طیف‌سنجی مادون قرمز آمیزه‌های پلی‌پروپیلن

پلی‌پروپیلن یک پلیمر هیدروکربنی خطی با فرمول CnH2n و مانند پلی‌اتیلن، یک پلی‌اولفین با ساختار اشباع است. پلی‌پروپیلن از پرمصرف‌ترین پلیمرهای ترموپلاست در جهان محسوب می‌شود. خواص پلی‌پروپیلن عبارتند از:

نیمه سخت
نیمه شفاف
مقاومت شیمیایی خوب
محکم
مقاومت خوب در برابر خستگی
خاصیت لولایی (مفصلی) کامل و صحیح
مقاومت حرارتی خوب

شکل 1. ساختار شیمیایی پلی‌پروپیلن [1].

نقطه ذوب پلی‌پروپیلن 30 درجه سانتی‌گراد بیش‌تر از پلی‌اتیلن است. گروه متیل در این پلیمر، جایگاهی برای اکسیداسیون ایجاد می‌کند که پراکسید‌ها و پرتوهای مخرب منجر به شکست زنجیره می‌شوند. از این رو پلی‌پروپیلن پایداری کم‌تری نسبت به پلی‌اتیلن دارد. هم‌چنین اشتعال‌پذیری، غیرقطبی بودن و ضریب انبساط حرارتی بالا از معایب دیگر پلی‌پروپیلن است. با توجه به توضیحات فوق و بررسی معایب پلی‌پروپیلن، پژوهش‌گران به‌دنبال کاهش یا برطرف کردن این معایب هستند. از جمله راهکارهایی که برای بهبود خواص پلی‌پروپیلن پیش‌نهاد می‌شود، ساخت آمیزه‌های پلی‌پروپیلنی ترکیبی با موادی همچون تالک، پلی‌کربنات، الیاف شیشه و… است [2].

آمیزه‌های پلی‌پروپیلن

ترکیبات پلی‌پروپیلن رزین‌های ترموپلاستیکی هستند که با استفاده از مخلوطی از یک یا چند پلی‌اولفین پایه با اجزای مختلف، مانند اصلاح‌کننده ضربه، تقویت‌کننده‌ها، رنگدانه‌ها و مواد افزودنی تولید می‌شوند. ترکیبات پلی‌پروپیلن طیف گسترده‌ای از ویژگی‌ها را ارائه می‌دهند و در کاربردهای متنوعی مورد استفاده قرار می‌گیرند [3]. پلی‌پروپیلن دومین ترموپلاستیک (بعد از پلی‌اتیلن) است که به‌طور گسترده تولید و استفاده می‌شود. این پلیمر بیش‌تر در بسته‌بندی و برچسب‌ها کاربرد دارد [4]. پلی‌پروپیلن پلیمری با چگالی اندک است که باعت می‌شود قطعات با وزن کمتر قالب‌گیری و تولید شوند. از دیگر خواص معمول پلی‌پروپیلن، سخت و انعطاف‌پذیر بودن آن است؛ به‌ویژه هنگامی که با اتیلن کوپلیمر می‌شود. این خواص به ترکیبات پلی‌پروپیلن اجازه می‌دهد تا به‌عنوان یک ترموپلاستیک مهندسی، در رقابت با موادی مانند آکریلونیتریل بوتادین استایرن استفاده شوند. پلی‌پروپیلن در دمای اتاق به‌غیر از اکسیدکننده‌های قوی، در برابر چربی‌ها و تقریباً تمام حلال‌های آلی مقاوم است. اسیدها و بازهای غیراکسنده را می‌توان در ظروف ساخته شده از پلی‌پروپیلن ذخیره کرد. پلی‌پروپیلن قابل بازیافت و کد شناسایی بازیافت آن شماره 5 است [3].

با توجه به کاربرد فراوان پلی‌پروپیلن در صنایع مختلف، روشی برای شناسایی خواص و کیفیت آن در مرحله تولید، کاربرد و بازیافت نیاز است. روش‌های متعددی برای شناسایی خواص فیزیکی و شیمیایی پلی‌پروپیلن استفاده می‌شود. یکی از روش‌های شناسایی و بررسی پلی پروپیلن، استفاده از طیف‌سنجی مادون قرمز (IR) است. این پلیمر در نواحی خاصی چندین پیک در طیف مادون قرمز نشان می‌دهد که قابلیت شناسایی آن را از دیگر پلی‌اولفین‌ها میسر می‌کند. هم‌چنین، آمیزه‌های این پلیمر نیز هرکدام دارای پیک مشخصی در طیف مادون قرمز هستند، از این رو طیف‌سنجی مادون قرمز روش مناسبی برای شناسایی آمیزه‌های پلی‌پروپیلنی نیز هست.

طیف‌سنجی مادون قرمز

در مقالات پیشین، در مورد تکنیک طیف‌سنجی مادون قرمز و کاربرد آن در پلیمر توضیح داده شده است. طیف‌سنجی مادون قرمز می‌تواند برای تعیین گروه‌های عاملی در یک نمونه بسیار حساس باشد، زیرا گروه‌های عاملی مختلف، فرکانس‌های خاصی از تابش مادون قرمز را جذب کرده و در طیف IR بخوبی متمایز می‌شوند. هم‌چنین هر مولکول دارای طیف مشخصی است که به‌عنوان اثرانگشت شناخته می‌شود. یک مولکول را می‌توان با مقایسه پیک جذب آن با یک بانک داده طیفی شناسایی کرد. طیف‌سنجی مادون قرمز در شناسایی و تجزیه و تحلیل انواع مواد از جمله ترکیبات آلی و معدنی بسیار مفید است. هم‌چنین از آن می‌توان برای تجزیه و تحلیل کمی و کیفی مخلوط‌های پیچیده از ترکیبات مشابه استفاده کرد [6]. در شکل 2 طیف مادون قرمز پلیمر پلی‌پروپیلن مشاهده می‌شود. در نواحی 2800-3000 چندین پیک مشاهده می‌شوند که شاخص‌ترین پیک‌ها در شناسایی پلی‌پروپیلن هستند. این پیک‌ها نشان‌دهنده حرکت کششی (Stretching) پیوند C-H هستند. این 4 پیک در ناحیه 2800-3000، وجه تمایز پلی‌پروپیلن با پلیمرهایی از قبیل پلی‌اتیلن هستند. یک پیک در ناحیه 1460 مشاهده می‌شود که مربوط به حرکت خمشی (Bending) گروه های متیلن CH₂است. پیک گروه‌های متیل (CH₃) مربوط به حرکت خمشی (Bending) در حدود 1375 مشاهده می شود.

شکل 2. طیف مادون قرمز پلیمر پلی پروپیلن[7].

آمیزه پلی‌پروپیلن با تالک

تالک یکی از پرکابردترین پرکننده‌های معدنی است که آمیزه آن با پلی‌پروپیلن کاربرد فراوانی دارد. تالک با ساختار لایه‌ای خود شناخته می‌شود. انواع آمیزه‌های پلی‌پروپیلن/تالک در بازار موجود هستند. به‌عنوان مثال، ترکیب 30% وزنی تالک با پلی‌پروپیلن، سه نوع متفاوت با اندازه ذرات و ترکیب‌بندی مختلف دارد که تأثیر مثبتی بر بلورینگی و سختی می‌گذارند، اگرچه سبب کاهش قدرت ضربه و استحکام می‌شوند. رفتار سایش شدید عمدتاً به‌اندازه ذرات تالک بستگی دارد. مشاهدات میکروسکوپی نشان می‌دهد که لایه‌های تالک در جهت جریان تزریق در یک راستا قرار دارند و به‌طور یک‌نواخت در ماتریس (شبکه) پلی‌پروپیلن پراکنده شده و خواص گوناگونی ایجاد می‌کنند [8]. شکل 3 ساختار شیمیایی تالک را نشان می‌دهد. این ماده دارای گروه های سیلیس (SiO₂) و اکسید منیزیوم (MgO) می باشد.

شکل 3. ساختار شیمیایی تالک [9].

این گروه‌ها در طیف مادون قرمز دارای پیک مشخص و قابل تمایز هستند. به‌عنوان مثال، گروه‌های سیلیس در ناحیه حدود 980 دارای پیک بسیار مشخص و پهن هستند. گروه‌های MgO نیز یک پیک کوچک در ناحیه 3670 می‌دهند. طیف مادون قرمز این ماده در شکل 4 مشاهده می‌شود.

شکل4. طیف مادون قرمز تالک [10].

برای شناسایی آمیزه‌های پلی‌پروپیلن با تالک از طیف مادون قرمز می‌توان استفاده کرد. از آن‌جا که هر کدام از این مواد دارای پیک‌های مشخص و مجزا از یک‌دیگر در طیف مادون قرمز هستند، بنابراین شناسایی آمیزه‌های پلی‌پروپیلن با تالک بسیار ساده است (شکل 5).

شکل 5. نمودار طیف مادون قرمز آمیزه‌های پلی‌پروپیلن/تالک [11].

آمیزه پلی‌پروپیلن با پلی‌کربنات

پلیمر پلی‌کربنات (PC) یک ترموپلاستیک شفاف با گروه‌های عاملی کربنات است. استحکام بالای آن باعث می‌شود در برابر ضربه و شکستگی مقاوم باشد. پلی‌کربنات سبک است، بنابراین یک جایگزین عالی برای شیشه است و به‌دلیل پردازش سازگار با محیط زیست و قابلیت بازیافت آن، به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. از آن‌جایی که PC سازگاری بسیار خوبی با پلیمرهای خاص نشان می‌دهد، به‌طور گسترده در آمیزه‌هایی مانند PC/ABS، PC/PET ،PC/PMMA و PC/PP استفاده می شود. برخی از کاربردهای رایج عبارتند از دیسک فشرده، کلاه ایمنی، شیشه ضد گلوله، لنز چراغ خودرو، شیشه‌ شیر کودک، سقف، شیشه و غیره. شکل 6 ساختار شیمیایی پلی‌کربنات را نشان می‌دهد. در این ساختار گروه‌های استات و فنیل (حلقه 6 تایی آروماتیک ) وجود دارند [12].

شکل 6. ساختار شیمیایی پلی‌کربنات [13].

شکل 7 طیف مادون قرمز پلی‌کربنات را نشان می‌دهد. پیک مربوط به پیوند کربونیل در گروه‌های استری حدود 1730-1750 خود را نشان می‌دهد. در ناحیه 1000-1300 پیک مربوط به پیوند یگانه کربن-اکسیژن در استر مشاهده می‌شود. حلقه‌‌های فنیلی (آروماتیک) پیک مربوط به پیوند دوگانه کربن-کربن در محدوده 1475-1600 پدیدار می‌شود. حوالی 3000 (حدود 3010-3050) پیک مربوط به کشش پیوند کربن-هیدروژن متصل به پیوند دوگانه کربن-کربن مشاهده می‌شود (کربن حلقه‌های آروماتیک).

شکل 7. نمودار طیف مادون قرمز پلی‌کربنات [14].

از آن‌جا که هر دو ماده پلی‌پروپیلن و پلی‌کربنات دارای گروه‌های عاملی مختلفی هستند، در نتیجه پیک‌های هرکدام از پلیمرها در طیف مادون قرمز به‌صورت مجزا مشخص است. شکل 8 طیف آمیزه پلی‌پروپیلن/پلی‌کربنات را نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده می‌شود پیک‌های مربوط به پلی‌پروپیلن و پلی‌کربنات در طیف قابل تشخیص هستند.

شکل 8. طیف مادون قرمز آمیزه پلی‌پروپیلن/پلی‌کربنات [15].

آمیزه پلی‌پروپیلن با نشاسته

نشاسته جزء پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر و در طبیعت موجود است. نشاسته یک پلیمر با واحدهای مونومر گلوکز است. این پلیمر یک پلی‌ساکارید فراوان و طبیعی است که از منابع مختلف گیاهی مانند ذرت، سیب زمینی، برنج و کاساوا به‌دست می‌آید. با توجه به کاربرد فراوان پلی‌اولفین‌ها و میزان پایین تخریب‌پذیری آنها، این پلیمرها آسیب‌های جبران‌ناپذیر زیادی به طبیعت وارد کرده‌اند (مانند پلی‌اتیلن با چگالی کم (LDPE) و ایزوتاکتیک پلی‌پروپیلن). به‌طور کلی برای اینکه پلی‌اولفین‌ها بیشتر مستعد تخریب شوند، برخی اصلاحات مانند تغییر در درجه بلورینگی و یا کاهش مولار توده‌ای پلیمر برای ایجاد مولکول‌های کوتاه که قابلیت جذب توسط میکروارگانیسم‌ها را دارند، انجام می‌شود. این تغییرات سبب می‌شوند از مواد نفتی غیرقابل تجدیدپذیر و پایدار در محیط زیست، پلیمرهایی ساخته شوند که تجدیدپذیر باشند. یکی از راهکارهای به‌صرفه و پرکاربرد، استفاده از نشاسته به‌عنوان پرکننده است. از دهه 1970 تاکنون نشاسته به‌عنوان پرکننده در پلاستیک‌ها استفاده می‌شود [16]. در ساختار نشاسته گروه‌های الکل و اتری وجود دارند که در درشکل 9 مشاهده می‌شوند [16].

شکل 9. ساختار شیمیایی پلیمری نشاسته [17].

در شکل 10 طیف مادون قرمز نشاسته نمایش داده شده است. با توجه به این طیف و طیف مادون قرمز پلی‌پروپیلن، می‌توان مکان پیک‌های هر کدام از پلیمرها را تعیین و ساختار آمیزه پلی‌پروپیلن/نشاسته را پیش‌بینی کرد. در این طیف پیک مربوط به گروه هیدروکسی الکل در حدود 3600 مشاهده می‌شود. پیک‌های مربوط به خمشی (Bending) متیلن (CH2) درحوالی 1375-1450 می‌افتند. در ناحیه 1100-1300 پیک‌های مربوط به پیوند یگانه کربن-اکسیژن در اتر و الکل پدیدار می‌شوند.

شکل 10. طیف مادون قرمز نشاسته [18].

شکل 11 طیف مادون قرمز آمیزه پلی‌پروپیلن/نشاسته را نشان می‌‍دهد. در حوالی 3000 پیک‌های مربوط به کشش پیوند کربن-هیدروژن است. پیک مربوط به گروه OH الکلی نشاسته در حدود 3600 مشاهده می‌شود. یک پیک مربوط به خمشی متیل CH₃ و متیلن CH₂ در محدوده 1375-1450 قابل مشاهده است.

شکل 11. نمودار طیف مادون قرمز آمیزه پلی‌پروپیلن/نشاسته [19].

آمیزه پلی‌پروپیلن با الیاف شیشه

الیاف شیشه عامل تقویت‌کننده‌ای است که بیش‌تر در کامپوزیت‌های بر پایه پلی‌پروپیلن استفاده می‌شود، زیرا تعادل خوبی بین خواص و هزینه‌ها ایجاد می‌کند. با این حال خواص نهایی آنها عمدتاً با بررسی استحکام و پایداری بین فاز پلیمری و الیاف شیشه تعیین می‌شود. وقتی چسبندگی ضعیف است، الیاف به‌عنوان یک ماده تقویت‌کننده مؤثر عمل نمی‌کنند. هم‎‌چنین چسبندگی بین فازها در محیط تهاجمی به‌راحتی تخریب می‌شوند (مثلاً اگر در شرایطی هم‌چون دماهای بالا، رطوبت بالا، و یا در تنش‌هایی که ممکن است روی مواد تأثیر بگذارند، قرار بگیرند). تلاش‌های بسیاری برای بهبود چسبندگی الیاف شیشه-پلیمر به‌وسیله افزایش سازگاری انجام شده است. پرکاربردترین تکنیک‌ها عبارتند از تغییرات در سطح شیشه، ماتریس پلیمری و یا هر دو. در شکل 12 ساختار شیمیایی الیاف شیشه (Fiber Glass) نمایش داده شده است [20].

شکل 12. ساختار شیمیایی الیاف شیشه [21].

طیف مادون قرمز الیاف شیشه به‌دلیل حضور سیلیس و وجود پیوندهای Si-O-Si، یک پیک بسیار پرشدت در محدوده ناحیه 1100-1000 نشان می‌دهد. این پیک حتی در غلظت‌های اندک الیاف شیشه نیز مشاهده می‌شود. هم‌چنین در محدوده 800-900 یک پیک مربوط به Si-O قابل مشاهده است (شکل13).

شکل 13. طیف مادون قرمز الیاف شیشه [22].

شکل 14 طیف مادون قرمز آمیزه پلی‌پروپیلن/الیاف شیشه را نشان می‌دهد. همان‌طور که مشاهده می‌شود پیک مربوط به گروه‌های سیلیس الیاف شیشه با شدت بالا در طیف مشخص هستند. پیک‌های ناحیه 2800-3000 مربوط به کششی C-H پلیمر پلی‌پروپیلن هستند. پیک‌های مربوط به Si-O-Si و Si-O به‌ترتیب در نواحی 1000-1100 و 800-900 قابل مشاهده هستند. یک پیک مربوط به خمشی متیل (CH₃) در محدوده 1375-1450 قابل مشاهده است. پیک مربوط به خمشی متیلن (CH₂) نیز درحوالی 1375-1450 مشاهده می‌شود.

شکل 14. طیف مادون قرمز آمیزه پلی‌پروپیلن/الیاف شیشه [23].