تخریب پلیمر

شركت توليدی لوله و اتصالات پلی اتيلن سمنان

تخریب پلیمر یکی از مباحث با اهمیت از علم و تکنولوژی پلیمر است که از دو دهه گذشته به طور فزاینده ای مورد توجه قرار گرفته است. کسب اطلاعات دقیق پیرامون مکانیسم های درگیر در تخریب پلیمرها، به تعیین شرایط مناسب برای تولید، شکل دهی و بهره برداری از این مواد و همچنین پیدا کردن […]

شما اینجا هستید:
تخریب پلیمر

تخریب پلیمر یکی از مباحث با اهمیت از علم و تکنولوژی پلیمر است که از دو دهه گذشته به طور فزاینده ای مورد توجه قرار گرفته است. کسب اطلاعات دقیق پیرامون مکانیسم های درگیر در تخریب پلیمرها، به تعیین شرایط مناسب برای تولید، شکل دهی و بهره برداری از این مواد و همچنین پیدا کردن راه هایی برای طولانی تر کردن عمر مفید پلیمرها کمک می کند و علاوه بر این از فرایندهای تخریبی استفاده های مثبتی نیز به عمل خواهد آمد.
تخریب پلیمرها از دیرباز مورد شناخت بوده است. از بین رفتن سلولز در چوب، لاستیک در تایر ماشین، ترک خوردن و زرد شدن فیلم های نقاشی از معدود مثال هایی هستند که می توان نام برد. انواع فرایندهای تخریبی بسته به تاریخچه ساخت، ساختار و شرایط محیطی که یک پلیمر در آن مورد استفاده قرار می گیرد، متفاوت است. همه این موارد نقش مکمل را در کنترل مرحله تعیین کننده سرعت کلی تخریب ایفاء می کنند. با ورود ترموپلاستیک های مصنوعی نوین، به دلیل تفاوت در نوع تخریب، مباحث جدیدی مطرح گردید. به طور مثال در حالیکه PMMA در دمای بالا تقریباً %۱۰۰ به مونومر واپلیمریزه می شود، PVC با یک مکانیزم سلسله وار تخریب شده و تولید مواد پلیمری سیر نشده و بخارات اسید کلریدریک می کند.
در ابتدا انواع فرایندهای تخریبی را که پلیمرها در حین مصرف روزمره متحمل آن می شوند، به طور مختصر مورد بررسی قرار می دهیم که عبارتند از:
۱- تخریب حرارتی: این نوع تخریب هنگام فرایندکردن و یا به کارگیری پلیمرها در دمای بالا رخ می دهد و ممکن است با اکسایش توأم بوده و یا اینکه بدون دخالت اکسیژن صورت پذیرد.
۲- تخریب مکانیکی: این نوع تخریب بر اثر وارد شدن نیرو و شکست فیزیکی رخ می دهد. در این حالت گسست زنجیری نیز ممکن است اتفاق بیفتد.
۳- تخریب با امواج مافوق صوت: استفاده از صوت با فرکانس های خاص می تواند باعث شود که زنجیرهای یک پلیمر مرتعش شده و پاره شوند.
۴- تخریب با آب (تخریب هیدرولیکی): این فرایند در پلیمرهایی رخ می دهد که دارای گروه¬های فعال حساس به آب می باشند، به ویژه آنهایی که رطوبت زیادی به خود می گیرند.
۵- تخریب شیمیایی: در این مورد مواد شیمیایی خورنده و یا گاز هایی نظیر اکسیژن و ازن می توانند به ساختار یک پلیمر حمله نموده و باعث پاره شدن زنجیر مولکولی و اکسایش آن شوند.
۶- زیست تخریب شدن: این نوع تخریب فقط ویژه معدودی از پلیمرها است که حاوی گروه¬های فعالی هستند که توسط موجودات ذره بینی مورد حمله قرار می گیرند.
۷- تخریب با تشعشع: در برابر نور خورشید و یا تشعشعات پر انرژی، پلیمر و یا ناخالصی¬های موجود در آن اشعه را جذب و موجب واکنش هایی شده که منجر به افت خواص می شود. در مورد تشعشعات پر انرژی، زنجیر های مولکولی پلیمر مستقیماً پاره میشوند. از بین این فرایندها، تخریب حرارتی و تشعشعی از مهمترین انواع تخریب هستند که در اکثر موارد اتفاق می افتد. در این مقاله تخریب تشعشعی را مورد بررسی قرار می دهیم.
تغییرات خواص در فرایند تخریب:
تغییراتی که در یک پلیمر هنگام تخریب شدن رخ می دهد، بسته به نوع فرایند تخریبی به راه های متعددی آشکار می شوند. تغییرات خواص را می توان به انواع فیزیکی و شیمیایی دسته بندی نمود.
فیزیکی: کاهش در (وزن ملکولی، مقاومت به کشش، مقاومت به ضربه و ازدیاد طول در نقطه پارگی)، افت شفافیت (رنگ ها) و سائیدگی سطح.
شیمیایی: تغییر در ساختمان شیمیایی، به وجود آمدن عوامل فعالی نظیر گروه های سیر نشده، هیدروکسیل ها، کربونیل و هیدرو پراکسیدها که می توانند موجب افت خواص الکتریکی پلیمر شوند.

تخریب با تشعشع
مقدمه ای بر شرایط جوّی
تماس طولانی در معرض نور خورشید منجر به تخریب مواد پلاستیکی می شود. معمولاً اشعه نور ماوراء بنفشUV))، غیر قابل رویت است و با طول موج کوتاه شناسایی می شود. فرایند تخریب نوری به طور معمول، منتج به شکستن زنجیرهای پلیمری می شود.
این تخریب معمولاً باعث کاهش شدید خواص مکانیکی، تغییر رنگ یا سفید شدگی قسمت سطحی می شود. به طور مثال فیلم ها انعطاف پذیری خود را از دست می دهند و متلاشی می شوند و صندلی های استادیوم ورزشی حالت سفید شدگی و گچی شدن پیدا می کنند. به منظور محدود کردن یا به تعویق انداختن شروع تخریب، انواع مختلفی از پایدار کننده هایUV را می توان به پلیمر اضافه کرد.
از مهم ترین پایدارکننده هایی که برای پوشاندن اثر مخرب UV کاربرد دارند، می توان جاذب های نوری مثل Benzophenemenes و یا ذرات کوچک پراکنده مثل دوده و یا رنگدانه های معدنی نام برد.
انواع دیگر پایدارکننده های موثر عبارتند از:UV Quenchers و HALS (Hindered Amine Light Stabilizer).
برای ارزیابی پایداری یک ماده پلیمری در برابر نور خورشید یا عملکرد یک پایدار کننده، انتخاب روش آزمون مناسب، بسیار مهم است. علاوه بر انعکاس طبیعی مناسب، برای انجام این عملکرد به زمان طولانی نیاز است. برای کاهش زمان، تست جوی مصنوعی با استفاده از منابع نوری مانند قوس زنون و یا لامپ فلورسنت تحت شرایط دما و رطوبت کنترل شده، در چند سال اخیر توسعه پیدا کرده است.

شکل ۱) طیف ماوراء بنفش و اشعه خورشیدی

طیف خورشیدی، طیف گسترده اشعه از جمله: طول موج کوتاهUV ، نور مرئی و همچنین اشعه مادون قرمز را، پوشش می دهد.
اجزای اشعه خورشید:
اشعه UV تنها شامل %۶/۴ طیف خورشیدی است. اما همین مقدار کم، بیشترین آسیب را به مواد پلیمری می رساند. طیف کلی اشعۀ خورشیدی در محدوده بین ۲۸۰ تا ۴۰۰ نانومتر است، اما بخشی از تهاجمی ترین محدوده، UVB در محدوده ای با طول موج بسیار کوتاه ۲۸۰ تا ۳۱۵ نانومتر است.

شکل۲) اجزاء اشعه خورشید
انرژی اشعه خورشید:
میزان انرژی تابشی یک منطقه خاص در دوره زمانی معین که با یکی از واحد های BW*s /m2و یا Joule/m2 و یا اغلب اوقات با (LY) Longley، (واحد تشعشع خورشید، مساوی یک گرم کالری در هر سانتی متر مربع از سطح غیر متشعشع)، نشان داده می شود.
۱ LY = 1 cal/cm2 = 4.184 E4 Joule/m2
به طور مثال تابش کلی برای قرار گرفتن در معرض فضای باز ظرف مدت سه سال در ایران برابر است با:
(مطابق جدول شماره۱) KLy180 :تابش نور خورشید سالیانه در ایران
KLy540 =180× ۳ :میزان تابش نور خورشید طی سه سال
میزان تابش نور خورشید سالانه (KLy/Year) برای کشورهای مختلف در جدول ۱ آمده است. این میزان تابش مربوط به میزان انرژی تابشی است که می تواند پس از یک سال قرار گرفتن مداوم در فضای باز، به مواد پلاستیکی منتقل شود.

جدول۱) میانگین انرژی اشعه خورشید برخی کشورها بر حسب KLy

مقادیر این جدول تقریبی بوده و مطابق شکل ۳ در کشورهای خاص (کشورهای پهناور مانند ایران) میزان تشعشع یک منطقه به نسبت مناطق دیگر می تواند به میزان قابل توجهی متفاوت باشد.

شکل۳) انرژی تابش سراسر جهان بر حسب سالKLy/

پایدار کننده های نوری برای مواد پلاستیکی:
۱) جاذب UV
جاذب UV، اشعه مضر UV را به اشعه بی ضرر مادون قرمز یا انرژی حرارتی تبدیل می کند که از طریق ماتریس پلیمری پراکنده می شوند. این مواد می توانند به صورت شفاف و یا مات باشند.
الف) کربن سیاه (CB)
CB یکی از موثرترین و گسترده ترین جاذب نور است. تاًثیر آن به عنوان جاذب UV در درجه اول عمدتاً به میزان بارگزاری و اندازه ذرات و ساختار آن بستگی دارد. ذرات CB بر اساس ریزی اندازه ذرات، سطح بیشتری را نسبت به گرید درشت تر در بر می گیرند و از این رو عملکرد بهتری در برابر اشعه UV دارند.

شکل ۴) تاًثیر سایز کربن سیاه بر روی عملکرد هوازدگی
میزان بارگزاری مناسب به ضخامت قطعه، شرایط قرار گرفتن در معرض نور خورشید و نوع کربن سیاه بستگی دارد. معمولاً میزان دوده برای بهره مند شدن از بهینه حفاظت در برابر اشعه خورشیدی بین ۲ تا ۳ درصد (باید توجه داشت که این میزان دوده با ۴ تا ۷ درصد مستربچ تأمین می شود) متغیر است.
ویژگی جذب قوی نور خورشید و کدری بالای کربن سیاه آنرا به مقرون به صرفه ترین جاذب UVتبدیل کرده است.

شکل۵) تأثیر میزان دوده بر روی عملکرد هوازدگی
از کاربرد های کربن سیاه به عنوان پایدارکننده UV در پلاستیک ها، می توان از استفاده در سطح خارجی لوله، فیلم های کشاورزی پلی اولفینی، آستر حوضچه، قطعات خودرو و سطح خارجی روکش کابل (PE …، PVC) نام برد.
ب) دی اکسید تیتانیوم (Tio2)
رنگدانه های خاص مانند دی اکسید تیتانیوم، جاذب نور UV در محدوده ۳۰۰ تا ۴۰۰ نانومتر می باشند. معمولاً از Tio2 با شرایط پوشش دهی مناسب برای حفاظت از پلیمر استفاده می کنند.
پ) هیدروکسی بنزو فنول
این نوع جاذب UV، برای کاربرد های طبیعی و شفاف مناسب می باشد. برای فراهم کردن حفاظت خوب مواد پلاستیکی در برابر اشعه UV باید تا یک عمق مشخص جذب صورت پذیرد. این جاذب در مواردی با ضخامت کم، مانند فیلم ها (زیر۱۰۰ میکرون)، الیاف و لوله های تیپ کارآمد نمی باشد.
۲) Quenchers
این نوع پایدارکننده هایUV با بوجود آوردن حالت برانگیختگی مولکول های پلیمری، و جلوگیری از شکست زنجیر و در نهایت تشکیل رادیکال آزاد، به حالت پایدار می رسند. برای مثال پایدار کننده های نیکل، نوعی Quenchers هستند که در فیلم های کشاورزی کاربرد دارند.

۳) Hindered Amine Light Stabilizer (HALS)
این نوع پایدار کننده های UV رنگ مواد پلاستیکی را تغییر نداده و بسیار کارآمد می باشند. همچنین در هر دو مقطع نازک و ضخیم کاربرد دارند. HALS با جذب اشعهUV فعال نمی شود، بلکه از طریق واکنش با رادیکال هایی که شکل می¬گیرد علاوه بر نورUV ، واکنش تخریب در حضور مواد شیمیایی (آفت کش ها، حشره کش ها، مواد شیمیایی، اسیدی و … ) را نیز کاهش می دهد.

منابع:
۱) WWW.CABOT-CORP/Plastics
۲) GABRIEL-CHEMIE GROUP

ارسال یک نظر