پیرشدگی پلیمرها

امـروزه در بسـیاری از کاربردهـای مهندسـی بـه ترکیبی از خواص مختلف فیزیکی، مکانیکی و حرارتی نیاز اسـت اما امـکان به کار گیری از یـک نـوع مـاده کـه همه خـواص مطلوب را ایجاد نماید عملا وجود نـدارد. بـه عنوان مثـال در صنعت خودروسازی نظیر تولید داشبورد به کامپاندی نیاز اسـت که ضمن داشـتن اسـتحکام کششی مناسب و ضدخش بودن، مقاومـت ضربه و مقاومت در برابـر شرایط جوی نظیر نورخوشید (UV) را به خوبی داشـته باشـند و در دمای بـالا، اسـتحکام خود را از دسـت ندهند. از آن جایـی که نمی توان مـاده ای یافـت کـه همـه خـواص مزبور را در عین واحد دارا باشـد، بایـد بـه دنبـال روشـی بـرای ترکیـب خـواص مـواد بـود. این تکنیک، آمیزه سازی پلیمر نامیده می شود. کامپاندهای پلیمری عمدتا شـامل یک یـا چند فـاز غیرپیوسـته (دیسپرس) در یـک فاز پیوسـته (ماتریس) می باشند. فـاز غیرپیوسـته معمـولاً قوی تـر از فـاز پیوسـته اسـت. لـذا به آن فـاز تقویت کننـده گفته می شـود ماننـد الیاف، پرکننده هـای نانـورس، نانوتیوب های کربنی، گرافـن و غیره.

اغلب درگسـتره کاربـرد کامپاندهای پلیمری مشـکلات عدیده ای مربوط به پایداری و دوام آن ها مشـاهده می گردد. به ویژه بـا توجه بـه این که دوام ایـن مواد در بدترین شـرایط اسـتفاده طولانی مـدت، 10 یا حتی 40 سـال اسـت. این مشـکلات مرتبط بـا شـرایط محیطی مورد اسـتفاده و نوع اسـتفاده (شـامل نگهـداری، تعمیـر و اصلاح) می باشد. پایداری و دوام هـر نمونـه، مقصد اصلی در اقتصـاد صنایع مختلف اسـت. در برخـی موارد، تنهـا مدت کوتاهی پـس از قـرار گرفتـن در شـرایط نامسـاعد محیطـی، نقص فاجعه بار در پیوسـتگی سـاختاری نمونه ظاهر می گردد. پیرشـدگی امروزه از چالش های اساسـی در کاربردهایی نظیر عایق های پلیمری اسـت. موضـوع اصلی در پیرشـدگی شامل پیش بینـی چگونگـی، زمـان و سـرعت رخ دادن نقـص و همچنیـن شـرایطی اسـت کـه می توانـد منجـر بـه ایجـاد نقص گردد و عـلاوه بـر موارد یـاد شـده، تعییـن میانگین عمـر مفید بـرای عایـق های پلیمری اسـت.

مفهوم پیرشدگی پلیمرها

پیرشدگی اصطلاحی است که در بسیاری از شاخه های علوم و مهندسی پلیمر هنگامی که خصوصیات پلیمر در طی یک دوره زمانی تغییر کند (به صورت افت خواص مکانیکی یا تغییر رنگ ظاهری)، استفاده می شود. این تغییرات ممکن است در خواص مکانیکی نظیر استحکام کششثی و چقرمگی، در خصوصیات فیزیکی مانند چگالی و یا در ویژگی های شیمیایی مانند واکنش نسبت به مواد شیمیایی خورنده مشاهده شود. منشا این تغییرات ممکن است مستقل از محیط اطراف بوده و یا دارای منشا شیمیایی باشند مانند پخت تدریجی یک ماده ترموست ( فرایند ولکانیزاسیون) و یا دارای منشا فیزیکی مانند خنک شدن سریع پلیمر تحت شرایط رهایش حجمی. در موارد دیگر تغییرات ممکن است نتیجه تعامل با محیط زیست باشد مانند زمانی که اکسیداسیون منجر به شکست زنجیره ای می شود[1].

در این مقاله انواع مختلفی از مفهوم پیرشدگی پلیمرها مورد بررسی قرار می گیرد و به بخش های اصلی مربوط به پیری فیزیکی، پیری حرارتی و هوازدگی نیز اشاره می شود.

انواع پیرشدگی

1)پیرشدگی فیزیکی :

پیرشـدگی فیزیکـی یکـی از رایج ترین انواع پیرشـدگی است. این نوع پیری معمولا در کنار سایر پیرشدگی هایی که در زیر شرح داده شده است رخ می دهد. به همین دلیل لازم است اول با این نوع از پیرشدگی مقابله کرد [1]. پیرشـدگی فیزیکـی بـه عنـوان یکـی از دسـته بندی های پیرشـدگی مـواد پلیمـری مطرح اسـت کـه به طـور معمول بـا افزایش در چگالی و کاهش در انرژی سـاختاری مولکولـی از مـواد نیمـه بلـوری یـا آمـورف، هنگامـی که برای مـدت زمـان طولانی زیر دمـای انتقال شیشـه ای قـرار گیرند همراه اسـت [2].

شکل 1- نمودار چگالی در برابر زمان مربوط به پیری فیزیکی [4].

شکل 2-نمونه هایی از تخریب پلیمر در برابر شرایط فیزیکی.

2) پیری حرارتی :

اگر در دمای بالا، عامل شیمیایی مخربی (اغلب اکسیژن) به یک پلیمر اعمال شود در این صورت ممکن است واکنش های شیمیایی ایجاد کند. این واکنش ها می توانند به آهستگی رخ دهند و یا در دمای محیط اصلا رخ ندهند. بسیاری از این تغییرات، در مجموع به عنوان «تخریب گرمایی» شناخته می شوند و این امر پدیده ای است که درعلم پلیمر بسیار مورد مطالعه قرار گرفته است. در برخی موارد استفاده از پلیمرها در کاربردهای مختلف نظیر قالب گیری فشاری به منظور تولید قطعات مناسب، می تواند مورد توجه قرار گیرد. ذکر این امر ضروری است که پایداری حرارتی پلیمر بایستی با استفاده از پایدارکننده های حرارتی مناسب بهبود یابد به نحوی که از تخریب پلیمر در حین دمای بالا جلوگیری شود [1,2].

شکل 3- نمونه هایی از تخریب پلیمرها در برابر شرایط محیطی.

3) هوازدگی :

از هوازدگی گاهی اوقات به عنوان پیرشدگی طبیعی نیز یاد می شود. پلیمرهایی که در فضای باز قرار دارند توسط چندین عامل از جمله اشعه ماورابنفش(UV)، آب، آلاینده ها (به شکل گازها یا باران اسیدی)، افزایش درجه حرارت و تغییرات دمایی می توانند تخریب شوند. در بسیاری از موارد علت اصلی تخریب، اکسایش در اثر نور خورشید است که با تابش اشعه فرابنفش آغاز می شود. در نتیجه آزمایش های زیادی برای پیرشدگی پلیمرها ناشی از نور خورشید وجود دارد که باعث بررسی میزان دوام پلیمر می شوند. پایدار کننده هایی نیز برای مقاومت پلیمر در برابر آب و هوا وجود دارند. از رایج ترین منابع مصنوعی نور فرابنفش نیز می توان لامپ زنون و لوله های فلورسنت را نام برد [1]. اشعه فرابنفش (UV) انرژی کافی برای تخریب پیوندهای شیمیایی پلیمرهای مختلف مانند پلی الفین، پلی استر، پلی استایرن و … را دارد. تخریب توسط اشعه فرابنفش در حضور حرارت و سیالات مهاجم شدیدتر شده و سرعت بیش تری دارد. انرژی این اشعه در مناطق جغرافیایی مختلف و هم چنین باتوجه به میزان ابرناکی هر محدوده متفاوت است. برای جلوگیری از این تخریب افزودنی های جاذب و پایدارکننده در برابر اشعه UV، به ترتیب جاذب نور فرابنفش (UVA) وتثبیت کننده نور آمین بامانع (HALS) تجاری سازی شده اند. گروه اول، UVA، با جذب اشعه UV و تبدیل آن به گرما و گروه دوم نه با جذب، بلکه با متوقف نمودن واکنش تخریب پلیمر منجر به پایدار سازی پلیمر در برابر این اشعه می شوند.

شکل 4- مکانیسم عملکرد افزودنی های آنتی یوی در پلیمرها [3].

جاذب های مورد استفاده برای جلوگیری از تخریب توده پلیمر، رنگدانه و سایر افزودنی های حساس استفاده شده در پلیمر، و محافظت از خود ماتریس پلیمر (برای مثال در بسته بندی ها) مناسب هستند. از طرف دیگر خانواده HALS برای پایدارسازی قطعات با سطوح زیاد و ضخامت کم مانند فیلم های پلیمری مناسب هستند. استفاده همزمان از UVA و HALS در بسیاری از کاربردها اثر هم افزایی دارد و معمولا این قبیل افزودنی های آنتی یوی با نسبت مشخصی در مستربچ های مورد نظر استفاده می شوند. در حین انتخاب ترکیب بهینه برای پایدارسازی پلیمر در برابر نور، بایستی عواملی چون نوع پلیمر، ضخامت قطعه تولیدی، حضور سایر افزودنی ها و بخصوص رنگدانه ها، در نظر گرفته شوند. افزودنی های پایدارکننده در برابر نور UV به صورت مستربچ در بسیاری ازکاربردها مانند قطعات خودرو، فیلم های کشاورزی و گلخانه، الیاف، منسوجات و سایر قطعات پلیمری که در معرض تابش نور خورشید هستند، به کار می روند [3].