پلیمرستان (آشنايي و شناخت و کاربرد و....)

[Borna66]

این تاپیک مختص رشته پلیمر نیست و افراد دیگه میتونن با تبادل نظر منو همراهی کنن. در ابتدا مفاهیم ساده با کاربدهای گوناگون بیان میشه و کم کم بطرف موضوعات تخصصی تر میریم.
منتظر همراهیتونم.

[Borna66]

پلیمرها
پلیمر یک واژه یونانی است. و از اتصال زنجیرهای کوچک منومرساخته میشود. که انصال این زنجیره ها را پلیمریزاسیون گویند. فرایند پلیمریزاسیون عموماً به دو صورت انجام میشود که خود نیاز به یک بحث طولانی و پیچیده میباشد.
ویژگی برتر این مواد پلیمری ‍‍: سبکی، سختی و در عین حال انعطاف پذیری، مقاومت در برابر خوردگی، رنگ پذیری، شفافیت، سهولت در شکل پذیری و بسیاری از خواص مورد استفاده در کاربردهای مختلف.
پلیمرها عموماً به دو دسته پلاستیکها و لاستیکها تقسیم میشوند. وهر دو گروه نیز خود به پلیمرهای گرمانرم
(termoplast) و گرما سخت (termoset) تقسیم میشوند که بطور مفصل شرح داده خواهد شد.
به خاطر اینکه مواد پلیمری به تنهایی نمی توانند مورد مصرف قرار گیرند در محل تولید (پتروشیمی) یا صنایع پایین دستی بنا به شرایط و کاربرد آنها از مواد افزودنی (addetive) استفاده میشود. به طور مختصر بعضی از این افزودنی ها ذکر میشود.
مواد پرکننده (filler): مانند خاک رس یا در اکثر موارد کربنات کلسیم یا سیلیکا استفاده میشود و علت افزودن آنها کاهش قیمت است و تأثیری در افزایش خواص ندارد. از افزودنی مثل الیاف کوتاه یا پولک جهت بهبود خواص مکانیکی استفاده میشود. منظور از خواص مکانیکی کاهش خزش و استحکام در برابر تنش و ... میباشد.
روان کننده ها (lubricant): این مواد ویسکوزیته پلیمر مذاب را کاهش داده و شکل پذیری در قالب ها را آسان تر میکند. مانند استارات کلسیم.
رنگدانه ها (pigment): جهت ایجاد رنگهای گونگون در پلاستیکها به کار میروند.
نرم کننده ها (plasticizers): موادی با وزن مولکولی و طول زنجیره کمتر نسبت به رنجیره پلیمرها که خواص و مشخصه شکل گیری پلیمرها را کمتر میکند. بهترین نمونه کاربرد آن DOP دی اکتیل فتالات، در تهیه PVC پلی وینیل کلراید میباشد که باعث انعطاف پذیری آن میشود. پی وی سی تقریباٌ سخت میباشد و در موارد استفادهایی که انعطاف پذیری نیاز داریم بوسیله این ماده آن را نرم میکنیم. مثال ساده استفاده در سفره ها (به بوی خاص و تند آن توجه کنید همان DOP است) و دمپایی ها و داشبوردهای پیکان های مدل قدیم! میباشد. و اگر به ترک! داشبورد بعضی از آنها توجه کنیم مربوط به از بین رفتن (پریدن) این افزودنی میباشد.
استحکام دهنده ها(reinforcement) : با افزودن موادی نظیر الیاف شیشه یا الیاف کربن مقاومت و سفتی پلیمرها افزایش و بهبود می یابد. نظیر فایبر گلاس ها یا بدنه هواپیما و بعضی از خودروها مانند سیناد2 !
پایدار کننده ها(stabilizers) : این افزودنی ها از فساد و تخریب پلیمرها در مقابل عوامل محیطی مانند نور خورشید (اشعه UV) و رطوبت و ... جلوگیری میکند. مانند مواد ضد اکسایش که به پلاستیکهایی نظیر ABS اکریو نیتریل-بوتادین- استایرن ، پلی اتیلن و پلی استایرن اضافه میشود و پایدارکننه های حرارتی که معمولاٌ برای شکل دهی PVC به کار میرود.
مواد ضد آتش زا(inflammable) : از این مواد در پلیمرهای استفاده میشود که خطر آتش سوزی در محل میباشد. بعضی از پلیمرها مانند PVC که حوای ماده کلر(ضد آتش) میباشد، در هنگام آتش سوزی خود اطفا میباشد و خاموش میشود. همچنین گاز وجود گاز خنثی نیتروژن در فوم های پلی استایرن (سقف کاذب) نیز باعث اطفاء حریق میباشد.

[Borna66]

پلاستیک

همانطور که گفته شد پلیمرها (پلاستیک ها و لاستیک ها) در تقسیم بندی دیگری به گرمانرم و گرما سخت تقسیم میشوند. که در پلاستیکها هر دو نوع مشاهده میشود و لاستیکها اغلب گرماسخت می باشند. گرما نرم بودن یعنی اینکه پلاستیکی را بارها و بارها بتوان ذوب کرد و شکل دهی داد. مانند پلی اتیلن یا پلی استایرن. و مراد از گرماسخت این است که ماده مورد نظر به روش های مختلفی شکل دهی شده و دیگر قابل ذوب مجدد نمی باشد و در اثر حرارت مجدد تخریب (سوزانده) خواهد شد، که علت آن ایجاد یک سری پیوند های عرضی در مابین زنجیرهای پلیمری جهت استحکام بیشتر میباشد. اصطلاحاًپیوند عرضی ایجاد شده در لاستیکها ولکانیزیسیون
(volcanization) و در پلاستیکها کراسلینک یا شبکه ای شدن (crasslink)گفته میشود. از پلاستیکهای ترموست یا شبکه ای که غیر قابل ذوب می باشند میتوان ملامین را نام برد.
دانشجویان محترم پلیمر این قسمت را متوجه میشوند که در یک تقسیم بندی مهم دیگر پلاستیکهای گرما نرم خود به بلوری (کریستالی) و بی نظم (آمورف) تقسیم میشوند. که ارائه انواع خواص و درجه حرارت انتقال شیشه ای (Tg) گرمانرم ها تحت تأثیر درصد کریستالی یا آمورفی بودن ماده است. هر چه ماده مورد نظر درصد آمورفی بالاتری داشته باشد، شفافتر و خواص مکانیکی و... کمتری خواهد داشت مانند پلی استایرن استفاده شده در لوله خودکار. و بلعکس در درصد بیشتر بلوری بودن خواص مکانیکی بهبود می یابد.
به دلیل ارائه مطالب برای عموم عزیزان، بحث بلوری و آمورفی بودن و تاثیر درصد آنها در پلیمر و نحوه کنترل آن در فرآیندی که محصول آمورفتر یا بلوری تر باشد، همراه با نظریه های جالب و شیرین و در عین حال پیچیده شیمی فیزیکی پلیمرها است که مختص دانشجویان پلیمر میباشد. این مطلب بصورت خیلی خلاصه ارائه شده است. در صورت تمایل عزیزان بطور مفصل شرح داده خواهد شد.

[Borna66]

پلاستیک های گرمانرم
در مواد گرمانرم زنجیره های دراز مولکولی با نیروهای ضعیف واندروالسی در کنار هم قرار دارند که میتوانید آنها را به صورت یک کلاف در هم پیچیده تصور کنید. وقتی به این مواد حرارت داده میشود نیروهای بین مولکولی ضعیف شده، طوری که ماده نرم و انعطاف پذیر میشود و سرانجام با افزایش دما ماده ذوب (گرانروان) میشود. که اگر آن را باسرعت زیاد سرد کنیم درصد بی نظمی (آمورف) بیشتر و اگر کند سرد کنیم ماده بلوری تر میشود و بحالت جامد بر میگردد. این گرم کردن و نرم کردن و دوباره سرد کردن را بارها میتوان ادامه داد. البته در بعضی مواد مانند pvc ذوب مجدد ماده و قالب گیری مجدد آن موجب افت کیفیت و خواص آن میشود. بحر حال این ویژگی مواد گرمانرم در پایه روشهای شکل دهی مرسوم است. ولی در عین حال حساس بودن به گرما و حرارت و نرم شدن نقطه ضعف آن محسوب میشود. از گرمانرم ها میتوان: پلی اتیلن، پلی وینیل کلرایدpvc، نایلون، استات سلولز، استال، پلی کربنات، پلی متیل متاکریلات و پلی پروپیلن را نام برد.

[Borna66]

ب- پلاستیک های گرما سخت:
این پلاستیکها طی واکنش دو مرحله ای انجام میشوند. اولین مرحله تشکیل زنجیرهای درازگونه همانند پلاستیکهای گرمانرم است و مرحله دوم ایجاد اتصالات عرضی بین زنجیرها در خلال عملیات قالب گیری و در اثر اعمال حرارت و فشار صورت میگیرد. قطعه حاصل پس از سرد شدن سخت به نظر میرسد در حالی که ساختمانی با شبکه مولکولی متراکم مانند تار و پود در هم پیچیده در آن ایجاد شده است. در مرحله دوم زنجیره های دراز مولکولی با پیوند های قطبی به یکدیگرمتصلند. در این نوع پلاستیکها ماده در اثر حرارت دوباره نرم و روان نمی شود و اگر حرارت افزایش پیدا کند ماده تخریب مولکولی شده و بهزغال تبدیل می شود. پیوندهای عرضی بین زنجیره های پلیمر، پیوندهای شیمیایی قوی هستند. به همین دلیل مواد گرماسخت دو مشخصه بارز سخت و وابسته نبودن خواص مکانیکی از حرارت را دارار می باشند. فنل فرم آلدیید، اوره فرم آدیید، اپوکسی ها و برخی از پلی استرها جزو مواد گرماسخت محسوب می شوند.

[Borna66]

پلاستیک های مهندسی:
بسیاری از گرمانرم ها بعنوان پلاستیکهای مهندسی پذیرفته شده است. به طور کلی پلاستیکهایی که در مقابل اعمال بار و حرارت وخوردگی کم و بیش مقاومت از خود نشان می دهند، مهندسی نامیده میشوند.
امروزه موادی که به عنوان پلاستیکهای مهندسی محسوب می شوند، عبارتند از: نایلون، استال، پلی کربنات، پلی فنیلن اکساید اصلاح شده (PPO)، پلی استرهای گرمانرم، پلی سولفون و پلی فنیلین سولفاید. بعضی از انواع پلی پروپیلن هم کاربرد مهندسی یافته اند. همچنین پلی وینیل کلراید فاقد نرم کننده (DOP)، که uPVC نام دارد در صنعت لوله سازی و پلی اتیلن مورد استفاده در ساخت مفاصل و اتصالالت جزو پلاستیکهای مهندسی محسوب می شوند. در سالهای اخیر نسل جدیدی از پلاستیکهای مهندسی بادوام و عمر کارکرد زیاد و عملکرد در دمای بالا در دسترس است.
مانند: پلی فنیل سولفاید (PES)، پلی اتر نیتریل (PPS)، پلی اتر کتون (PEEK)، پلی اتر ایماید (PEI)، پلی آمید ایماید (PAI)، پرفلورو آلوکسی (PFA)
برخی از این مواد، دمای کارکردی بالاتر از 200 درجه سلسیوس و اگر با الیاف پر شوند تا بالای 300 درجه قابل استفاده می باشند.
در برخی موارد پلاستیکهای گرما سخت همراه با پلاستیکهای مهندسی یک ترکیب عالی به ما خواهد داد که کاربرد در موارد مهندسی دارد. البته در بسیاری از موارد خواص گرما سخت ها غیر قابل رقابت با برخی پلاستیکهای مهندسی گران قیمت مانند پلی شولفون، پلی اتر سولفون، و پلی اتر کتون PEEK است.

[Borna66]

مواد کامپوزیت(مرکب):
یکی از عوامل مهم توجه به پلاستیکها برای مصارف مهندسی، امکان افزودن الیاف استحکام دهنده برای تقویت خواص آنهاست. که مواد مرکب حاصل برای کاربرد در صنایع هوایی و خودرو سازی بسیار مناسب است. مواد گرما سخت که ترد و شکننده هستند همراه با الیاف استحکام دهنده بلند و مقاوم به کار میروند. البته بحث مقاومت الیاف و نوع آنها و اندازه و طول و جهت و نوع فرآیند شدن آنها مقوله طولانی است که از بحث خارج است. بطور کلی برای بهتر فرآیند شدن و سرعت تولید و داشتن خواص مورد نظر در گرمانر ها از الیاف کوتاه و در گرما سخت ها از الیاف بلند استفاده میشود.
الیاف شیشه از لحاظ استحکام، سختی و قیمت بسیار مورد استفاده هستند. الیاف کربن با قیمتی بیشتر و خواص مناسب نیز مورد استفاده قرار میگیرد. برای مثال، مقاومت در برابر ضربه مشتمل بر الیاف کربن و سفتی مشتکل بر الیاف شیشه است. و بنا به بیشتر بودن نوع خاصیت مورد نظر هر دو با درصدهایی مورد استفاده قرار می گیرند.

[Borna66]

آلياژهاي پليمري
به زبان ساده اگر توضیح دهیم در بعضی کاربردها استفاده از یک پلیمر مرغوب شاید به تنهایی نتواند خواص مورد نظر ما را برآورده سازد. در اینصورت یک راه خوب ترکیب (با روش های پیچیده) دو یا چند پلیمر میباشد که به آن آلیاژ پلیمری می گویند. مثلاً یک پلیمر مقاومت حرارتی خوبی در دمای بالا دارد و پلیمر دیگر در برابر ضربه مقاوم است، که آلیاژ آن دو هر دو خواص را می دهد. برای طراحی آلیاژها نیاز به آشنا بودن به شیمی پلیمر، رزین های مختلفی با خواص، قیمت مناسب و مشخصه های شکل گیری در قطعه نهایی لازم است. یکی از نمونه های پر کاربرد و موفق آلیاژهای پلیمری که هم سخت و مقاوم در برابر ضربه و حرارت است، abs (اکریلو نیتریل-بوتادین-استایرن) است که در بسیاری از موارد این آلیاژ خود با پلیمرهای دیگر دوباره آلیاژ میشود و خواص خوبی را ارائه می دهد. مانند pc/abs (پلی کربنات). در اکثر قاب های تلفن همراه از این آلیاژ استفاده می شود. لطفاً به پشت قاب موبایل خود توجه کنید، همین آرم را می بینید!
چند نمونه از آلیاژها:
1. اکریلیک/pvc: مقاومت خوب در برابر مواد شیمیایی و شعله، چغرمه
2.abs/pvc : شکل دهی و فراورش راحت، مقاومت در برابر ضربه و شعله
3. پلی کربنات/abs: سخت با دمای تغییر شکل بالا و مقاومت ضربه خوری خوب
4. الاستومر/نایلون: مقاومت بالا در برابر ضربه و شکاف

[Borna66]

الاستومرها (لاستيك ها)
این مواد کشسان از خانواده پلیمرها هستند. مولکول های دراز زنجیر گونه نامنظم، پیچ خورده و به هم تابیده هستند. از این رو انعطاف پذیری بالایی را به ماده داده و امکان تغییر شکل زیادی را فراهم میکند. لاستیک ها در ابتدای تولید به صورت خام و پخت نشده هستند و پس از تغییر شکل زیاد قابلیت برگشت به حالت اولیه بطور کامل را ندارند. چون مولکولهای دراز به صورت غیر قابل بازگشت بر روی هم می لغزند. برای جلوگیری از این لغزش با روشی که قبلاً ذکر شد تحت عنوان ولکانیزاسیون (vulcanization) لاستیک را با گوگرد پخت می کنند. که شبیه همان پیوندهای عرضی در گرماسخت ها است و به صورت یک شبکه در می آید. در این هنگام اگر مولکولها کشیده شوند به علت داشتن این پیوندهای عرضی حالت ارتجاعی داشته و دوباره به حالت اول باز می گردند.
لاستیک های پخت شده از خواص خوبی مانند فنری بودن، مقاومت در برابر روغن ها، گریس ها و اوزون، انعطاف پذیری حتی در درجه حرارتهای کم و مقاوم بودن در بسیاری از اسیدها و قلیاها برخوردارند. لاستیکها به عملیات آرام ودقیق و همچنین انرژی زیاد برای پخت و قالبگیری نیازمندند.
از الاستومرهای پر مصرف میتوان به نئوپرن و بوتادین رابر اشاره کرد.

[Borna66]

پلي اتيلن

پلی اتیلن سبک (LDPE)
پلی اتیلن با دانسیته کم (low density polyethylene)
پلاستیکی با کاربرد وسیع. همانطور که میدانیم چگالی پلیمرها در محدوده 900 تا 1400kg/m3 است. چگالی این پلیمر در محدوده 918 تا 935 است و بسیار انعطاف پذیر و چقرمه است. مصرف عمده آن در تهیه ورقه های نازک مخصوص بسته بندی است. مصارف دیگر آن در ساخت عایق الکتریکی و ساخت وسایل خانگی، لوله، بطریهای یکبار مصرف و مخازن نگهداری آب سرد است.

پلی اتیلن سبک خطی(LLDPE)
پلی اتیلن خطی با دانسیته کم (linear low density polyethylene)
نظر شخصی من در این مورد این است که مصرف روزانه آن نسبت به LDPE رو به افزایش است. و امکان تولید آن برای هر پتروشیمی سودآوری دارد. این نوع پلی اتیلن در سال 1977 به بازار عرضه شد. این پلیمر در فرآیندی با فشار کم تولید می شود و ساختمان مولکولی منظم با شاخه های جانبی کوتاه دارد. بر حسب سرعت سرد کردن مذاب آن ساختمان خاصی از آن به وجود می آید. از این رو با چگالی یکسان با LDPE سخت تر از آن می باشد. همچنین مقاومت کششی و قدرت چگش خواری بالاتری دارد.

پلی اتیلن سنگین (HDPE)
پلی اتیلن با دانسیته بالا (high density polyethylene)
پلیمری بلوری تر نسبت به LDPE، با چگالی 935 تا 965. اگر چه قدری گرانترست اما چون قوی و بادوام و سخت تر است، مصارف زیادی دارد. مانند: ظروف زباله، جابطری، انواع مخازن و لوله برای نگهداری و انتقال سیالات، انواع اسباب بازی ها و وسایل خانگی و آشپزخانه و ...
گریزی از این مطلب بزنیم، کاتالیست ها برای فرآیند پلی اتلین معمولاً زیگلرـ ناتا ومتالوسن که پیشرفت جدیدی است می باشند. با این تفاوت که در استفاده زیگلرـ ناتا زنجیرهایی که بوجود می آیند همه با هم یکسان نیستند (کوتاه و بلند)، و مجموعه ای از خواص را پیشنهاد می کنند. که در آزمایشات آن می بینیم که یک نقطه ذوب در آن مشاهده نمی شود بلکه دمای ذوب به دلیل وجود زنجیرهای کوتاه و بلند بصورت یک محدوده است. البته در بیشتر موارد اندازه نبودن زنجیرها لازم است. مثلاً داشتن زنجیرهای کوتاه در لابلای زنجیرهای بلند نقش یک نرم کننده (مانند DOP در پی وی سی) را دارد وفرآیند شدن راحت تر صورت میگیرد.
اما در کاربردهای خاص و مهم داشتن یک نقطه ذوب! و خواص دیگر لازم است، که کاتالیست متالوسن با ایجاد زنجیرهای یکسان (پیک قله ای) این نیاز زا برآورده می سازد.

از پلی اتیلن میتوان یک ساختار شبکه ای (کراسلینک) تولید کرد که XLPE نام گرفته است. که این پلیمر مقاومت شیمیایی ، چقرمگی، حرارتی خوبی را دارا است.

پلي اتيلن با دانسيته بسيار بالا (UVHDPE):
پليمري با دانسيته بسيار بالاتر از بقيه پلي اتيلن ها كه فرآيند كردن و شكل دادن آن بسيار مشكل بوده و به همين دليل تعداد معدودي از كشورهاي پيشرفته قادر به توليد آن مي باشند. اين پليمر بصورت پودر بوده و آگر آن را ذوب كنيم شكل دادن آن بسيار مشكل بوده از اين رو با روش هاي بسيار پيچيده و فشار بالا شكل دهي ميشود. از مصارف مهم آن ميتوان استفاده در ساختن پروتز كه بسيار محكم است و خواص خوبي دارد نام برد.