنا خواهیم شد و معیارهای مهم انتخاب یک اصلاح کننده ویسکوزیته مناسب را معرفی می کنیم.

کوپلیمرهای استایرنی: کوپلیمرهای استایرن با بوتادی ان یا ایزوپرن، گروهی از اصلاح کننده های ویسکوزیته هستند. این کوپلیمرها به منظور افزایش حلالیت در روغن به صورت کامل هیدروژنه می شوند و پیوندهای آن ها اشباع می شود و همچنین این گروه حاوی درصد کمی از استایرن به منظور افزایش مقاومت حرارتی هستند. از طرفی به منظور جلوگیری از کریستال شدن آن ها در دماهای پایین و به دنبال آن افزایش ویسکوزیته روغن، با ساختارهای شاخه ای و ستاره ای تولید می شوند.

پلی ایزوبوتن ها: پلی ایزوبوتن

Oil viscosity improver

یا PIB، شامل درصد بالایی منومر ایزوبوتیلن است و به صورت گسترده در تولید روغن کمپرسورها، جعبه دنده و گریس ها به عنوان اصلاح کننده ویسکوزیته ( از نوع غلظت دهنده) به کار می رود. امروزه گستره کاربرد PIB ها به دلیل مقاومت کم آن ها در برابر اکسیداسیون محدود است.

به منظور ایجاد خواص هم افزا، استفاده از مخلوط اصلاح کننده های ویسکوزیته رایج شده است. برای مثال به دلیل سازگاری شیمیایی بالا، آلیاژهای کوپلیمرهای اتیلنی و اکریلیکی با یکدیگر استفاده می شوند. چنین مخلوطی به صورت همزمان خواص مختلف روغن پایه شامل ویسکوزیته، پایداری حرارتی و تنشی را در گستره وسیعی از دماها بهبود می دهد. علاوه بر این نکته امروزه اصلاح کننده های ویسکوزیته، تنها به منظور بهبود جریان پذیری روغن در دماهای مختلف به کار نمی روند. در واقع به لطف پیشرفت فناوری های تولید اصلاح کننده هایی چون انواع کوپلیمرهای اتیلنی و اکریلیکی با ریزساختارهای مختلف، گریدهای ویژه ای تولید می شوند که می توانند به عنوان کاهش دهنده حداقل دمای جریان پذیری روغن عمل کنند. در واقع با اضافه شدن این خانواده، روغن می تواند در دماهای بسیار کم نیز جریان پذیر باشد. نام این خانواده PPD (Pour Point Depressant) است و با ساختارهای شاخه ای خود مانع از ایجاد بلورهای روغن در دماهای پایین و به دنبال آن عدم جریان پذیری روغن می شوند. همچنین گونه های خاص اصلاح کننده ویسکوزیته قادر به کاهش ضریب اصطکاک بین اجزای موتور هستند و همچنین در جلوگیری از ایجاد آلودگی ها و چسبیدن آن ها به بدنه موتور موثر هستند. در واقع اصلاح کننده های ویسکوزیته امروزی افزودنی های چند کاره و با استعداد صنعت روانکاری هستند.

PPA-Plastic

رقابت سوپر ترموپلاستیک های مهندسی برای کسب مقام نخست در پایداری حرارتی

در بخش قبلی (پلاستیک هایی با دمای کاربری بالاتر از 200 °C ، سوپر ترمو پلاستیک های مهندسی) با مقدمه ای در خصوص پلاستیک هایی با مقاومت حرارتی بسیار بالاتر از پلاستیک های مهندسی عادی آشنا شدیم. در این قسمت نیز در خصوص مهمترین پارامتر عملکردی و انتخاب این سوپر پلاستیک های مهندسی، یعنی دمای سرویس دهی، صحبت خواهیم کرد و در بخش های بعدی با معرفی اختصاصی هر خانواده مانند PPA، PA، PSU و … همراه خواهیم شد.

تا همین ده سال پیش وقتی صحبت از پایداری حرارتی در دمای بالا می شد و به پلاستیکی نیاز بود که در دماهای بالاتر از 160 °C سرویس دهی کند، تنها پلی فتال آمید (Polyphthalamide – PPA) و گونه های خاصی از پلی آمید، مانند PA12, PA46، در لیست گزینه های ما قرار داشتند. اما امروزه گزینه های بسیار بیشتری همچون پلی اتر اتر کتون (PEEK)، پلی سولفون (PSU)، پلی فنیلن سولفید (PPSU)، پلی آریلات کتون (Polyaryletherketone)، پلی استر و حتی سوپر پلاستیک های مهندسی اتصال عرضی شده نیز در دسترس هستند و توسط شرکت های معتبر تجاری سازی شده اند. مهمترین محل های کاربرد این سوپر پلاستیک های مهندسی شامل لیست زیر است:

  • ترمینال ها، کانکتورها و سوکت های صنعت برق و الکترونیک که در دمای بالای 100 °C سرویس دهی می کنند.
  • هوزینگ سنسورهای خودرو که در معرض دماهای بالا قرار دارند، مانند سنسورهای سیستم اگزوز
  • هوزینگ و پیستون پمپ ها
  • پولی های صنعتی و خودرو (Pulley)
  • قطعات و کانکتورهای سیستم های سرمایشی – گرمایشی

PPA-Plastic

بایستی اعتراف کرد همچنان PPA بالاترین دمای انتقال شیشه ای را در بین سوپر پلاستیک های مهندسی و در حدود 165 °C دارد و دمای سرویس دهی آن 140 – 200 °C است. باید در نظر داشت که گریدهای تقویت شده با 30-50% الیاف شیشه/ کربن PPA نیز در دسترس هستند و استحکام مکانیکی قابل مقایسه با فولاد ( استحکام مکانیکی بالاتر از 200 MPa) را دارند. PPA با داشتن مقاومت الکتریکی و دی الکتریک بالا و قابلیت جوش پذیری با لیزر، در صنعت برق و الکترونیک نیز گزینه محبوب و پر کاربردی است. تمامی گریدهای PPA امکان عرضه به صورت مقاوم در برابر شعله و با رنگ های مختلف را دارند.

اما از PPA که بگذریم، چنانچه حداکثر دمای کاربری را در محدوده 180 °C قرار دهیم، خانواده سولفون ها شامل پلی سولفون و اتر سولفون ها بین گزینه های مهندسی قرار می گیرند. سولفون ها خواص سطحی فوق العاده در کنار مقاومت سایشی مثال زدنی را برای کاربری های قطعات متحرک جعبه دنده ها فراهم می کنند. سولفون هایی چون PSU و PPSU با مقاومت ذاتی بالا در برابر شعله و آتش، بهترین گزینه برای تولید ظروف غذایی هستند که در معرض دمای بالا قرار می گیرند. همچنین در صنایع هواپیماسازی PPSU یکی از بهترین گزینه ها برای ساخت قاب صندلی و اجزای سیستم تهویه است. چرا که به راحتی می تواند از پس استانداردهای آتش گیری صنایع هواپیماسازی برآید.

اما وضعیت PEEK در این لیست قدری متفاوت است. اگرچه دمای بیشنیه کاربری گریدهای مختلف PEEK از 150 °C تجاوز نمی کند، اما مهمترین مزیت این سوپر پلاستیک در دماهای منفی است. PEEK ها می توانند تا -200 °C بدون افت خواص مکانیکی در تولید انواع شیر و اتصالات مورد استفاده قرار گیرند.

آخرین نوآوری های حوزه سوپر پلاستیک های مهندسی به انواع اتصال عرضی شده ختم می شود. امروزه PA هایی توسعه داده شده اند که به کمک تشعشع پرتو گاما امکان ایجاد پیوندهای اتصال عرضی در آن ها وجود دارد. این گریدهای در محدوده دمایی -40 – 130 °C قابلیت کارایی دارند و استحکامی بالغ بر 20 GPa دارند! این نوآوری در خدمت صنعت برق قرار گرفته است و در تولید قطعات انتقال برق با ولتاژهای بسیار بالا ( بالاتر از 10000 ولت) به کار می روند. در بخش های بعدی با ریزساختار و انواع مختلف هر یک از این سوپر پلاستیک های مقایسه شده در این مقاله آشنا خواهیم شد.

shrink film

تولید کنندگان فیلم های شرینک و استرچ پلی اتیلنی چه تکنیک های جدیدی را دنبال می کنند؟

هر ساله گریدهای مختلف پلی اتیلن شامل LLDPE و LDPE ها برای تولید فیلم های شرینک و استرچ به کار می روند. این محصولات مصرف بالایی را در بسته بندی ثانویه کالاهای مختلفی همچون بطری نوشیدنی ها، کاشی و سرامیک، سیمان، مواد پتروشیمی و دیگر کالاها دارند. LDPE با خواص شرینک منحصربفرد و LLDPE ها با خواص مکانیکی فوق العاده خود دو جزء جدایی ناپذیر فرمولاسیون فیلم های شرینک و استرچ هستند. در دو بخش قبلی که لینک آن ها در ادامه قرار داده شده است، با ساختار و کاربردهای فیلم های شرینک و استرچ رپ پلی اتیلنی آشنا شدیم و در این قسمت به تکنیک های جدیدی که امروزه تولید کنندگان این محصولات دنبال می کنند، می پردازیم.

stretch film

مهمترین نکته ای که در خصوص فیلم‌های شرینک و استرچ وجود دارد، توانایی این فیلم ها در حفاظت از کالایی است که بسته بندی شده است. در واقع این فیلم ها بایستی بتوانند نیروی لازم برای نگهداری کالا را در طول مسیر حمل و نقل حفظ کنند و این نیرو دچار تغییر نیز نشود. پارگی و شل شدن فیلم نیز مستقیما تحت تاثیر این نیروی نگهداری و کیفیت فیلم انتخابی است. ضمن حفظ این خاصیت تولید کنندگان فیلم‌های استرچ و شرینک به دنبال کاهش ضخامت فیلم های تولید با حفظ خواص مکانیکی هستند. به منظور کاهش ضخامت فیلم های تولیدی، مهندسین طراح فرمولاسیون این فیلم ها به استفاده از پلی اتیلن های متالوسن روی آورده اند. در واقع LLDPE های تولیدی با کاتالیست های متالوسنی با ریزساختار ویژه خود خواص مکانیکی همچون استحکام و مقاومت پارگی بالاتری نسبت به انواع تولیدی با کاتالیست زیگلر ناتا دارند. با قرار گرفتن حدود 20 تا 40 درصد از LLDPE های متالوسنی (m-LLDPE) در فرمولاسیون لایه های فیلم های استرچ و شرینک می توان تا 20 درصد از ضخامت فیلم های تولیدی را کاهش داد. در مورد فیلم های شرینک با قرار گرفتن متالوسن ها بایستی مراقب کاهش خاصیت شرینک بود و به کمک سهم LDPE فرمولاسیون این مهم را تنظیم نمود.

shrink film

دومین رویکرد مهمی که این روزها تولید کنندگان فیلم های شرینک و استرچ آن را دنبال می کنند، توجه به مسائل زیست محیطی است. به همین منظور تولید کنندگان این فیلم ها به دنبال استفاده از پلی اتیلن هایی هستند که با استفاده از منابع تجدید پذیر تولید شده اند. برای مثال پتروشیمی Braskem پلی اتیلن هایی را عرضه می کند که از گندم و نیشکر بدست می آیند و وابستگی به منابع نفت و گازی ندارند. اما از آنجاییکه قیمت تمام شده محصولات تولیدی با منابع تجدید پذیر بالا و غیر رقابتی است، استراتژی دیگر صنعتگران حوزه فیلم های استرچ و شرینک استفاده از مواد بازیافتی است. در واقع به کمک بازیافت فیلم‌های استرچ و شرینک مستعمل شده و احیای خواص آن ها به کمک افزودنی ها و پلی اتیلن های نو، بخش قابل توجهی از پسماندهای پلاستیکی مجددا به چرخه مصرف در کاربری های مشخص وارد می شود.

polyacetal

پلی استال های هموپلیمر یا کوپلیمر؟ کدامیک برای تولید قطعات مدنظر شما مناسب هستند؟

پلی استال که در بخش قبلی نکات کلی را در رابطه با این ترموپلاستیک مهندسی مطالعه کردیم، در آستانه ورود به 50 سالگی خود در صنعت پلاستیک است. پلی استال با نام اختصاری لاتین POM، از جمله محدود پلاستیک هایی است که چندین نام رسمی و غیر رسمی دارد. معمولا پلیمرها را با توجه به نام منومر مورد استفاده در تولید آن ها نامگذاری می کنند. با توجه به این روش نامگذاری، نام پلی استال پلی فورمالدهید (Polyformaldehyde) یا پلی اکسی متیلن (Polyoxymethylene) می تواند باشد و POM نیز از پلی اکسی متیلن می آید. اما این ماده را را با نام های تجاری مهمی که به نوعی مبدعان این پلاستیک هستند نیز می شناسند. هوستافرم (Hostaform)، Delrin، Ultraform، Duracon، Tenac، Kocetal، Celcon، Ramtal، Kepital و … مهمترین برندهایی هستند که پلی استال را با این نام ها نیز صدا میزنند. اولین کشف هوستافرم به حدود 100 سال پیش باز می گردد، اما به دلیل محدودیت هایی که در پایداری حرارتی نمونه های تولیدی وجود داشت، 50 سال طول کشید تا اولین پلی استال تجاری شده توسط دوپونت به بازارها عرضه شود. این پلی استال از نوع هموپلیمر بود و تمامی واحدهای سازنده زنجیره های آن از نوع اکسی-متیلن بودند. در سال های بعدی انواع کوپلیمر POM نیز توسعه داده شدند و حدود 1-1.5% گروه های اتیلن اکساید یا دی اکسالن (Dioxolane) نیز در بین زنجیره ها قرار گرفتند. در اینجا به مهمترین تفاوت های انواع همو و کوپلیمر پلی استال اشاره می کنیم که می تواند ملاک تصمیم گیری برای انتخاب گرید مناسب پلی استال جهت تولید قطعات مورد نظر ما باشد.

polyacetal

در همین ابتدا اشاره کنیم که مهمترین دلیلی که کوپلیمرهای POM توانستند سهم بازار قابل توجهی را از آن خود کنند، فرایند پذیری بهتر و محدوده دمای فرایند گسترده تر نسبت به انواع هموپلیمر بود. مهمترین دلیل این برتری کاهش پیوندهای اکسیژن – کربن است که مستعد تخریب هستند و همچنین با حضور کومنومر، دمای ذوب نیز در حدود 10 °C کاهش پیدا می کند و عملیات ذوب و شکل دهی در دماهای کمتری انجام می شود. اما از این نکته فرایندی که بگذریم در دیگر مقایسه ها این هموپلیمرها هستند که برنده رقابت اند. برای مثال هموپلیمرها با داشتن درصد بلورینگی و نظم مولکولی بسیار بالا، استحکام و مدول مکانیکی در حدود 15 درصد بیشتر از نوع کوپلیمر را دارند. همچنین دمای سرویس دهی بالاتر در کنار مقاومت خستگی و خزش بیشتر از دیگر مزایای هموپلیمرها در مقایسه با کوپلیمرها است. به کمک این برتری ها POM های هموپلیمر می توانند خواص یکسانی را در مقایسه با کوپلیمر در ضخامت های کمتری ایجاد کنند و قطعات سبک تری را تولید کنند. همچنین سیکل تزریق هموپلیمرها به دلیل دمای بلورینگی بالاتر می تواند کوتاهتر باشد و این نکته راندمان تولید را افزایش می دهد.

کمپانی بزرگ و نوآور Dupont تولید کننده یکی از بهترین برندهای هموپلیمر پلی استال با نام تجاری Delrin و دیگر کمپانی صاحب نام در این حوزه Asahi Kasei ژاپنی است که تولید کننده هر دو نوع هموپلیمر و کوپلیمر با نشان تجاری Tenac است. برای مطالعه بیشتر در خصوص کاربردهای پلی استال به لینک زیر مراجعه کنید.

polymer solar cell

استفاده از پلیمرها برای غلبه بر چالش های جهانی

هم اکنون جمعیت جهان در حال نزدیک شدن به مرز 8 میلیارد نفر است، این افزایش جمعیت و در کنار آن تغییر الگوی مصرف این 8 میلیارد نفر، رشد بی سابقه جمعیت شهر نشین، بروز چالش هایی در حوزه بهداشت فردی و اجتماعی، تغییرات سریع اکوسیستم زمین و بروز نتایج آن به صورت سیل، آتش سوزی، بالا آمدن سطح آب های آزاد، سونامی و …، کمبود شدید در بخش زیرساخت های اساسی، محدود شدن هر روزه منابع انرژی و زمان بر و پر هزینه بودن دسترسی به منابع جدید و مواردی از این دست، باعث بروز مشکلات و چالش هایی برای زندگی انسان ها شده است. تمامی این موارد ابر چالش هایی هستند که در قرن حاضر با آن ها روبرو هستیم. فارغ از لیست و دلایل ظهور این ابر چالش ها، در این بخش می خواهیم در ارتباط با توانایی های پلیمرها به جهت غلبه بر این ابر چالش های جهانی صحبت کنیم.

پلیمرها بدون شک تنها گروهی از مواد اولیه هستند که می توانند ما را در تامین غذای بیشتر و سالم تر یاری دهند. در اولین حلقه از زنجیره تامین غذا، این پلیمرها هستند که می توانند به کمک فیلم ها، گلخانه هایی با بازدهی بیش از 90 درصد ایجاد کنند، توسط لوله و نوارهای آبیاری بهره وری آبیاری را افزایش دهند و بالاخره روکش و غشاهای پلیمری هستند که سموم و آفت کش ها را هوشمندانه و با حداقل مقدار به گیاهان می رسانند. سپس در مرحله بسته بندی پلیمرها علاوه بر توجه به الزامات زیست محیطی، می توانند بسته بندی های نوینی را (مانند بسته بندی های چند لایه) ایجاد کنند که علاوه بر حفظ ارزش غذایی محصولات، زمان ماندگاری را تا 3 برابر نسبت به حالت عادی افزایش دهد.

polymer-geomembrane

پلیمرها در حفظ خاک و آب به عنوان دو منبع حیاتی نیز سر بلند بوده اند. ژئوممبران های پلیمری و انواع لوله ها نقش قابل توجهی را در استفاده بهینه از منابع و جلوگیری از پدیده های نامطلوبی همچون فرسایش خاک ایفا می کنند. فراموش نکنیم پلیمرها جزء اصلی و ثابت انواع وسایل بهداشتی مانند پوشک، نوارهای بهداشتی، ماسک، پروتزها و اندام های مصنوعی، گان و لباس های پزشکی و … هستند و سطح بهداشت جوامع را ارتقاء داده اند.

پلیمرها برعکس جنگ زیست محیطی که گروه خاصی علیه آن ها ترتیب داده اند، خیلی هم دشمن محیط زیست نیستند و حتی علاوه بر کمک در حفظ منابع آبی و خاکی که در بالا صحبت شد، با نقش بی بدیل خود در ساخت سلول های خورشیدی در تولید انرژی های پاک موثر هستند. همچنین امروزه پلیمرهایی توسعه داده شده اند که با استفاده از منابع تجدید پذیر تولید می شوند و وابستگی به سوخت های فسیلی ندارند. پلیمرها در بخش حمل و نقل نیز با جایگزین کردن فلزات در راستای سبک سازی وسایل نقلیه و به دنبال آن کاهش مصرف سوخت و آلاینده های هوا، موفق عمل کرده اند. همچنین پلیمرها در تجاری سازی خودروهای هیبریدی و الکتریکی نقش پر رنگی دارند و سرانه مصرف پلیمرها در این خودروهای نوین بیش از انواع درون سوز است.

polymer solar cell

در آخرین بخش باید بگوییم پلیمرها علاوه بر استفاده در بخش های ذکر شده در بالا، در توسعه فناوری های نوین و نسل چهارمی همچون، هوش مصنوعی، رباتیک، سنسورها و … نیز به کار می روند و در خدمت مهندسین طراح هستند. پلیمرها بخش غیر قابل جایگزین مواد اولیه هستند. شاید روزی شاهد جایگزین شدن سرامیک ها و فلزات با پلیمرها باشیم، اما مسیر برعکس آن خیلی منطقی به نظر نمی رسد.

 

Multilayer Pipe

لوله های پلیمری چند لایه، گزینه ای اقتصادی برای سیستم های لوله کشی مختلف

لوله های پلیمری با داشتن چگالی کمتر در برابر فلزات، شکل پذیری و فرایند تولید راحت به صرفه، خواص عملکردی منحصربفرد و قابلیت تولید برای انواع کاربری ها، خیلی سریع به بخش مهمی از مواد اولیه مصرفی در تولید لوله و اتصالات مختلف تبدیل شدند. هم اکنون پلی الفین ها مانند انواع PE، PP و PB، PVC، PA، ABS و هم چنین برخی رابرها مانند NBR، EPDM، CR و دیگر رابرها در تولید لوله های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. در این مقاله با گروه مهمی از لوله های پلیمری، موسوم به لوله های چند لایه، آشنا خواهیم شد. لوله های مدنظر این مقاله از نوع هتروژن هستند و لایه های مختلف از مواد اولیه ناسازگار با یکدیگر تشکیل می شوند. به همین منظور به جهت ایجاد اتصال مناسب بین لایه ها از چسب های بین لایه ای در این لوله ها استفاده می شود و با این چسب ها نیز در بخش های بعدی آشنا خواهیم شد.

پلی الفین ها و به خصوص PE (پلی اتیلن)، بیشترین سهم مصرف را در بین پلیمرهای مورد مصرف در صنعت لوله و اتصالات دارند. انتخاب نوع و گرید PE یا PP مناسب برای کاربری مدنظر، عموما بر اساس نوع، دما و فشار انتقال سیال مورد نظر صورت می گیرد. از جمله دیگر عوامل موثر بر انتخاب گرید پلیمر مناسب، شرایط محل نصب و بهره برداری از سیستم لوله کشی است. گراف زیر به صورت خلاصه نوع PE و PP مناسب را برای محدوده های مختلف دما نشان می دهد:

Pipe temperature

همانطور که در گراف بالا مشاهده می شود، PP و PEX بالاترین مقاومت حرارتی و دمای کاربری را در بین انواع مختلف پلی الفین ها دارند. PEX گونه خاصی از PE ها است که به کمک روش های مختلف اتصال عرضی می شود.

علاوه بر نوع پلیمر، ساختار لوله های چند لایه شامل نوع و ترتیب قرار گیری لایه ها، بر خواص عملکردی این لوله ها اثر گذار است. علاوه بر پلی الفین هایی مانند PE و PP، انواع پلیمر و فلزات نیز در لایه های مختلف لوله های چند لایه قرار می گیرند. همچنین EVOH مهمترین پلیمر غیر پلی الفینی مورد استفاده در این لوله ها به منظور کاهش عبور پذیری لوله در برابر اکسیژن است. آلومینیوم نیز به عنوان لایه فلزی مستحکم و افزایش دهنده مقاومت هیدروستاتیک استفاده می شود. از آنجاییکه EVOH و آلومینیوم هر دو از نظر طبیعت شیمیایی با پلی الفین ها ناسازگار هستند، به جهت ایجاد ساختار یکپارچه در لوله های چند لایه، از چسب های بین لایه ای در میان لایه های ناسازگار استفاده می شود.

Multilayer Pipe

EVOH در سیستم های تاسیساتی بسته که انباشت اکسیژن و افزایش غلظت آن مشکلات خورندگی را در پی دارد، استفاده می شود و چنین ساختارهایی کاملا منعطف هستند. اما با ورود آلومینیوم به ساختار لوله های چند لایه، لوله های غیر منعطف با تحمل فشاری بالا تولید می شوند. در بخش بعدی این مقاله با ساختار این لوله ها و مهمترین معیارهای انتخاب چسب بین لایه ای (Tie Layer Adhesive) آشنا خواهیم شد.

PVC Plate Out

بررسی ابعاد پدیده رسوب افزودنی ها در کامپاندهای PVC، Plate-out

این مقاله یکی از جنجالی ترین و پر چالش ترین موضوعاتی را در حوزه کامپاندینگ PVC بررسی می کند که دغدغه تمامی مهندسینی است که با فرایندهای اختلاط و کامپاندینگ PVC و افزودنی های آن سر و کار دارند. نام این پدیده Plate-Out است و شاید بهترین ترجمه در دسترس برای آن که بار فنی این ترکیب را نیز برساند، رسوب افزودنی ها است. مکانیسم Plate-Out به صورت کامل شناخته نشده است، اما در این بخش سعی می کنیم این پدیده و اثرات آن را بازگو کنیم و مهمترین پارامترهایی که بر آن موثر است را نام ببریم.

Plate-Out یا رسوب افزودنی، پدیده ای رایج در اکستروژن محصولات مختلف بر پایه PVC است. در واقع در حین تولید محصولات مختلف به کمک فرایند اکستروژن، مانند انواع لوله و پروفیل، در مقاطع زمانی مختلف ناخالصی های ناهمگونی روی سطح قطعه ایجاد می شود و باعث می شود از نظر ظاهری و عملکردی قطعه تولیدی در گروه محصولات بی کیفیت قرار بگیرد. Plate-Out در اثر رسوب افزودنی ها و سایر اجزای موجود در فرمولاسیون PVC بر روی دیواره بخش های مختلف خط تولید، مانند پیچ اکسترودر، کالیبراتور و قالب، و سپس جدا شدن این رسوب ها و قرار گرفتن در سطح محصول تولیدی، ایجاد می شود.

PVC Plate Out

تا کنون تلاش های بسیار زیادی به منظور شناسایی این پدیده و عوامل موثر بر آن صورت گرفته است. اثر حضور هر یک از افزودنی ها مانند استابلایزرهای جامد و مایع، کمک فرایندها، نرم کننده، پرکننده های معدنی و … به همراه ارزیابی اثر شرایط فرایندی مانند دما و دور اکسترودر بر میزان وقوع Plate-Out بررسی شده است. بنظر می رسد مهمترین عامل تاثیر گذار بر وقوع Plate-Out و شدت آن، امتزاج ناپذیری و سازگاری کم افزودنی های مورد استفاده در کامپاند پایه PVC با ماتریس PVC است. این نکته به خصوص در مورد کمک فرایندها، استابلایزر و پرکننده ها مهم است و در انتخاب گرید مناسب برای هر کاربری بایستی دقت کرد و از طرف دیگر مهمترین عاملی که می تواند شدت Plate-Out را کاهش دهد، انتخاب گرید مناسب و با کیفیت وکس و روان کننده های خارجی مناسب برای کاربری مورد نظر ما است. هر چند برخی از منابع اشاره کرده اند تیتان و کربنات کلسیم می توانند منجر به کاهش Plate-Out نیز شوند. شرط این اتفاق انتخاب گریدهای تیتان و کربنات کلسیم با خواص سایشی کافی است.

معمولا افزایش دمای کامپاندینگ و شکل دهی منجر به شدیدتر شدن میزان Plate-Out و افزایش دور اکسترودر باعث کاهش شدت Plate-Out می شود. شرایط انبارداری مواد اولیه و افزودنی ها و همچنین افزایش مدت زمان آماده سازی فرمولاسیون و اختلاط در مراحل Cold mixing و Hot mixing نیز می تواند منجر به وقوع Plate-Out شود. به دلیل گستردگی عوامل موثر بر این پدیده و پیچیدگی برهمکنش بین اجزا، در هر مورد بایستی به دقت اثر هر یک از عوامل را با ثابت نگهداشتن سایر پارامترها بررسی کرد. در بخش اکسترودر نیز به دقت بایستی قسمت های پیچ اکسترودر، ناحیه گازگیری، کالیبراتور و قالب را بررسی کرد و رسوب افزودنی ها را دنبال کرد. در هر مرحله نکات زیر را در حین بررسی ها باید مد نظر قرار داد:

  • آیا افزودنی جدیدی وارد فرمولاسیون شده است، یا تامین کننده افزودنی تغییر کرده است؟
  • آیا تمامی اجزای فرمولاسیون به خوبی خشک شده اند و عاری از رطوبت هستند؟
  • آیا بخش گازگیری اکسترودر به خوبی کار می کند؟
  • آیا ممکن است در بخش کالیبراتور و قالب رسوب افزودنی ایجاد شده باشد؟

در واقع به دلیل پیچیدگی پدیده Plate-Out بایستی به دقت تغییرات را دنبال کرد و اثر هر یک از اجزای فرمولاسیون و شرایط تولید را بررسی کرد.