آشنایی با کاربرد و خواص پلی کربنات ها

مقدمه:

پلی کربنات ها (PC) پلیمرهای تراکمی هستند که دارای خواص مطلوبی مانند شفافیت بالا، پایداری حرارتی و دمای تغییر شکل حرارتی بالایی هستند و علی رغم سختی شان، در برابر ضربه به جای شکسته شدن از خود انعطاف پذیری نشان می دهند. وجود چنین خواص فیزیکی آن ها را در دسته پلیمرهای مهندسی قرار داده است. پلی کربنات ها به راحتی شکل دهی می شوند و گریدهای مختلفی از این ماده از طریق فرایندهایی نظیر اکستروژن، تزریق و قالبگیری دمشی به دست می آید. تا کنون بیش ترین پلی کربنات مورد استفاده، که بیش از 90٪ از مصارف تجاری را تشکیل می دهد، از واکنش تراکمی بیس فنول A و یک گونه غیرفعال پروتون پذیر، مانند دی فنیل کربنات یا فسژن تولید می شود. ساختار شیمیایی عمومی این نوع پلی کربنات در شکل(1) نشان داده شده است[1].

شکل(1).ساختارشیمیایی پلی کربنات بر پایه ی بیس فنول[1] .

بیس فنول A که نام شیمیایی رسمی آن 2و2بیس (4-هیدروکسی فنیل) پروپان است، مونومری با دو گروه عاملی هیدروکسیل است. (شکل2.b) که بامونومرهای دی کربونیل مانند فسژن یا دی فنیل کربنات پلیمریزه میشود(شکل2.a). در حین پلیمریزاسیون، گروه هیدروکسیل بیس فنلA در محیط بازی یک پروتون از دست می دهد و پس از آن اتم اکسیژن باقی مانده در بیس با ترکیبات دی کربونیل پیوند استری می دهد(شکل3). فرایند پلیمریزاسیون با پیوند یک فنول منوهیدریک به انتهای زنجیره در حال رشد پایان می یابد [1].

شکل2 :a)مولکول فسژن b)مونومر بیس فنل [1].

شکل3.پلیمریزاسیون پلی کربنات از مونومرهای بیس فنولA و فسژن[1].

پلی کربناتی که در فرایندهای معمول تولید استفاده می شود ساختار کریستالی ندارد. شواهد موجود از جهت گیری موضعی زنجیره ها در سطح مولکولی پلی کربنات حاکی از آن است که واحدهای تکراری پلی کربنات می توانند در ساختاری که شبیه حرف Z است دوباره بر روی زنجیره ها تجمع کنند. اما این واحدهای مونومری در مقیاس بزرگ برای ایجاد یک ماده متبلور منظم، با یکدیگر ارتباط برقرار نمی کنند و تنها در شرایطی خاص، مانند خنک کردن آهسته پلیمر، می توان حوزه های بلوری کوچکی ایجاد کرد. از آن جا که این شرایط در فرآیندهای تجاری برآورده نمی شود، به راحتی می توان گفت به طور کلی تمامی پلی کربنات هایی که با آن ها روبرو می شویم آمورف هستند.

پلی کربنات ها از طریق پلیمریزاسیون سطحی یا از طریق فرایند کاتیون سازی مذاب به هر دو صورت batch یا پیوسته می توانند تولید شوند. خواص پلی کربنات می تواند بر اساس روش پلیمریزاسیون متفاوت باشد. مثلا پلی کربنات های تولید شده از طریق پلیمریزاسیون سطحی در دماهای بالا پایدارتر بوده و نسبت به آن هایی که از طریق استری شدن مذاب تولید می شوند سفتی کم تری دارند. بنابراین، هنگام انتخاب درجه رزین پلی کربنات برای یک کاربرد خاص، دانستن روشی که پلیمر توسط آن تولید شده بسیار مهم است.

پلی کربنات ها به طور معمول در طیف وسیعی از دما؛ مقاومت فوق العاده بالا و خاصیت شکل پذیری عالی در برابر ضربه، پایداری حرارتی خوب، وضوح عالی و مدول بالایی از خود نشان می دهند. به همین دلایل، آنها در بسیاری از مصارف با عملکرد ویژه، مانند کلاه ایمنی آتش نشانی، ابز ار الکتریکی و لوازم خانگی، شیلدها و پنل های مورد استفاده در خودرو و هواپیما، نسبت به سایر پلاستیک های مهندسی اصلاح نشده مورد توجه ویژه قرار گرفته اند(جدول1). از ویژگی های منفی پلی کربنات ها می توان به تجزیه نوری هنگام قرار گرفتن در برابر اشعه ماورا بنفش و گاما، مقاومت شیمیایی کم و امکان ایجاد شکاف، به ویژه در معرض حلال ها، تنش های مکانیکی یا دمای بالا اشاره کرد [4].

جدول(1):مقاومت شیمیایی ترموپلاستیک های مهندسی[2].

مدول بالای پلی کربنات ها، حتی در شرایط دمایی بالا، از دمای بالای انتقال شیشه ای (141 تا 150 درجه سانتی گراد) پلیمر ناشی می شود. در زیر این دما، مواد سخت هستند و تحت فشار وارده به آن ها تغییر شکل کمی ازخود نشان می دهند. با افزایش دمای انتقال شیشه می توان مدول را در دمای بالا اصلاح کرد، و این کار می تواند با انتخاب منطقی نوع بیس فنول محقق شود. برای بالا بردن درجه حرارت انتقال شیشه ای، می توان به گروههای فنلی، مواد جایگزین اضافه کرد؛ به این صورت که اگر فقط یک گروه عاملی به حلقه فنول موجود در بیس فنول اضافه شود، دمای انتقال شیشه ای کاهش می یابد. اما اگر گروه عاملی دومی به حلقه اضافه شود پیوندهای سگمنتال کاهش می یابند و دمای انتقال شیشه ای افزایش می یابد. همچنین اصلاح ساختار بیس فنول نیز می تواند بر سختی پلیمر نهایی تأثیر بگذارد. به عنوان مثال، ساختار نشان داده شده در شکل (4) دو حلقه فنل را به طور پایدار به یکدیگر متصل می کند. این ساختار مولکولی انعطاف ناپذیر، پیکره پلی کربناتی سفت و سخت ایجاد می کند، که در نتیجه آن یک پلیمر سفت تر ایجاد می شود. پس به طور کلی می توان گفت، سختی پلیمر با افزایش سفتی بخشی از بیس فنول افزایش می یابد [1].

شفافیت بسیار بالای پلی کربنات ها نتیجه طبیعت بی شکل آن هاست. هیچ سطح بلوری / آمورفی وجود ندارد که بتواند نور را پراکنده کند که منجر به کدری شود. ضریب شکست پلی کربنات تفاوت کمی با شیشه دارد که این ماده را به جایگزینی عالی برای شیشه تبدیل می کند. به عنوان مثال، کشوهای شفاف در یخچال ها اغلب از پلی کربنات ساخته می شوند که شفافیت و درخشندگی، وزن کم و یکپارچگی ساختاری آن ها مشابه پلی کربنات می باشد پلی کربنات در نتیجه جهت گیری زنجیره های پلیمری در مقیاس کوچک در قطعات قالب گیری تزریقی ، رفتار «شکست مضاعف» منحصر به فردی را از خود نشان می دهد که این پدیده به عنوان یک اثر رنگین کمانی مشاهده می شود و در آن طیف های رنگی در زوایای خاص دیده می شوند. مواد قالب تزریقی به دلیل داشتن پوسته های ناهمسانگرد بسیار مرتب، باعث ایجاد این پدیده می شوند.

پلی کربنات ها در برابر الکل ها، صابون های معمولی، برخی روغن ها و گریس ها و اسیدهای رقیق مقاوم هستند. اما در برابر بازهای رقیق و قوی، حلال های کلر، کتون های آلی و اترهای حلقوی مقاوم نیستند(جدول 2) همچنین آنها می توانند در صورت قرار گرفتن در معرض اسیدهای چرب و نیز الکل در فشارهای بالا دچار ترک خوردگی در قطعات شوند[2].

جدول(2):مقاومت شیمیایی ترموپلاستیک های مهندسی[2].

جدول (3):برخی از خواص فیزیکی و مکانیکی پلی کربنات ها [3].

کاربردهای پلی کربنات:

از پلی کربنات ها در ساختCD/DVD، عینک، لنزهای چشمی، پنجره های ضد گلوله، کاربردهای پزشکی معمول شامل ابزارهای جراحی- سیستم های انتقال دارو – غشای همودیالیز – مخازن خون -فیلترهای خون ،صفحه های نمایشگرLED، محفظه چراغ جلو خودرو استفاده میشود.

برخی از کاربردهای پلی کربنات در صنایع مختلف.

هم چنین از آن ها به دلیل مقاومت در برابر حرارت و مقاومت در برابر خرد شدن و قابلیت تطابق با قوانین بهداشتی در کاربردهای تماس مستقیم با غذاها و نوشیدنی ها استفاده می شود. ظروف نگهداری مواد غذایی ساخته شده از پلی کربنات قابل استفاده مجدد هستند ، به حفظ طراوت ، محافظت از مواد غذایی در برابر آلودگی کمک می کنند و می توانند به راحتی در یخچال یا مایکروویو استفاده شوند.

در حال حاضر تولید عمده پلی کربنات در کشور متعلق به پتروشیمی خوزستان میباشد. این پتروشیمی با تولید پلی کربنات هایی با خواص متفاوت تامین کننده اصلی ماده اولیه در صنایع مصرفی گفته شده در بالا به شمار می آید که نمونه های از گریدهای مختلف تولیدی توسط این شرکت درجدول زیر آورده شده است.