افزودنی‌های مؤثر در دمای نرم‌شدگی PVC

    پلی‌وینیل کلراید (PVC)، یکی از ارزشمندترین ترموپلاستیک‌هاست که در طیف وسیعی از کاربردها استفاده می‌شود. این پلیمر به‌دلیل قیمت مناسب، فرآیندپذیری آسان، تنوع خواص فیزیکی و مکانیکی (از طریق اضافه کردن انواع افزودنی‌ها) و طول عمر بالا، در صنایع مختلفی مانند ساختمان، خودرو، تجهیزات پزشکی و بسته‌بندی کاربرد دارد. PVC در کنار ویژگی‌های فوق، دارای مشکلاتی هم‌چون حساسیت به نور UV (تغییر رنگ در اثر نور خورشید) و نقطه نرم‌شدگی پایین است که کاربری آن را در برخی از صنایع محدود می‌نماید. خوش‌بختانه این مشکلات می‌تواند با افزودن برخی از ترکیبات تا حدودی قابل حل باشد.

    یکی از فاکتورهای مهم در خواص پلیمرها نقطه نرم شدگی است و به محدوده دمایی که در بالاتر از آن پلیمر نرم می‌شود، اطلاق می‌گردد. نقطه نرمی پلیمرها با دو فاکتور دمای نرم‌شدگی ویکت (Vicat softening point) و دمای تغییر شکل گرمایی (Heat distortion temperature) گزارش می‌شود. برای نشان دادن این خاصیت حرارتی در PVC، عمدتاً از تست دمای نرم شدگی Vicat استفاده می‌کنیم.

    مطابق شکل 1، نمونه پلیمری را زیر سوزنی قرار می­‌دهند که روی آن وزنه‌ای قرار دارد. این سیستم درون حمام مایعی قرار گرفته و دمای حمام به‌تدریج افزایش می­‌یابد. دمایی که در آن سوزن به‌اندازه 1mm در نمونه نفوذ کرده باشد، دمای نرمی Vicat و طی استانداردهای ASTM D 1525 و ISO 306 گزارش می‌شود.

شکل 1. نمونه‌ای از یک دستگاه Vicat

    همان‌طور که اشاره شد، به‌منظور دست‌یابی به خواص دل‌خواه فیزیکی، مکانیکی و حرارتی PVC از ترکیب کردن آنها با برخی از افزودنی‌های موجود، تأثیر آن در بهبود دمای نرم‌شدگی PVC در ادامه بررسی می‌شود.

    1- تأثیر پرکننده‌ها: همان‌طور که در شکل 2 مشاهده می‌شود، پرکننده‌هایی هم‌چون کربنات کلسیم می‌تواند دمای نقطه نرم‌شدگی پلیمرها را بهبود بخشد.

شکل 2. تأثیر درصدهای مختلف CaCO₃ بر نقطه نرم‌شدگی پلی‌وینیل کلراید [1]

    طبق این نمودار و داده‌های جدول 1 می‌توان دریافت که افزایش میزان کلسیم کربنات، در کنار افزایش دمای Vicat پلیمر PVC، باعث کاهش استحکام کششی و کشیدگی در نقطه‌ی شکست این پلیمر می‌شود.

جدول 1: تأثیر درصدهای مختلف CaCO₃ بر خواص کششی پلی‌وینیل کلراید [1]

    هم‌چنین در شکل 3، به‌منظور مقایسه تأثیر پرکننده‌های مختلف، تأثیر گریدها و سایزهای مختلف کربنات کلسیم و تالک بر HDT پلیمر PVC نشان داده شده است.

شکل 3. تأثیر گریدها و سایزهای مختلف پرکننده بر نقطه نرم‌شدگی پلی‌وینیل کلراید [2]

    در نمودار فوق SP-FG کربنات غیر پوشش‌دار GCC با متوسط سایز ذرات 3 میکرون، SPFG-C کربنات پوشش‌دار GCC با متوسط سایز ذرات 8 میکرون، SM90 کربنات غیر پوشش‌دار GCC با متوسط سایز ذرات 7 میکرون، PC100 کربنات غیر پوشش‌دار رسوبی PCC با متوسط سایز 1 میکرون، NPCC کربنات رسوبی در ابعاد نانومتری و تالک با متوسط سایز 6 میکرون است. همان‌گونه که مشاهده می‌شود تالک در مقایسه با کربنات کلسیم تأثیر بیش‌تری بر روی خواص نرم‌شدگی PVC دارد.

    2- تأثیر واکس‌ها: واکس‌ها یکی از روان‌کننده‌های رایج در صنعت PVC هستند. در شکل 4 تأثیر انواع واکس‌های شرکت Clarient بر دمای نقطه نرم‌شدگی PVC مشاهده می‌شود.

شکل 4: تأثیر واکس‌های مختلف بر نقطه نرم‌شدگی PVC

    واکس‌ها عمدتاً باعث کاهش دمای نقطه نرم‌شدگی PVC می‌شوند. این اثر متناسب با طول زنجیر واکس و گروه‌های عاملی واکس‌ها متفاوت است.

    3- افزودن جزء پلیمری با دمای نقطه نرم‌شدگی بالاتر به PVC: رویکردی مؤثرتر در افزایش دمای نرم‌شدگی محصولات پی وی سی، آلیاژسازی آن با پلیمرهایی با دمای نقطه نرم‌شدگی بالاتر است. این پلیمرها باید از نقطه نظر قطبیت (پارامتر حلالیت) با PVC مشابهت داشته باشند تا در فرآیند آلیاژسازی، اختلاط خوبی حاصل شود. اختلاط مناسب در دست‌یابی به خواص مکانیکی و حرارتی بهتر نقش مأثری دارد. این فاکتور باعث می‌شود تا در انتخاب پلیمرها به‌منظور آلیاژسازی، طیف محدودی از پلیمرها قابل برگزیدن باشند که در ادامه به تعدادی از آنها اشاره می‌شود.

    1-3- پلی‌الفا متیل استایرن کو­­اکریلو نیتریل: این پلیمر به‌عنوان بهبوددهنده ضربه به پی وی سی اضافه می‌شود، ضمن سازگاری مناسب با PVC می‌تواند خصوصیاتی هم‌چون دمای انتقال شیشه‌ای بالاتر و مقاومت ضربه‌ای بیش‌تر را به PVC ببخشد. از طرف دیگر، مشکل این مخلوط آن است که اشکالات ناخواسته‌ای در فرآیند خوراک‌دهی، انبارداری و هم‌چنین قیمت تمام‌شده بالا ایجاد می‌کند.

    2-3- 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 فرآیندپذیری است. کوپلیمر ABS بر خلاف کربنات کلسیم، در اختلاط با PVC می‌تواند خواص حرارتی آن را بدون تأثیر بر مقاومت ضربه‌ای افزایش ­‎‌دهد. از سوی دیگر، ترکیب بوتادین موجود در ABS در برابر گرما و نور UV ناپایدار است و به‌تدریج الاستیسیته خود را از دست داده و در طول زمان، به‌مرور زرد می‌شود. در صورت اختلاط مناسب PVC با ABS، ترکیبی حاصل می‌شود که هم‌زمان با بهبود نقطه نرم‌شدگی، مقاومت ضربه‌ای و چقرمگی را در مقایسه با PVC به‌طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. این کامپاند گزینه مناسبی برای ماتریس کامپوزیت‌های فیبرهای طبیعی با استحکام فوق العاده است. با این وجود، اضافه کردن ABS به PVC باعث کاهش مقاومت در برابر نور UV پلیمر PVC می‌شود. هنگامی که این مخلوط پلیمری برای مدت زیادی خارج از منزل یا زیر نور آفتاب به‌کار برده شود، زردی سطح یا زوال خواص اتفاق می‌­افتد.

    3-3- اصلاح‌کننده‌های اکریلیکی: بهبوددهنده‌های ضربه اکریلیکی، کوپلیمرهایی با ساختار هسته و پوسته هستند که به‌منظور افزایش استحکام ضربه PVCهای سخت (UPVC) به فرمولاسیون اضافه می‌شوند. این ترکیبات پلیمری با وجود آن که مقاومت خوبی در برابر UV دارند، اما نقطه نرم‌شدگی UPVC را اندکی کاهش می‌دهند. تأثیر برخی از نمونه‌های تجاری بهبوددهنده‌های ضربه اکریلیکی بر نقطه نرم‌شدگی PVC در جدول 2 نشان داده شده است.

جدول 2. اثر برخی نمونه‌های تجاری بهبوددهنده ضربه اکریلیکی بر نقطه نرم‌شدگی PVC

    4-3- 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 به‌جای فاز بوتادین حساس به UV موجود در ABS، حاوی لاستیک اکریلیکی است. این ماده علاوه بر فراهم‌سازی خواص ضربه‌پذیری PVC، در مقابل تخریب و زردشدگی به‌شدت مقاوم است. از پوشش‌های لایه‌دار ASA/PVC اغلب برای محافظت رنگی PVC استفاده می­‌شود. در شکل 5 اثر افزودن درصدهای مختلف ASA در دمای تغییر شکل گرمایی HDT (دایره) و نقطه نرم‌شدگی Vicat (مربع) PVC مورد بررسی قرار گرفته است.

شکل 5. اثر اختلاط ASA بر نقطه نرم‌شدگی پلی‌وینیل کلراید [3]

    در جدول 3 نیز اثر افزودنی‌های مختلف بر برخی خواص فیزیکی و شیمیایی مورد بررسی قرار گرفته‌ است.

 جدول 3. اثر افزودنی‌های مختلف بر برخی خواص فیزیکی و شیمیایی

مراجع