اختصاصی بسپار/ تولید بسپارهای تقویت شده با هدف عملکرد زیست پایدار

بسپار/ ایران پلیمر آمیزه‌‌های بسپاری تقویت شده به طور فزاینده‌‌ای بر اساس معیارهای زیست پایداری آن‌‌ها و نه فقط بر اساس مزایای عملکردی مورد ارزیابی قرار می‌‌گیرند. تقویت‌کننده‌های بسپاری چه برای افزایش استحکام، بهبود سفتی، یا برای گشودن فرصت‌های کاهش وزن و کاهش هزینه، کلید توسعه آمیزه‌‌سازی هستند. الیاف شیشه به دلیل در دسترس بودن، تطبیق‌‌پذیری و هزینه مناسب، رایج‌‌ترین افزودنی تقویت‌‌کننده بوده است، اما تعداد فزاینده‌‌ای از گزینه‌‌های جایگزین، از جمله الیاف کربن نو و بازیافتی و هم‌‌چنین طیف وسیعی از الیاف طبیعی و معدنی وجود دارند. این مقاله نگاهی به برخی از آخرین پیشرفت‌ها در زمینه محصولات و کاربردهای آن‌‌ها دارد.

در صنعت خودرو، بسیاری از قطعات فلزی با پلاستیک‌های تقویت‌شده با الیاف شیشه با هدف کاهش وزن و بهبود مصرف سوخت و انتشار دی‌اکسید کربن جایگزین شده‌اند. برای مثال، در سپتامبر 2022، شرکت Sumika Polymer Compounds Europe با تامین‌کننده اروپاییFlex-N-Gate  همکاری کرد تا یک قطعه­ی تزیینی داخلی پلی‌‌پروپیلن (PP) تقویت‌شده با الیاف شیشه برای خودروی 5 در DS4 جدید شرکت Stellantis تولید کند (شکل 1).

این ماده باید برخی از نیازمندی‌‌های بسیار خاص را برآورده می‌‌کرد، از جمله توانایی پذیرش نصب بست‌‌ها و درونه‌‌های فلزی، پراکنش همگن الیاف شیشه در طول جریان بسیار بلند، حفظ عملکرد مکانیکی خوب و حفظ کیفیت درجه A سطح نهایی قطعه به گونه‌‌ای که نیازمندی‌‌های رنگ و مقاومت به پرتو فرابنفش OEM را برآورده سازد.

شرکت Sumika یک گونه PP با جریان‌‌پذیری زیاد، تولید شرکت مادر Sumitomo Chemical، را با الیاف شیشه کوتاه با استفاده از فناوری اندازه‌گذاری (sizing) و اتصال (binding) پیشرفته ترکیب کرد تا آمیزه Thermofil HP سفارشی را تولید کند که مشخصات مورد نیاز را برآورده می‌‌سازد. به گفته این شرکت، آمیزه قابل بازیافت از عملکرد مکانیکی آمیزه‌‌های متداول PP حاوی الیاف شیشه بلند (LFT) فراتر رفته و تا 5 درصد زمان چرخه کوتاه‌تری را فراهم می‌کند که به صرفه‌جویی در انرژی در حین فراورش کمک می‌کند.

به ادعای شرکت Sumika آمیزه‌‌های Thermofil HP و آمیزه‌‌های Thermofil Circle پلی‌پروپیلن بازیافتی تقویت شده با الیاف شیشه (GF-rPP) این شرکت، عملکردی مشابه پلاستیک‌های مهندسی فعلی مانند پلی‌‌آمید (PA) را با مزیت زیست‌‌پایداری بهتر به خودروسازان ارایه می‌دهند. به گفته مدیر بازاریابی این شرکت، آمیزه‌‌های PP تقویت‌شده با الیاف شیشه Thermofil HP عملکردی مشابه با پلاستیک‌های مهندسی متداول داشته و در عین حال ردپای کربن بسیار کمتری را نشان می‌دهند، که آن‌‌ها را برای مقابله با چالش‌های طراحی که مساله زیست‌‌پایداری به ارمغان می‌آورد، بسیار مناسب می‌کند.

در حالی که قطعات تقویت شده با الیاف شیشه مزایای عملکردی زیادی دارند، یکی از معایب بالقوه افزایش تمایل به تاب‌‌خوردگی (warpage) در طول فرایند قالب‌‌گیری تزریقی است. شرکت ژاپنی Nittobo با استفاده از فناوری ویژه FlatFiber (FF) خط تولیدی از رشته‌‌های الیاف شیشه خرد شده با سطح مقطع اصلاح شده را توسعه داده است.

برخلاف الیاف معمول که دارای سطح مقطع گرد هستند، محصولات FF این شرکت دارای سطح مقطع بیضی شکل هستند. آزمایش‌ها نشان می‌دهد که خواص فیزیکی FF از الیاف معمول بیشتر است، در حالی که سایر مزایای پروفیل مسطح شامل تاب‌خوردگی کمتر و پایداری ابعادی بیشتر است. به گفته شرکت Nittobo این ویژگی‌‌ها فراورش را آسان‌‌تر نموده و می‌‌تواند مقاومت در برابر ضربه و گرما را افزایش دهد.

هم‌‌چنین ژاپن یکی از کاربران قدیمی پَرَک‌‌های شیشه‌‌ای Fleka و Fineflake بوده که توسط گروه NSG تولید و توسط Dreytek در ایالات متحده توزیع می‌‌شود. گفته می‌شود که پرک‌‌ها استحکام و سفتی را در قطعات قالب‌گیری شده تزریقی و ورق رانشگری شده بهبود می‌بخشند، در حالی که مشکلات جمع‌‌شدگی و تاب‌‌خوردگی را به حداقل می‌رسانند. این مزایا به دلیل تمایل پرک‌‌های شیشه‌‌ای به جهت‌‌گیری موازی با سطح بسپار می‌‌باشد، به این معنا که میزان تغییرات ابعادی را نه تنها در جهت جریان (جهت MD) بلکه در جهت عرضی (جهت TD) ایجاد می‌‌کنند. به گفته شرکت Dreytek نسبت جمع‌‌شدگی MD/TD نزدیک به یک است.

کنترل تاب‌‌خوردگی

تاب‌‌خوردگی را می‌‌توان با استفاده از الیاف شیشه استاندارد در ترکیب با پرکننده‌‌های معدنی کنترل کرد، اما طبق گفته شرکت Dreytek، این کار می‌‌تواند منجر به افت خواص مکانیکی شود. با استفاده از Fleka و Fineflake، نیاز به ایجاد تعادل بین خواص مکانیکی و تاب‌‌خوردگی/ جمع‌‌شدگی قطعات از بین می‌رود. به گفته مدیر کسب و کار شعبه آمریکای شمالی شرکت Dreytek این پرک‌‌های شیشه‌‌‌‌‌‌ایِ تقویت‌‌کننده، واقعا مشکل‌‌گشا هستند.

Fleka و Fineflake با استفاده از فناوری ساخت اختصاصی NSG برای کنترل ضخامت پرک شیشه‌‌‌‌ای (Fleka در 5_/0 میکرومتر و Fineflake در 7_/0 میکرومتر) تولید می‌شوند. این پرک‌‌ها معمولا در کاربردهایی استفاده می‌شوند که در آن ترکیبی از پایداری ابعادی و خواص مکانیکی مورد نیاز است، از جمله اجزای کوچک مانند اتصالات الکترونیکی که اتصال دقیق آن‌ها به ویژه زمانی که اتصال‌‌دهنده‌‌ها در معرض چرخه گرمایی قرار می‌گیرند بسیار مهم است. کاربردهای دیگر شامل قطعات مسطح دیواره نازک بزرگ است.

شرکت Michelman، سازنده مواد شیمیایی تخصصی، که محصولات سازگارکننده (آهار لیف) را برای بهبود چسبندگی سطح مشترک بین بسپارها و الیاف تقویت‌کننده مانند الیاف شیشه توسعه می‌دهد، برخی از روندهای توسعه عمده در صنعت را گزارش داد.

این دو حوزه شامل ظهور فرایندهایی هستند که امکان استفاده از فناوری‌‌های الیاف پیوسته را برای چندسازه‌‌های گرمانرم و هم‌‌چنین گسترش الیافی نظیر بازالت و الیاف طبیعی را ممکن می‌‌سازد. این پیشرفت‌ها با هم فرصت‌های جدیدی را برای رشد بازار چندسازه‌‌ها و پاسخگویی به تمایل روزافزون جامعه به مبحث زیست‌‌پایداری ایجاد می‌کنند. شکل‌‌های مختلف الیاف پیوسته، مانند نوارهای تک‌‌جهته گرمانرم و ورق‌های آلی(organo-sheets)، هدف‌گیری دقیق را برای تقویت ساختاری امکان‌پذیر می‌سازد [و] به طراحان اجازه می‌دهد تا پاسخگوی چالش‌های موجود در کاربردهای مختلف باشند و در عین حال امکان بازیافت بالقوه را در پایان عمر قطعات فراهم نمایند.

تولید الیاف شیشه فرایندی به نسبت انرژی‌‌بر بوده، اما صنعت در تلاش برای به حداقل رساندن میزان مصرف انرژی است. ارزیابی چرخه عمر (LCA) که تولید الیاف شیشه پیوسته را دربرمی‌‌گیرد، در اوایل سال 2023 توسط انجمن تولیدکنندگان Glass Fiber Europe  منتشر شد. نتایج این ارزیابی نشان داد که بین سال‌های 2015 تا 2021، صنعت اروپا مصرف انرژی را به ازای تولید هر کیلوگرم الیاف شیشه پیوسته به طور متوسط 1_/8 درصد و میزان انتشار گازهای گلخانه‌‌ای را به طور متوسط 2_/3 درصد کاهش داده است. بنابر این گزارش که بر اساس داده‌های تولید سال ۲۰۲۱ از ۱۱ کارخانه در سراسر اتحادیه اروپا، بریتانیا و نروژ منتشر شده، ۴۴ درصد از ضایعات تولیدی این صنعت در سال ۲۰۲۱ بازیافت شده‌اند که ۲۶ درصد نسبت به سال ۲۰۱۵ افزایش یافته است.

بازیافت کربن

در حالی که الیاف شیشه به طور سنتی رایج‌‌ترین تقویت‌‌کننده بسپاری بوده است، مواد دیگر به طور فزاینده‌‌ای مورد استفاده قرار می‌‌گیرند، زیرا در دسترس بودن و کیفیت محصولات بازیافتی بهبود می‌‌یابد و اهداف زیست‌‌پایداری بیشتر مورد توجه قرار می‌‌گیرند. به عنوان مثال، در زمینه تقویت الیاف کربن، پیشرفت قابل توجهی در بازیابی الیاف از بخش فراورش چندسازه گرماسخت، که در آن میزان ضایعات می‌‌تواند زیاد باشد، حاصل شده است.

برگردان: مهندس شبنم عزالدین [email protected]

(ادامه دارد …)

متن کامل این مقاله را در شماره 245 ماهنامه بسپار که در نیمه آذر ماه 1402 منتشر شده است، می خوانید.

در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های ۰۲۱۷۷۵۲۳۵۵۳ و ۰۲۱۷۷۵۳۳۱۵۸ داخلی ۳ سرکار خانم ارشاد تماس بگیرید. نسخه الکترونیک این شماره از طریق طاقچه  و  فیدیبو  قابل دسترسی است.