اختصاصی بسپار/ تخیل و واقعیت عمر نگهداری مواد اولیه

بسپار/ایران پلیمر آیا بسپار نم‌‌گیر (hygroscopic) دو ساله که در بسته‌بندی اصلی خود نگهداری می‌شود هنوز کارایی دارد؟ در این مقاله سعی شده است به این سوال پاسخ داده شود و برخی از تصورات غلط برطرف شود.
بیایید عمر نگهداری دو ماده نایلونی را بررسی کنیم، یکی نایلون 66 تقویت شده با 30 درصد الیاف کربن و دیگری نایلون 12 تقویت شده با 20 درصد الیاف شیشه‌. یک گفتگوی رایج در صنعت در مورد طول عمر مواد اولیه در صورت نگهداری طولانی مدت در انبار وجود دارد که در این مورد عوامل متعددی باید در نظر گرفته شوند. اول این‌‌که آیا مواد در بسته‌بندی اصلی خود نگهداری می‌‌شوند و آیا به هیچ وجه بسته‌بندی آن‌‌ها پاره نشده است؟ آیا بسته‌بندی آن‌‌ها با لیفتراک سوراخ شده‌ یا در اثر انباشتن بسته‌‌ها در یکدیگر فرو رفته‌اند؟ این حداقل احتمال آلودگی را نشان می‌‌دهد. در مورد نایلون، مشکلات بالقوه قابل توجه‌تر هستند، زیرا نایلون‌ها موادی بسیار نم‌‌گیر هستند که می‌توانند با گذشت زمان مقادیر قابل توجهی از رطوبت را از جو جذب کنند.
یک افسانه در صنعت بسپار وجود دارد که نایلون در معرض هوا “سیر یا اشباع” می‌شود و هرگز خشک نمی‌شود. اما سیرشدگی در اثر غوطه‌‌ور شدن در آب حاصل می‌شود و منجر به مقادیر رطوبت 5/8 تا 9 درصد در نایلون 6 و 66 می‌شود. مطالعات نشان داده است که نایلون 66 در معرض شرایط معمول محیطی تقریبا 2/2 تا 5/2 درصد وزن بسپار رطوبت را جذب می‌کند و با کمی صبر و زمان این رطوبت قابل حذف است. با این وجود، درست است که وقتی نایلون از بسته‌بندی اصلی خارج شود، فراورش نایلون می‌تواند چالش‌‌برانگیزتر باشد.
اما جذب و حذف رطوبت یک فرایند برگشت‌‌پذیر است. ظاهرا نگرانی‌های مربوط به عمر نگهداری مربوط به سازوکار‌های غیرقابل برگشت است. از جمله این موارد می‌توان به از دست دادن اجزای فرار مانند نرم‌‌کننده‌ها اشاره کرد. با این حال، نگرانی اصلی، اکسایش است. همه بسپارها تا حدی مستعد اکسایش هستند. این به شیمی بسپار و میزان پایدارسازی ایجاد شده در برابر این سازوکار بستگی دارد. ما می‌دانیم که آهنگ اکسایش با افزایش دما افزایش می‌یابد و یک قانون سرانگشتی مفید حاکم بر رابطه بین زمان و دما این است که با افزایش هر 10 درجه سلسیوس سرعت واکنش دو برابر می‌شود و در نتیجه عمر مورد انتظار ماده تا 50 درصد کاهش می‌یابد.
اینُ یک رابطه نمایی است، بنابراین افزایش 20 درجه سلسیوس سرعت واکنش را با ضریب 4 (22) افزایش می‌دهد، افزایش 30 درجه سلسیوس فرایند را با ضریب 8 (23) تسریع می‌کند و به همین ترتیب ادامه می‌‌یابد. ما از مطالعات می‌دانیم که آهنگ تسریع در هر افزایش 10 درجه سلسیوس همیشه دقیقا 2 نیست. مشاهده شده است که در محدوده 8/1 تا 5/2 است، اما استفاده از مقدار معمول 2 تخمین معقولی از چگونگی تداوم یک ماده در معرض دماهای زیاد را امکان‌‌پذیر می‌کند.

عمر نگهداری مواد
آیا راهی برای ایجاد عمر نگهداری مورد انتظار برای یک ماده بر اساس داده‌های منتشر شده وجود دارد؟ در مورد این دو ماده نام‌‌برده پاسخ مثبت است. برای نایلون 66، دمای استفاده مداوم، همان‌‌طور که طبق استاندارد ISO 2578 تعیین شده است، 100 تا 120 درجه سلسیوس می‌‌باشد. برای نایلون 12، محدوده منتشر شده 90 تا 120 درجه سلسیوس است. سپس این سوال پیش می‌آید که اصطلاح “مداوم” به چه دوره زمانی گفته می‌شود؟ اغلب این به یک دوره 5000 ساعته اشاره دارد. اما برخی تامین‌‌کنندگان این مواد پیشنهاد کردند که مداوم در این مورد به 20000 ساعت اشاره دارد. برای این‌‌که شک و تردید نداشته باشیم، می‌توان پایین‌ترین محدوده منتشر شده را انتخاب کرد، یعنی 100 درجه سلسیوس برای نایلون 66 و 90 درجه سلسیوس برای نایلون 12. می‌توان با فرض این‌‌که دمای انبار به طور متوسط 30 درجه سلسیوس است، احتیاط بیشتری به‌‌کار برد. حال، در نظر بگیرید که برای نایلون 12، اختلاف 60 درجه سلسیوس بین 90 درجه سلسیوس و 30 درجه سلسیوس، آهنگ اکسایش را با ضریب 26 یا 64 کاهش می‌دهد.
با ضرب این ضریب در زمان مرجع 20000 ساعت، طول عمر مورد انتظار ماده در دمای اتاق 1280000 ساعت (کمی بیش از 146 سال) به دست می‌‌آید. حتی اگر ضریب تسریع را به مقادیر کمتر از هر چیزی که تا به حال مشاهده کرده‌ایم، مثلا 5/1 برسانیم (برای توضیح آن‌‌چه که اثرات قفس نامیده می‌شود)، باز هم در نهایت طول عمر پیش‌بینی‌شده دمای اتاق 26 سال می‌شود. از آن‌‌جایی که کمترین دمای پیش‌بینی شده برای استفاده مداوم برای نایلون 66، 10 درجه سلسیوس بالاتر است، همه این پیش‌بینی‌‌ها 5/1 تا 2 برابر افزایش می‌یابد تا نتیجه تقریبا 40 تا 50 سال به‌‌دست آید.
بنابراین این سوال برای تامین‌‌کنندگان مواد مطرح می‌شود: اگر داده‌های منتشر شده خودشان نشان می‌دهد که قطعات قالب‌‌گیری شده از این مواد می‌توانند برای یک ربع تا نیم قرن در دمای اتاق دوام بیاورند، چه چیزی باعث می‌شود دانه‌‌هایی (pellets) که از آن‌‌ها این قطعات تولید می‌شود بسیار شکننده باشند. پس چرا یکپارچگی آن‌‌ها بعد از 12 ماه زیر سوال می‌رود؟
البته با انجام آزمون‌‌هایی روی مواد قدیمی و یک بهر (lot) تازه تولید شده به‌‌راحتی می‌توان به این سوالات پاسخ داد. تعیین وزن مولکولی می‌تواند محل خوبی برای شروع باشد و به عنوان پیگیری، می‌توان نمونه‌ها را از دو بهر قالب‌‌گیری کرد و خواص مکانیکی را با هم مقایسه نمود. اما بر اساس منطقی که در بالا مرور کردیم، انتظار می‌رود موادی که به مدت دو سال در قفسه انبار نگهداری شده است، کاملا قابل استفاده باشند.
در حالی که به نظر می‌رسد موضوع عمر نگهداری در این مورد خاص هیچ اهمیتی ندارد، مواردی وجود دارد که می‌تواند نگران‌‌کننده باشد. برای اکثریت قریب به اتفاق گرمانرم‌‌ها، پایداری مواد را می‌توان برای سال‌ها بیان کرد، نه ماه‌ها. اما استثنائاتی وجود دارد که در آن‌‌ها عمر نگهداری می‌تواند یک مسئله جدی باشد. اکثر این‌‌ها مواد گرماسخت، صلب یا کشسان هستند.
ماهیت حساس به زمان مواد شبکه‌‌ای شده به ترکیب‌‌بندی این مواد مربوط می‌شود و به طور خاص به این واقعیت که این آمیزه‌‌ها، همان‌‌طور که در اختیار قالب‌‌گیر قرار می‌گیرد، بسپارهای کامل شکل‌‌یافته نیستند و یاریگری (catalyst) که به تکمیل فرایند بسپارش و اتصالات عرضی کمک می‌کند، یکی از اجزای تشکیل‌‌دهنده آمیزه است. این یاریگر، به دلیل این‌‌که از نظر شیمیایی فعال است، می‌تواند زودتر از موعد واکنش نشان دهد یا می‌تواند تبخیر شود و در سامانه از بین برود.
به‌‌طور مثال، گونه خاصی از رزین ملامین-فنولیک که باید ظرف 9 ماه پس از دریافت از تامین‌‌کننده فراورش می‌شد را در نظر بگیرید.

برگردان: دکتر فاطمه خودکار
[email protected]

(ادامه دارد …)

متن کامل این گفت و گو را در شماره 257 ماهنامه بسپار که در نیمه اسفند 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.