اختصاصی بسپار/ کشف علم و افسانه مرتبط با تجزیه و تحلیل رطوبت در پلیمرها

بسپار/ایران پلیمر اولین کار در اندازه‌گیری رطوبت، خرید ابزاری است که بر اساس اصول اولیه درست باشد. سپس، قبل از استفاده از آن، باید برای همه بسپارهایی که قرار است در کارخانه فراورش شوند، روشی تدوین شود. موضوع اندازه‌‌گیری رطوبت در بسپارها مدام مطرح می‌‌شود، بنابراین در این مقاله، علم و افسانه مرتبط با این موضوع مرور شده است.
————————
اکثر فرایندکاران که معتقدند مقدار رطوبت را اندازه‌گیری می‌کنند، در واقع مقدار مواد فرار، ترکیبی از رطوبت، باقی‌‌مانده‌ها و مواد افزودنی را اندازه‌گیری می‌کنند که از هر ماده پلاستیکی هنگام قرار گرفتن در معرض دمای زیاد، استخراج می‌شود. کاهش وزنی که هنگام گرم شدن نمونه تا دمای زیاد تعیین شده رخ می‌دهد، به عنوان مقدار رطوبت تفسیر می‌شود.
این روش به عنوان افت در اثر خشک کردن (loss on drying) شناخته شده است. این روش می‌تواند برای موادی استفاده شود که در آن مقدار رطوبت زیاد است (1 تا 10 درصد) و مقدار سایر ترکیبات فرار که می‌توانند در اندازه‌‌گیری تداخل داشته باشند درصد کمی از رطوبت موجود را تشکیل می‌دهد. موادی مانند غذاها، داروها و مواد معدنی آب‌‌دار (hydrated) مثال‌‌های خوبی هستند. با این حال، این روش برای بسپارهایی که در آن مقدار رطوبت بسیار کم است (دو صدم تا یک دهم درصد) و مقدار سایر ترکیبات فرار که می‌توانند در طول آزمایش خارج شوند، 10 تا 100 برابر مقدار رطوبت موجود است، نامناسب است. برای این نوع مواد باید از ابزار دارای حسگر استفاده شود.

چهار گزینه برای اندازه‌‌گیری رطوبت
چه روشی مناسب است؟ چندین گزینه وجود دارد. روشی که بیشترین سابقه را دارد که در دهه 1930 ابداع شد، تیتر کردن کارل فیشر است. این روش از مخلوطی از واکنشگر‌های (reagent) مایع استفاده می‌کند. رسانایی الکتریکی این مخلوط تحت تاثیر حضور آب است و این باعث می‌شود که تغییر در این رسانایی به مقدار رطوبت موجود تبدیل شود. هم‌‌ارزی (equivalence) توسط قانون Coulomb کنترل می‌شود.
یک روش جایگزین که از یک رویکرد شیمیایی استفاده می‌کند شامل واکنش بین آب و هیدرید کلسیم است. این واکنش، گاز هیدروژن تولید می‌کند. برای هر مولکول آب موجود یک مولکول هیدروژن ایجاد می‌شود. قانون Boyle بر رابطه بین حجم هیدروژن و جرم آن حاکم است و امکان محاسبه مستقیم آبی که هیدروژن را تولید کرده است فراهم می‌کند. در حالی که کارل فیشر از مخلوطی از ترکیبات مایع استفاده می‌کند، هیدرید کلسیم یک جامد است و بنابراین استفاده آسان‌‌تری دارد.
ابزار دیگری که از حسگر رطوبت نسبی استفاده می‌کند، با نام تجاری Vapor Pro XL از شرکت Brookfield Ametek شناخته شده است. این دستگاه از طریق چندین مطالعه با تیتر کردن کارل فیشر مرتبط شده است و در طی یک دوره زمانی ارتقا یافته است به طوری که اکنون جایگزین قابل اعتمادی برای روش‌‌های شیمیایی شده است. هیچ ماده شیمیایی دخیل نیست و تنها ماده مصرفی یک تیغه (septum) است که پیالی (vial) را که نمونه مورد آزمایش در آن قرار دارد آب‌‌بندی می‌‌کند. این تیغه معمولا می‌تواند سه تا پنج بار قبل از نیاز به تعویض استفاده شود. در حالی که این دستگاه یک ابزار دارای حسگر است، اما از نظر عملیاتی بسیار شبیه دستگاه‌های افت وزنی می‌‌باشد. تفاوت بزرگ این است که به دلیل حسگر، این توانایی را دارد که بین رطوبت و سایر مواد فراری که به‌‌طور اجتناب‌‌ناپذیری در نمونه در هنگام گرم شدن تولید می‌شوند، تمایز قائل شود.
در نهایت، چهارمین جایگزین، ابزاری است که بر اساس رابطه حاکم بین مقدار رطوبت بسپارها و خواص دی‌‌الکتریک آن‌‌ها کار می‌کند. ابزارهای رومیزی که بر این رابطه متکی هستند در اوایل دهه 1980 توسعه یافتند، اما تجاری‌سازی این روش سال‌های زیادی انجام نشد. این دستگاه در یک دستگاه اندازه‌‌گیری درون خطی که توسط شرکت Novatec در نمایشگاه NPE2012 معرفی شد، گنجانده شده است.
تمام این چهار روش در ابزارهایی که پرهزینه‌تر از سامانه‌های افت وزنی هستند که عمدتا در محیط‌های تولیدی استفاده می‌شوند و منحنی‌های یادگیری متفاوتی را شامل می‌شوند، گنجانده می‌‌شوند. Vapor Pro XL کم چالش‌ترین ابزار برای یادگیری است، در حالی که تیترساز Karl-Fischer بیشترین نیاز را دارد. دیدگاه کلی از روش کارل فیشر این بوده که برای کارکنان تولید در کارگاه‌‌های قالب‌‌گیری بسیار دشوار است. طبق روایت، ظروف شیشه‌ای و مواد شیمیایی، کارکنان را تا حدی می‌ترساند که نتوانند از تجهیزات استفاده کنند.

افرادی که این ابزارها را می‌سازند در طراحی تجهیزات تخصص زیادی دارند، اما اطلاعات کمی در مورد بسپارها دارند. با این حال، تامین‌‌کنندگان مواد، که بسپارهای خود را می‌شناسند، اطلاعات کمی در مورد این ابزارها دارند. هنگامی که تیترساز کارل فیشر را خریداری می‌‌کنید، فهرستی از مواد و شرایط آزمایش توصیه شده از سازنده ابزار ارایه می‌‌شود که این فهرست اساسا بی‌فایده است.

ابزار فریب‌‌دهنده
به همان اندازه که تیترساز کارل فیشر خوب است، امکان فریب دادن ابزار وجود دارد. هدف اصلی اندازه‌‌گیری رطوبت شامل حذف کارآمد و کامل تمام رطوبت یک نمونه بدون تخریب بسپار است. این امر مستلزم آن است که گاز حاملی که برای روبش (sweep) رطوبت از نمونه به درون تیترساز استفاده می‌شود، نیتروژن یا گاز بی‌اثری باشد که از اکسایش جلوگیری کند و یک محدوده دمایی کارآمد بین دمای مورد نیاز و نقطه شروع تخریب ایجاد کند.
یک مثال خوب شامل یکی از حیاتی‌ترین بسپارها، پلی‌‌اتیلن ترفتالات (PET) است. گرم کردن نمونه‌‌ای از PET در هوا تا دمایی که امکان استخراج سریع و کامل رطوبت را فراهم کند، یک محصول جانبی به نام استالدئید نیز تولید می‌کند. یکی از مواد شیمیایی موجود در تیترساز کارل فیشر متانول است. در شیمی آلی به خوبی شناخته شده است که آلدئیدها با الکل‌ها واکنش داده و آب تولید می‌کنند. بنابراین، ارزیابی PET در حین استفاده از هوا منجر به آزمایشی می‌شود که برای مدت بسیار طولانی انجام می‌شود و مقدار زیادی باد می‌کند، زیرا بسیاری از آبی که اندازه‌گیری می‌شود در واقع در طول آزمایش تولید می‌شود. تغییر هوا به نیتروژن این مشکل را حل می‌کند.
بنابراین، اولین کار در اندازه‌گیری رطوبت، خرید ابزاری است که بر اساس اصول صحیح باشد. اما این تازه شروع کار است. هنگامی که ابزار از جعبه خارج شد و راه‌‌اندازی شد، قبل از استفاده از آن، باید برای همه بسپارهایی که قرار است در کارخانه فراورش شوند، روشی تدوین شود. این مرحله را نادیده نگیرید وگرنه با مشکل مواجه خواهید شد. فرض کنیم که شما یک رطوبت‌‌سنج مناسب را انتخاب کرده‌اید، دستگاهی که قادر به تشخیص رطوبت و سایر ترکیبات فرار که می‌توانند از نمونه‌های مواد ایجاد شوند، است. دستگاه رطوبت‌‌سنج رسیده و بسته‌بندی آن باز شده و راه‌‌اندازی شده است. اکنون کار تدوین روش آغاز می‌شود. اغلب این مرحله نادیده گرفته می‌شود. احتمالا یک برگه کاغذ ارایه شده است که مواد مختلف و دماهای آزمایش توصیه شده را فهرست می‌کند و افرادی که مسئول استفاده از دستگاه هستند، آزمایش‌ها را مطابق با آن دستورکار‌ها شروع می‌کنند.

برگردان: دکتر فاطمه خودکار
[email protected]

(ادامه دارد …)

متن کامل این مقاله را در شماره 269 ماهنامه بسپار که در نیمه اسفند ماه 1403 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