اختصاصی بسپار/ اصلاح سطوح آمیزه ها به منظور دستیابی به عملکرد بیشتر

گروه ترجمه و تولید محتوا در بسپار/ ایران پلیمر  اصلاح سطح آمیزه‌‌ها می‌تواند عملکرد و دوام پلاستیک‌‌ها را افزایش دهد، ضمن این‌‌که زیبایی ظاهری را حفظ یا بهبود بخشد.
در این مقاله، پیشرفت‌‌ها در راستای اصلاح سطح آمیزه‌‌ها آورده شده است.

اصلاح خواص سطحی یا ویژگی‌های یک آمیزه پلاستیکی می‌تواند عملکرد را بهبود بخشد و زمینه کاربردی آن را گسترش دهد. از لحاظ زیبایی ظاهری، مقاومت در برابر خراش (scratch) و از خش (mar) می‌تواند به شدت افزایش یابد، ضمن‌‌ این‌‌که ظاهر کلی پلی‌‌آمید‌های تقویت شده با الیاف می‌تواند به طور قابل توجهی بهبود یابد. و در کاربردها با کارایی عالی (مانند یاتاقان‌‌ها، بوش‌‌ها و محفظه‌‌ها) که نیاز به کاهش رفتگی یا ضریب اصطکاک کم است، روان‌‌کاری داخلی می‌تواند نیاز به روان‌‌کننده‌های خارجی را حذف کند و بنابراین عملیات تعمیر و نگهداری کاهش یابد. اخیرا شرکت شیمیایی آلمانی Wacker مطالعات اصلاح سطح را انجام داده است تا مشخص شود آیا ترکیبات افزودنی را می‌توان برای بهبود خواص و فرایند‌پذیری بسپارهای زیست‌‌تخریب‌‌پذیر استفاده کرد. این تحقیق توسط مدیر ارشد فنی خط تولید محصولات افزودنی Genioplast در ‌بخش کسب و کار سیلیکون‌‌های Wacker و مدیر ارشد فنی در بخش بسپارهای Wacker انجام شد.
با چالش پسماندهای پلاستیکی، علاقه به بسپارهای زیست‌‌تخریب‌‌پذیر رو به افزایش است. تخریب زیستی به عنوان یک گزینه پایان زندگی می‌تواند سهم معنی‌‌داری را در یک اقتصاد چرخشی برای پلاستیک‌ها ایجاد کند. انجمن صنایع زیست‌‌پلاستیک اروپا انتظار دارد ظرفیت تولید جهانی این بسپارها و به ویژه پلی‌‌استرهای زیست‌‌تخریب‌‌پذیر، به طور قابل توجهی در چند سال آتی افزایش یابد.
متاسفانه، پلی‌‌استرهای زیست‌‌تخریب‌‌پذیر هنوز در کاربردهای بالقوه خود محدود هستند. آن‌‌ها اغلب قادر به ارایه مشخصاتی که آمیزه‌‌سازها، تبدیل‌‌کننده‌های پلاستیک و کاربران نهایی گرمانرم‌‌های معمول انتظار دارند، نیستند. علاوه بر این، آن‌‌ها سخت فراورش می­شوند، و خواص سطحی اغلب در حد انتظار خوب نیست.
افزودنی‌های آلی (organic) بسپاری بر پایه پلی‌‌وینیل استات دارای یک رکورد ثابت اثبات شده برای اصلاح پلی‌‌استرهای زیست‌‌تخریب‌‌پذیر است. شرکت Wacker این محصول را تحت نام تجاری Vinnex عرضه می‌کند، با قطب‌‌هایی که دقیقا به پلی‌‌استرهای زیست‌‌تخریب‌‌پذیر متصل می‌شوند. سازگاری حاصل، آن‌‌ها را بسیار موثر می‌سازد. هم‌‌چنین این شرکت انواع افزودنی‌های بر پایه سیلیکون خود را با نام Genioplast Pellet برای آمیزه‌‌سازی گرمانرم‌‌ها عرضه کرده است. این افزودنی با کاهش اصطکاک به عنوان کمک‌ فرایند عمل می‌کند و خواص بسپار را بهبود می‌دهد.

مزایای ترکیبی

محققان این شرکت تصمیم گرفتند مطالعه کنند که چگونه ترکیبی از هر دو سامانه افزودنی ممکن است بر فراورش و خواص پلی‌‌استر‌های زیست‌‌تخریب‌‌پذیر تاثیر بگذارد. این پروژه روی پلی‌‌لاکتیک اسید (PLA) و پلی‌‌بوتیلن سوکسینات  (PBS) پر شده با کربنات کلسیم تمرکز دارد، که باعث شد تا اثرات افزودنی‌ها روی سامانه‌‌های بسپاری پر شده و پر نشده را بررسی کند.

دو گونه پلی‌‌استر تجاری استاندارد به عنوان بسترهای بسپاری از پلی‌‌لاکتیک اسید با نام Ingeo Biopolymer 4043 D از شرکت Nature Works و پلی‌‌بوتیلن سوکسینات با نامBiopbs FZ 91 PM  از شرکت PTT MCC Biochem استفاده شد. هر دو نیمه­بلوری، ساخته شده از مواد اولیه تجدیدپذیر هستند و توسط تولیدکنندگان برای تولید فیلم پلاستیکی بهینه شده‌‌اند. PLA به عنوان یک ماده صلب و با کشش زیاد شناخته شده است که بسیار ترد (brittle) و شکننده (fragile) است و دارای پایداری گرمایی ضعیفی می‌‌باشد. گرانروی مذاب زیاد و استحکام مذاب کم، فراورش مذاب را دشوار می‌سازد. هم‌‌چنین این ماده سرعت بلورش کندی دارد، به همین دلیل پسابلورش آن باعث می‌‌شود که اجسام ساخته شده از PLA معمولا به تدریج شکننده‌تر ‌شوند. در مقابل، PBS دارای خواص مکانیکی شبیه‌‌تر به پلی‌‌اُلفین‌ها است. بر خلاف PLA، یک ماده منعطف و چقرمه با استحکام کششی زیاد است. با توجه به درجه نسبتا زیاد بلورینگی، PBS دارای مقاومت گرمایی زیاد است. با این حال، تمایل به بلورینگی تکمیلی دارد.
چهار افزودنی Vinnex 2504، 2525 Vinnex، Genioplast Pellet S و Genioplast Pellet P Plus مورد مطالعه قرار گرفتند. Vinnex 2504 هم‌‌بسپار وینیل استات-اتیلن است، گونه پودری عمدتا استفاده شده توسط آمیزه‌‌کاران که بخش‌های نرم را به بستر بسپار اضافه می‌‌کند. Vinnex 2525 یک همگن بسپار پلی‌‌وینیل استات دانه‌‌ای شکل است. هنگامی که به عنوان یک کمک فرایند استفاده می‌شود، جریان را بهبود می‌بخشد، استحکام مذاب را افزایش می‌دهد و بلورینگی تکمیلی توسط پلی‌‌استرهای نیمه­بلوری را کاهش می‌دهد. Genioplast Pellet P Plus یک گونه مورد تایید برای تماس با مواد غذایی است، در حالی که گونه Pellet S عمدتا برای کاربردهای فنی هدف‌‌گذاری شده است. هیچ تفاوت قابل توجهی در خواص این دو گونه وجود ندارد.
زیست­پلی‌‌استرهای مورد استفاده در غربال‌‌گری، درون رانشگر دوماردان همسوگرد ZE-25 شرکت Kraussmaffei آمیزه‌‌کاری شدند. سپس آمیزه‌‌ها دانه‌‌سازی شده و به شکل آزمونه‌‌هایی فراورش شدند- از جمله کاشی­های آزمایشی قالب‌‌گیری­شده تزریقی، حلزونی­های شارش­سنج، فیلم دمشی و کاشی­های قالب‌‌گیری شده فشاری که مطابق با استانداردهای صنعت مورد آزمایش و ارزیابی قرار گرفتند. پلی‌‌استرهای زیست‌‌تخریب‌‌پذیر فاقد افزودنی به عنوان شاهد استفاده شدند و به همان شیوه فراورش شدند. آمیزه‌‌های اصلاح شده با افزودن گونه Vinnex به تنهایی یا افزودن ترکیبی از Vinnex و Genioplast Pellet به پلی‌‌استرها تولید شدند. آمیزه‌‌های بر پایه PLA همگی پرنشده بودند، در حالی که آمیزه‌‌های بر پایه PBS حاوی 15 درصد کربنات کلسیم بودند.
استفاده از افزودنی‌های سیلیکون منجر به کاهش هزینه انرژی در فرایندکاری شد. در آمیزه‌‌کاری PBS پر شده، افزودن دانه‌‌های سیلیکون کاهنده اصطکاک، گشتاور مورد نیاز رانشگر را در طول تولید آمیزه‌‌ها کاهش داد و منجر به کاهش مصرف انرژی شد. اثرات مشاهده شده کوچک هستند، اما می‌توانند صرفه جویی قابل توجهی در هزینه‌های خطوط بزرگ ایجاد کنند. رفتار جریان آمیزه‌‌های ذوب شده با استفاده از آهنگ جریان حجمی مذاب طبق استاندارد ISO 1133 و آزمون جریان مارپیچ آزمایش شد. در آزمون دومی، ترکیب سامانه‌‌های افزودنی منجر به مسیر جریان طولانی‌‌تر شد. ترکیب افزودنی به طور کلی منجر به افزایش قابل توجهی در میزان آهنگ جریان حجمی مذاب می‌شود. اثبات شده است که ترکیب‌‌هایی از Vinnex 2504 به ویژه برای جریان مذاب مفید هستند.
پرداخت سطح نیز برای پلی‌‌استرهای زیست‌‌تخریب‌‌پذیر به دست آمد. هنگامی که از ترکیب Genioplast Pellet و Vinnex استفاده می‌شود، تاثیر بسیار زیادی در نمای سطح پلاستیک‌‌ها فراهم می‌‌شود. زبری سطح پلی‌‌استر‌ها با استفاده از Vinnex به تنهایی بهبود نمی‌یابد، زیرا Genioplast باید برای کاهش اثرات اصطکاک اضافه شود. در نتیجه، ضریب سُرش کمتر از 3/0 که مقدار مورد نیاز تبدیل‌‌کنندگان پلاستیک برای بسیاری از کاربردها است را می‌توان در مورد PLA و PBS پر شده با کربنات کلسیم به دست آورد. در مورد PLA، این مقدار با ترکیبی از Vinnex 2504 و Genioplast Pellet به دست می‌آید. در مورد PBS پر شده، می‌توان آن را با ترکیبی از Vinnex 2525 و Genioplast Pellet به دست آورد.

کاهش اصطکاک سطح، پلی‌‌استر زیستی با مقاومت بیشتر در برابر خراش و سایش فراهم می‌کند. این امر با ارزیابی بصری مقاومت سایشی با استفاده از آزمون Crockmeter و تعیین وزن‌‌سنجی سایش با استفاده از روش لوح ساینده طبق استاندارد DIN 53754 تایید شد. اثر کاهش اصطکاک به ویژه از بررسی میکروسکوپی هم‌‌کانون (confocal) از علائم خراش ایجاد شده روی تابلوهای آزمون صاف قالب‌‌گیری شده تزریقی با استفاده از سختی‌‌سنج خراش (مدل P-I 530 از شرکت Erichsen) آشکار است. با استفاده از Genioplast Pellet، خراش‌ها کم عمق هستند، پروفیل خراش به صورت تخت‌‌تر می‌شود و سطح داخل خراش کمتر زبر است. این اثر به ویژه در میزان استعمال افزودنی 2 درصد (شکل 1 و 2) مشخص شده است.

شکل 1: نتایج سایش Crockmaster برای PLA حاوی مقادیر مختلف Vinnex و Genioplast.

شکل 2: نتایج آزمون خراش Erichsen برای PLA حاوی مقادیر مختلف Vinnex و Genioplast.

محققان شرکت Wacker می‌گویند که با توجه به خواص مکانیکی، این مطالعه یک تصویر مخلوط را نشان داد. ترکیبی از دو نوع افزودنی در برخی موارد بهبود نشان داد، اما نه در همه موارد. اثرات، بستگی به گونه Vinnex مورد استفاده دارد و با بستر پلی‌‌استر متغیر است. برای مثال، ترکیبی از دو افزودنی باعث افزایش طول در نقطه پارگی در مورد PBS پر شده از کربنات کلسیم شد، اما در مورد PLA پرنشده تقریبا بدون تغییر بود.

همان‌‌طور که انتظار می‌رفت، Vinnex 2504 به عنوان یک اصلاح‌‌کننده ضربه برای PLA عمل کرد، در حالی که Vinnex 2525 عمل نکرد. ترکیبی از Vinnex 2504 و Genioplast Pellet، استحکام پارگی فیلم دمشی PLA را در هر دو جهت طولی و عرضی افزایش داد. با این حال، ترکیب با Vinnex 2525 منجر به بهبود قابل توجهی در جهت عرضی شد. استحکام پارگی این فیلم‌ها با استفاده از آزمون زاویه Graves (DIN 53515) تعیین شد. خواص مکانیکی نیز بدون کاهش مقاومت گرمایی بهبود یافت. این از طریق تعیین نقاط نرمی Vicat طبق استاندارد ISO 306 (روش‌های A و B) تایید شد.

از این مطالعات نتیجه گرفتند که Vinnex و Genioplast Pellet در اثراتشان مکمل هستند و تاثیر بیشتری در هنگام استفاده‌‌ی ترکیبی در مقایسه با استفاده به طور جداگانه ایجاد می‌کنند. هر دو خواص فراورش و خواص مواد پلی‌‌استر‌های زیست‌‌تخریب‌‌پذیر به طور قابل ملاحظه‌ای از ترکیب افزودنی‌‌ها بهره‌مند شدند. چنین ترکیبی به خصوص در تولید فیلم دمشی مزیت دارد؛ به گفته محققان، Vinnex جریان‌پذیری و استحکام مذاب را افزایش می‌‌دهد و Genioplast Pellet، با کاهش اصطکاک سطح، سرعت برداشتن (take-off) و پیچیدن (winding) را افزایش می‌دهد.

طبق گفته شرکت Wacker، ترکیب هر دو سامانه افزودنی می‌تواند به گسترش کاربردهای پلی‌‌استرهای زیست‌‌تخریب‌‌پذیر کمک کند. این ترکیب- نسبت به گرمانرم معمول- باعث کاهش معایب فراورش و عملکرد می‌شود که استفاده از این  بسپارها را تاکنون محدود کرده‌ است. در مقادیر مصرف معمول و بسته به سامانه مورد نظر، دو افزودنی منجر به کاهش تخریب‌پذیری در بسپارهایی مانند PBS، PLA یا نشاسته گرمانرم و ترکیبی از این بسپارهای زیست‌‌تخریب‌‌پذیر نمی‌شود.

کیفیت ماندگار

شرکت Evonik گزارش می‌دهد که در طول دو دهه گذشته، تقاضای زیادی برای افزودنی‌های اصلاح سطح برای بازار آمیزه پلاستیک مشاهده شده است. این نوع افزودنی‌ها عمدتا برای جلوگیری از خراشیدگی در حین حمل و نقل- بارگیری و جابه‌‌جایی- قطعات پلاستیکی و سرهم‌‌بندی آن‌‌ها و اطمینان از کیفیت کالاهای کارخانه مانند لوازم خانگی و قطعات خودرو پس از رسیدن به دست مشتری استفاده می‌شود.
اخیرا، شرکت شاهد افزایش علاقه به این نوع افزودنی‌ها برای طرح‌های زیست‌‌پایداری بوده‌ است. از آن‌‌جایی که شرکت‌های خودروسازی در حال تلاش برای سازگاری با محیط‌زیست و کاهش نیاز به مواد با منشا حیوانی در محصولات خود هستند، آن‌‌ها راه‌های جدیدی برای ایجاد کیفیت مطلوب در مواد بسپاری برای جایگزینی همتایان زیستی (organic) خود پیدا می‌کنند. برای مثال، چندین سازنده تجهیزات اصلی (OEM) به دنبال افزودنی سطحی هستند که بتواند حس لمسی بسپارها را تغییر دهد تا در لمس بیشتر شبیه چرم باشند. در حالی که این ابتکار از یک منبع زیست‌‌پایدار سرچشمه می‌گیرد، شرکت‌‌های OEM‌ کشف کرده‌‌اند که بسپارهای اصلاح شده سطحی می‌توانند هم عملکرد و هم شکل را بهبود بخشند، یک بهبود زیبایی ظاهری که به آن‌‌ها اجازه می‌دهد تا تحولات بعدی طراحی داخلی را با انعطاف بیشتری دنبال کنند.
شرکت شاهد این تمرکز برای تولیدکنندگان نمونه اولیه خودروهای خودران است، جایی که تاکید بیشتری بر این است که وسیله نقلیه مکان راحتی باشد. اصلاح سطح، دری را برای شرکت‌‌های  OEM‌باز می‌کند تا به طور گسترده‌‌ای از بسپارهای بازیافتی مانند پلی‌‌پروپیلن در جاهایی استفاده کنند که قبلا فقط اجازه استفاده از مواد نو یا ترکیبی از مواد بازیافتی و نو را داشتند. خودروهای لوکس می‌توانند به طور فزاینده‌ای از مواد بازیافتی استفاده کنند، اگر به درستی اصلاح شده باشند، حتی در پرمعرض‌‌ترین کاربردها مانند رودری­های خودرو.

شرکتEvonik ، سیلوکسان‌های اصلاح‌کننده آلی (OMS) را به شکل مایع و جامد عرضه می‌کند که برای تاثیرگذاری بر سطوح بسپاری بدون مهاجرت و روآیی (bloom) به سطح طراحی شده‌اند. Tegomer Anti Scratch L، Tegomer AntiScratch 100  و Tegomer H-Si 6441 P نمونه‌هایی از این افزودنی‌ها هستند که می‌توانند مقاومت طولانی مدت در برابر خراش در پلی‌‌الفین‌ها و بسپارهای مهندسی ایجاد کنند (شکل 3) و در عین حال از مهاجرت نیز جلوگیری کنند. به دلیل شیمی OMS، این افزودنی‌ها، اصطکاک و رفتگی قطعات بسپاری را نیز کاهش می‌دهند. به عنوان مثال، مواد  TPE-S  اکنون به عنوان کیسه هوا یا درزگیرها برای شیشه پنجره خودرو کاربرد دارند. افزودنی‌های اصلاح سطح شرکت Evonik  به تولیدکنندگان این امکان را می‌دهد تا ضریب اصطکاک را کاهش دهند، در حالی که از روآیی در طول عمر مواد جلوگیری می‌کنند. علاوه بر کنترل خواص لمسی، این فرایند می‌تواند استفاده از موم‌ها یا روغن‌های مرسوم را که در طول زمان مهاجرت می‌کنند به حداقل برساند.

Tegomer H-Si 6444 P آخرین محصول Evonik در این زمینه است. این افزودنی برای بهبود مقاومت در برابر خراش بسپارهای مهندسی مانند پلی‌‌آمید (PA)، پلی‌‌کربنات (PC)، پلی‌‌متیل متاکریلات (PMMA) و پلی‌‌بوتیلن ترفتالات (PBT)، و هم‌‌چنین لاستیک‌‌های گرمانرم (TPE‌) و پلی‌‌الفین‌ها طراحی شده است. هم‌‌چنین ضریب اصطکاک موادی مانند پلی‌‌یورتان گرمانرم (TPU) یا TPE را کاهش می‌دهد، می‌تواند شفافیت را در بسپارهایی مانند PMMA حفظ کند، ظاهر سطوح بسپاری حاوی الیاف شیشه مانند PP/GF یا PA/GF را بهبود بخشد و پراکنش پرکننده‌ها و رنگدانه‌‌ها را بهتر کند.

شکل 3: مهاجرت/روآیی Tegomer AntiScratch 100 OMS شرکت Evonik در آمیزه پلی‌‌پروپیلن در مقایسه با جایگزین‌‌های فعلی (آزمون VW PV 1306- تابش UV با شدت 5 ژول بر مترمربع به مدت 96 ساعت).

شرکت RTP متخصص آمیزه‌‌سازی، چندین آمیزه جدید محافظ سطحی را عرضه کرده است که به طور خاص برای بهبود سطح قطعات پلاستیکی با مقاومت در برابر خراش، پوسته ‌‌شدن (scuff) و خش افتادن (mar) فرمول‌‌بندی شده‌اند. این شرکت می‌گوید که قطعات قالب‌گیری شده با استفاده از آمیزه‌‌های محافظ سطحی خودش منجر به مردودی کیفیت کمتری در طول ساخت می‌شود، نیاز به پوشش‌های محافظ پرهزینه را حذف می‌‌کند و ظاهر سطح خوبی را در طول عمر قطعه حفظ می‌کند. کاربردها شامل کالاهای مصرفی، الکترونیک و قطعات خودرو است.

مزایای الیاف بلند

برگردان: دکتر فاطمه خودکار

(ادامه دارد …)

متن کامل این گفت و گو را در شماره 245 ماهنامه بسپار از گروه مجلات بسپار که در پایان اسفند ماه 1401 منتشر شده است، بخوانید.

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.