آمیزه های پلی پروپیلن- الیاف شیشه (بخش دوم/ معرفی آمیزه پلی پروپیلن الیاف شیشه)

آمیزه های پلیمری بویژه آمیزه پلی پروپیلن الیاف شیشه، در زمینه های گسترده و متنوعی همچون خودروسازی، ساخت و ساز، لوازم ورزشی، لوازم خانگی و غیره استفاده می شوند. این محصولات به طور عمده به عنوان مواد جایگزین برای چوب، آلومینیوم و فولاد بیش از 50 سال است که مورد استفاده قرار می گیرند. مزایای آمیزه های پلیمری در مقایسه با مواد مرسوم شامل استحکام مکانیکی بالاتر، وزن کمتر، پایداری ابعادی بهتر، عایق الکتریسیته، مقاومت به خوردگی و سهولت طراحی می باشند [1]. آمیزه های پلی پروپیلن دارای ویژگی های منحصر به فرد مانند جریان پذیری، خواص مکانیکی، مقاومت در برابر شرایط محیطی نظیر رطوبت، مقاومت شیمیایی در برابر مواد خورنده و همچنین قیمت تمام شده پایین، هستند [1].

شکل 1 کاربرد آمیزه های پلیمری در صنایع مختلف [2].

خواص مکانیکی پلیمرها در بیشتر موارد به تنهایی پاسخگوی نیازهای صنعت و مشتریان نبوده و بنابراین نیاز با افزودنی هایی گوناگون جهت اصلاح و بهبود خواص مکانیکی و حرارتی احساس می شود. از این رو با پیشرفت صنعت پلیمر کامپاندهای مهندسی به بازار معرفی گردیدند که در حقیقت پلیمر اولیه را یا با پلیمرهای دیگر به عنوان مثال پلی پروپیلن و یک رابر (رابرها توانایی جذب انرژی و چقرمگی قطعه را افزایش می دهند) و یا با افزودنی هایی معدنی با استفاده از اکسترودرها، مخلوط می کنند. هر کدام از کامپاندهای پلیمری کاربرد مخصوص به خود را دارند که بر اساس نیاز مشتریان و قیمت تمام شده، مورد استفاده قرار می گیرند [1].

آمیزه های پلیمری از دو بخش ماتریس یا پایه پلیمری و فاز تقویت کننده تشکیل می شوند. ماتریس پایه پلیمری می تواند شامل پلیمرهای ترموپلاستیک (که بر اثر حرارت ذوب شده و قابلیت شکل دهی مجدد دارند) نظیر پلی اتیلن، پلی پروپیلن، پلی آمید و … باشد. در مقابل، فاز تقویت کننده در ترموپلاستیک ها شامل تقویت کننده های معدنی نظیر کلسیم کربنات، خاک رس (clay)، تالک، الیاف شیشه و … می باشد. حال پایه پلیمری با فراهم آوردن یک بستر پیرامون این تقویت کننده ها از طریق انتقال نیرو به آنها خواص مکانیکی را بهبود می دهد. به این ترتیب آمیزه های پلیمری با خواص مکانیکی و حرارتی بهبود یافته پاسخگوی نیازهای مشتریان هستند [1].

پلی‌ پروپیلن

پلی‌پروپیلن یک پلیمر ترموپلاست می‌باشد که در یک بازه گسترده از کاربردها شامل فیلم و ورق، قالب‌گیری دمشی، قالب‌گیری تزریقی، بسته‌ بندی مواد غذایی، نساجی، تجهیزات آزمایشگاهی و پزشکی، لوله، کاربردهای صنعتی و ساختمانی و اجزاء خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرد. علاوه بر این، پلیمر تولید شده از مونومر پلی پروپیلن به طور معمول در برابر حلال‌های شیمیایی، بازها و اسیدهای ملایم مقاوم می‌باشد. که مشخصه این پلیمر است [2].

پلی پروپیلن (PP) تجاری شده دارای خصوصیات متنوعی است که موجب کاربرد گسترده آن به خصوص در صنعت پلاستیک و الیاف شده است. یکی از مهم ترین خصوصیات این ماده نسبت به پلیمرهایی نظیر پلی آمیدها عدم جذب رطوبت آنها می‌باشد که آن را به عنوان گزینه‌ای مناسب برای بسیاری از کاربردها تبدیل کرده است. در شکل 2، کاربردهای متفاوت پلی پروپیلن در صنایع مختلف مشاهده می شود.

شکل 2 استفاده از پلی پروپیلن در کاربردهای مختلف [3].

پلی پروپیلن در مقایسه با دیگر پلیمرها مشخصات متمایز و برجسته‌ای دارد که عبارتند از :

-قیمت نسبتا ارزان مونومر پروپیلن در مقایسه با منومرهای دیگر پلیمرها

-قیمت پائین PP در مقایسه با دیگر پلیمرها

-قابل فر آوری به وسیله کلیه روش های گرمانرم ها

-ضریب اصطکاک کم

-عایق الکتریکی بسیار خوب

-دارای دمای عملیاتی تا 126 درجه سانتی گراد (دمای نرم شدگی حرارتی یا vicat)

-مقاومت شیمیایی بسیار خوب

-مقاومت خمشی بسیار خوب

-ضربه پذیری خوب

-مقاومت در برابر خستگی

-وزن مخصوص و سبک PP

-انعطاف پذیری و طیف گسترده تولید PP با خصوصیات فیزیکی و شیمیایی متغیر

-کاربرد PP در وسایل و تجهیزات پزشکی و توسعه کاربردهای PP گرید خاص

-قابلیت آلیاژ سازی با دیگر پلیمرها

-جایگزینی پلیمرهایی مانند PS، PE و غیره با PP

اگرچه، ساختار مولکول پلی پروپیلن به دلیل ماهیت کاتالیست‌های زیگلر – ناتا خطی می‌باشد که موجب پایین بودن استحکام مذاب آن می‌گردد. پایین بودن استحکام مذاب سبب محدودیت کاربرد این پلیمر در فرایندهایی نظیر قالب گیری دمشی و ترموفرمینگ می‌شود [2]. معایب کوپلیمرهای پلی پروپیلن شامل موارد زیر می باشد:

– پیوند پذیری و رنگ پذیری دشوار به علت ماهیت ناقطبی پلی پروپیلن

– قابلیت تخریب بر اثر تشعشع ماورای بنفش

– مقاومت ضعیف در مقابل عوامل جدی

– قابل اشتعال

– حساس بودن در مقابل حلالهای کلر دار و آرو ماتیک

– تشدیدی شکنندگی ناشی از اکسیداسیون بعضی از فلزات

-پایداری ابعادی متوسط

خصوصیات این ماده را می‌توان با انجام برخی اصلاحات بهبود داد. مهم ترین اصلاحاتی که در حال حاضر انجام می‌گیرد عبارتند از کنترل فرایند تخریب، شبکه‌ای کردن، عامل دار نمودن و شاخه دار کردن. در زیر به برخی از راهکارها برای بهبود خواص پلی پروپیلن اشاره خواهد شد.

راهکار های اصلاح و بهبود خواص پلی‌پروپیلن

1- استفاده از کوپولیمرهای  پلی‌پروپیلن

2-آمیزه سازی پلی‌پروپیلن

کوپولیمرهای پلی پروپیلن

پلیمر پلی‌پروپیلن به طور کلی به دو دسته کلی تقسیم می‌شود. پلی‌پروپیلن هموپلیمر که از پلیمریزاسیون مونومر پروپیلن به تنهایی تولید می‌شود و پلی‌پروپیلن کوپلیمر که از پلیمریزاسیون پروپیلن به همراه کومونومر اتیلن تولید می‌شود [2].

از نقطه نظر خواص فیزیکی و مکانیکی، تفاوت پلی‌پروپیلن هموپلیمر و کوپلیمر در مقاومت ضربه‌ای، استحکام کششی و سختی است. پلی‌پروپیلن هموپلیمر با اینکه استحکام کششی و سختی بالاتری نسبت به پلی‌پروپیلن کوپلیمر دارد ولی نقطه ضعف اصلی آن مقاومت ضربه‌ای آن است. در واقع پلی‌پروپیلن هموپلیمر شکننده‌تر از پلی‌پروپیلن کوپلیمر است. این ضعف بیشتر در دماهای پایین و به ویژه زیر صفر خود را نشان می‌دهد. به همین جهت کاربرد پلی‌پروپیلن هموپلیمر در تولید قطعات تزریقی که در معرض ضربه و دمای پایین قرار می‌گیرند، به شدت محدود است. برای رفع این نقطه ضعف با افزودن مونومر اتیلن در حین پلیمریزاسیون پروپیلن، کوپلیمر پلی‌پروپیلن تولید شده است. پلی‌پروپیلن کوپلیمر مقاومت ضربه‌ای بالاتری نسبت به پلی‌پروپیلن هموپلیمر دارد. با تنظیم مقدار اتیلن اضافه شده به ساختار پلیمر، تنظیم مورفولوژی کوپلیمر، تنظیم نوع کریستالیزاسیون و همچنین تنظیم وزن مولکولی، می‌توان میزان مقاومت ضربه‌ای را تنظیم و تا حد خوبی بالا برد. البته باید توجه داشت که بالا بردن مقاومت ضربه‌ای پلی‌پروپیلن به قیمت کاهش سختی و سفتی پلیمر انجام می شود[2].

اضافه کردن اتیلن به ساختار پلی‌پروپیلن حین پلیمریزاسیون پروپیلن، نظم ساختاری پلی‌پروپیلن را کاهش می‌دهد. کاهش نظم ساختاری هم به نوبه خود باعث کاهش میزان تبلور (کریستالیزاسیون) پلی‌پروپیلن می‌شود. با توجه به ساختار شکننده بلورها، دلیل افزایش مقاومت ضربه‌ای پلی‌پروپیلن کوپلیمر نسبت به پلی‌پروپیلن هموپلیمر کاهش بلورینگی است. پلی‌پروپیلن کوپلیمر خود نیز به دو دسته کوپلیمر بلاک (Block) و رندوم (Random) تقسیم می‌شود [2].

شکل 3 نمایی از انواع کوپلیمرهای پلی پروپیلن و پلی اتیلن [1]

در پلی‌پروپیلن بلاک کوپلیمر بخش‌های اتیلنی در بین بخش‌های پروپیلن در طول زنجیره پلیمری قرار دارند، در حالی که در پلی‌پروپیلن رندوم کوپلیمر مونومرهای اتیلن به صورت نامنظم و جدا از هم در طول زنجیره پلیمر قرار دارند. این ویژگی باعث می‌شود که اندازه ذرات اتیلن در ساختار پلیمر بسیار کوچک شده و باعث پراش نور نمی‌شود، به همین جهت این نوع کوپلیمر شفاف است. برای افزایش شفافیت در پلی‌پروپیلن رندوم کوپلیمر از عوامل هسته‌زا نیز استفاده می‌شود. عوامل هسته‌زا باعث توزیع شدن یکنواخت کریستال‌های پلی‌پروپیلن و در نتیجه ریزتر شدن آن‌ها می‌شود. بنابراین کریستال‌های ایجاد شده باعث تفرق نور نمی‌شوند و پلیمر شفاف دیده می‌شود. در پلی‌پروپیلن بلاک کوپلیمر، تفاوت ضریب شکست نور در نواحی پروپیلنی و نواحی اتیلنی باعث پخش شدن نور و در نتیجه مات شدن پلیمر می‌شود. بنابراین این نوع پلی‌پروپیلن را به سادگی می‌توان از روی ظاهر آن از دیگر انواع پلی‌پروپیلن تشخیص داد [2].

به لحاظ مقاومت مکانیکی، پلی‌پروپیلن بلاک کوپلیمر مقاومت ضربه‌ای بالاتری نسبت به پلی‌پروپیلن رندوم کوپلیمر دارد. دلیل این امر آن است که انرژی ضربه در بین بخش‌های اتیلنی و پروپیلنی میرا می‌گردد.

ویژگی های آمیزه پلی پروپیلن الیاف شیشه:

بر طبق توضیحات گفته شده پلی پروپیلن ها دارای معایبی هستند که حتی با تهیه کوپلیمرهای با گریدهای مختلف برطرف نمی شوند. از جمله این خواص مدول کشسانی و پایداری ابعادی و غیره اشاره نمود. به همین دلیل، صنعتگران رو به استفاده از آمیزه های پلی پروپیلن آورده اند که از مواد معدنی نظیر کربنات کلسیم، تالک و الیاف شیشه به عنوان تقویت کننده استفاده می شود. در ادامه به معرفی آمیزه پلی پروپیلن الیاف شیشه و مزایای آن ها می پردازیم [3].

در مقاله پیشین (معرفی الیاف شیشه) به طور مبسوط درباره خواص و ویژگی های الیاف شیشه صحبت شده است. به طور کلی مزایای آمیزه های پلی پروپیلن و الیاف شیشه شامل موارد زیر می باشد:

-جریان پذیری مناسب در هنگام شکل دهی

-مقاومت در برابر شرایط محیطی نظیر رطوبت

-پایداری ابعادی بالا

– چقرمگی یا جذب انرژی

– مدول کشسانی و  مقاومت خزشی بالا

– ضریب انبساط حرارتی پایین

– مقاومت عالی در برابر مواد شیمیایی خورنده نظیر اسیدها(به علت ساختار شمیایی اشباع و ناقطبی)

– قیمت تمام شده پایین

در بین آمیزه های پلی پروپیلن که می تواند با تقویت کننده های گوناگونی از جمله کربنات کلسیم، تالک و الیاف شیشه تهیه شود، آمیزه های پلی پروپیلن و الیاف شیشه دارای برتری و مزایای قابل توجهی می باشند [3]. علت این امر در ساختار ویژه الیاف شیشه کوتاه به کار رفته در این آمیزه ها است. کربنات کلسیم به صورت کره های توپر می باشد (particles) و خاک رس به صورت صفحات مشبک (flakes) بوده در حالی که الیاف شیشه به صورت رشته (fiber composites) دارای نسبت طول به قطر بالا  و ساختار معدنی خاصی بوده که سبب خواص مکانیکی  بالاتر در آمیزه های پلی پروپیلن می شوند [4]. در شکل 4 زیر نمایی از انواع آمیزه های پلی پروپیلن را مشاهده می کنیم:

شکل 4 نمایی از انواع آمیزه های پلی پروپیلن [1]

گردآورنده: رسول ریزان/ جمال الدین شاکری

منابع

1. COMPOSITES MANUFACTURING; MATERIALS, PRODUCT, AND PROCESS ENGINEERING.SANJAY

2. https://pimw.ir/what-is-polypropylene/

3. https://www.industriaminera.cl/producto/petroquim-sa-uses-for-polypropylene/

4. Advances in POLYOLEFIN COMPOSITES,Vikas Mittal

در بخش های بعد با خواص مکانیکی و حرارتی آمیزه های پلی پروپیلن و الیاف شیشه بیشتر آشنا می شویم