افزودنی های موثر در دمای نرم شدگی PVC

 

پلی وینیل کلراید (PVC)، یکی از ارزشمندترین ترموپلاستیک هاست که در طیف وسیعی از کاربردها استفاده می شود. این پلیمر به دلیل قیمت مناسب، فرآیندپذیری آسان، تنوع خواص فیزیکی و مکانیکی (از طریق اضافه کردن انواع افزودنی ها) و طول عمر بالا، در صنایع مختلفی مانند ساختمان، خودرو، تجهیزات پزشکی و بسته بندی کاربرد دارد. PVC در کنار ویژگی های فوق دارای مشکلاتی همچون حساسیت به نور UV (تغییر رنگ در اثر نور خورشید) و نقطه نرم شدگی پایین است که کاربری آن را در برخی از صنایع محدود می نماید. خوشبختانه این مشکلات می‌تواند با افزودن برخی از ترکیبات تا حدودی قابل حل است.

یکی از فاکتورهای مهم در خواص پلیمرها نقطۀ نرم شدگی است و به محدودۀ دمایی که در بالاتر از آن پلیمر نرم می‌شود، اطلاق می گردد. نقطۀ نرمی پلیمرها با دو فاکتور دمای نرم شدگی ویکت (Vicat softening point) و دمای تغییر شکل گرمایی (Heat distortion temperature) گزارش می شود. برای نشان دادن این خاصیت حرارتی در PVC، عمدتا از تست دمای نرم شدگی Vicat استفاده می کنیم.

مطابق شکل ۱، نمونۀ پلیمری را زیر سوزنی قرار می­ دهند که روی آن وزنه ای قرار دارد. این سیستم درون حمام مایعی قرار گرفته و دمای حمام به تدریج افزایش می­ یابد. دمایی که در آن سوزن به اندازه ۱mm در نمونه نفوذ کرده باشد، دمای نرمی Vicat و طی استانداردهای ASTM D 1525 و ISO 306 گزارش می‌شود.

شکل ۱: نمونه ای از یک دستگاه Vicat

 

همان طور که اشاره شد، به منظور دستیابی به خواص دلخواه فیزیکی، مکانیکی و حرارتی PVC از ترکیب کردن آن ها با برخی از افزودنی های موجود، تاثیر آن در بهبود دمای نرم شدگی PVC در ادامه بررسی می شود:

 

۱- تاثیر پر کننده ها: همان طور که در شکل ۲ مشاهده می شود، پرکننده هایی همچون کربنات کلسیم می تواند دمای نقطه نرم شدگی پلیمرها را بهبود می بخشند.

شکل ۲: تاثیر درصدهای مختلف CaCO3 بر نقطۀ نرم شدگی پلی وینیل کلراید [۱]

 

طبق این نمودار و داده های جدول ۱ می توان دریافت که افزایش میزان کلسیم کربنات، در کنار افزایش دمای Vicat پلیمر PVC، باعث کاهش استحکام کششی و کشیدگی در نقطه ی شکست این پلیمر می شود.

 

جدول ۱: تاثیر درصدهای مختلف CaCO3 بر خواص کششی پلی وینیل کلراید [۱]

CaCO3 (%)مدول الاستیک (MPa)استحکام کششی (MPa)ازدیاد طول در شکست (%)
۲۰۱٫۹۵۸۵۵٫۷۲۵۳٫۳۶
۲۵۲٫۱۱۵۵۲٫۴۷۵۱٫۲۸
۳۰۲٫۱۶۴۴۸٫۷۳۴۷٫۶۸
۳۵۲٫۲۴۹۴۶٫۴۷۴۲٫۱۸
۴۰۲٫۳۹۸۴۰٫۶۷۲۹٫۳۰

 

همچنین در شکل ۳، به منظور مقایسۀ تاثیر پرکننده های مختلف، تاثیر گریدها و سایزهای مختلف کربنات کلسیم و تالک بر HDT پلیمر PVC نشان داده شده است.

شکل ۳: تاثیر گریدها و سایزهای مختلف پرکننده بر نقطه نرم شدگی پلی وینیل کلراید [۲]

 

در نمودار فوق SP-FG کربنات غیر پوشش دار GCC با متوسط سایز ذرات ۳ میکرون، SPFG-C کربنات پوشش دار GCC با متوسط سایز ذرات ۸ میکرون، SM90 کربنات غیر پوشش دار GCC با متوسط سایز ذرات ۷ میکرون، PC100 کربنات غیر پوشش دار رسوبی PCC با متوسط سایز ۱ میکرون، NPCC کربنات رسوبی در ابعاد نانومتری و تالک بامتوسط سایز ۶ میکرون است. همان گونه که مشاهده می شود تالک در مقایسه با کربنات کلسیم تاثیر بیشتری بر روی خواص نرم شدگی PVC دارد.

 

۲- تاثیر واکس ها

واکس ها یکی از روان کننده های رایج در صنعت PVC هستند. در شکل ۴ تاثیر انواع واکس های شرکت Clarient بر دمای نقطۀ نرم شدگی PVC مشاهده میشود:

شکل ۴: تاثیر واکس های مختلف بر نقطه نرم شدگی PVC

 

واکس ها عمدتا باعث کاهش دمای نقطه نرم شدگی PVC می شوند. این اثر، متناسب با طول زنجیر واکس و گروه های عاملی واکس ها متفاوت است.

 

۳- افزودن جزء پلیمری با دمای نقطۀ نرم شدگی بالاتر به PVC: رویکردی موثرتر در افزایش دمای نرم شدگی محصولات پی وی سی، آلیاژ سازی آن با پلیمرهایی با دمای نقطۀ نرم شدگی بالاتر است. این پلیمرها باید از نقطه نظر قطبیت (پارامتر حلالیت) با PVC مشابهت داشته باشند تا در فرآیند آلیاژ سازی، اختلاط خوبی  حاصل شود. اختلاط مناسب در دستیابی به خواص مکانیکی و حرارتی بهتر نقش موثری دارد. این فاکتور باعث می شود تا در انتخاب پلیمرها به منظور آلیاژ سازی، طیف محدودی از پلیمرها قابل برگزیدن باشند که در ادامه به تعدادی از آنها اشاره می شود.

 

۱-۳- پلی الفا متیل استایرن کو­­اکریلو نیتریل: این پلیمر به عنوان بهبود دهنده ضربه به پی وی سی اضافه می شود، ضمن سازگاری مناسب با PVC  می تواند خصوصیاتی همچون دمای انتقال شیشه ای بالاتر و مقاومت ضربه ای بیشتر را بهPVC  بخشد. از طرف دیگر، مشکل این مخلوط آن است که اشکالات ناخواسته ای در فرآیند خوراک دهی، انبارداری و همچنین قیمت تمام شده بالا ایجاد می کند.

 

۲-۳- ABS دما بالا (High heat ABS): این پلیمر ترکیبی از استایرن، آکریلو نیتریل و رابر بوتادین بوده و در واقع کوپلیمری با خواص متناسبی از مقاومت ضربه، سختی، و قابلیت فرآیند پذیری است. کوپلیمر ABS بر خلاف کربنات کلسیم، در اختلاط با PVC می تواند خواص حرارتی آن را بدون تاثیر بر مقاومت ضربه ای افزایش می­دهد. از سوی دیگر، ترکیب بوتادین موجود در ABS در برابر گرما و نور UV ناپایدار است و به تدریج الاستیسیتۀ خود را از دست داده و در طول زمان، به مرور زرد می شود. در صورت اختلاط مناسب PVC با ABS ترکیبی حاصل می شود که هم زمان با بهبود نقطۀ نرم شدگی، مقاومت ضربه ای و چقرمگی را در مقایسه با PVC به طور قابل توجهی افزایش می دهد. این کامپاند، گزینۀ مناسبی برای ماتریس کامپوزیت های فیبرهای طبیعی با استحکام فوق العاده است. با این وجود، اضافه کردن ABS به PVC باعث کاهش مقاومت در برابرنور UV، پلیمرPVC  می‌شود. هنگامی که  این مخلوط پلیمری برای مدت زیادی خارج از منزل یا زیر نور افتاب به کار برده شود، زردی سطح یا زوال خواص اتفاق می­افتد.

 

۳-۳- اصلاح کننده های اکریلیکی: بهبود دهنده های ضربۀ اکریلیکی، کوپلیمرهایی با ساختار هسته و پوسته هستندکه به منظور افزایش استحکام ضربۀ PVC های سخت UPVC به فرمولاسیون اضافه می شوند. این ترکیبات پلیمری با وجود آن که مقاومت خوبی در برابر  UV دارند، اما نقطۀ نرم شدگی UPVC را اندکی کاهش می دهند. تاثیر برخی از نمونه های تجاری بهبود دهنده های ضربۀ اکریلیکی بر نقطۀ نرم شدگی PVC در جدول ۲ نشان داده شده است:

 

جدول ۲: اثر برخی نمونه های تجاری بهبود دهندۀ ضربۀ اکریلیکی بر نقطۀ نرم شدگی PVC

میزان افزودنی بهبود دهنده ضربه (Phr)گرید HL-56گرید HL-2005
۰۸۶۸۶
۸۹/۸۳۶/۸۴

 

۴-۳- اکریلونیتریل استایرن آکریلات (ASA): این پلیمر ترموپلاستیکی چند فازی است و ساختاری شبیه ABS دارد. اما مزیت اصلی آن در مقایسه با ABS این است که به جای فاز بوتادین حساس به UV موجود در ABS، حاوی لاستیک اکریلیکی است. این ماده علاوه بر فراهم سازی خواص ضربه پذیری PVC، در مقابل تخریب و زرد شدگی به شدت مقاوم است. از پوشش های لایه دار ASA/PVC اغلب برای محافظت رنگی PVC استفاده می­ شود. در شکل ۵، اثر افزودن درصدهای مختلف ASA در دمای تغییر شکل گرمایی HDT (دایره) و نقطۀ نرم شدگی Vicat (مربع) PVC مورد بررسی قرار گرفته است:

شکل ۵: اثر اختلاط ASA بر نقطۀ نرم شدگی پلی وینیل کلراید [۳]

 

در جدول ۳ نیز، اثر افزودنی ها مختلف بر برخی خواص فیزیکی و شیمیایی، مورد بررسی قرار گرفته اند:

 

 جدول ۳: اثر افزودنی ها مختلف بر برخی خواص فیزیکی و شیمیایی

نوع افزودنینقطه نرم شدگیمقاومت ضربه ایپایداری در برابر UVفرایند پذیری
پر کننده هاافزایش
واکس های روان کننده‌کاهشمناسب
پلی α-متیل استایرن کو اکریلو نیتریلافزایشنامناسب
اصلاح کننده های اکریلیکیکاهشافزایشدارد
ABSافزایشنداردخوب
ASAافزایشافزایشداردخوب

 

مراجع:

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *