مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
پلیمرهای ترموست (TS) شامل یک رزین (یک پلیمر خطی با گروه های عاملی مانند هیدروکسیل، کربوکسیل (COOH)، آمینو (NH_2) و یا پیوند دوگانه ای)، عامل ایجاد کننده ی پیوند عرضی، کاتالیست و حرارت و یا سرد کردن به عنوان فعال کننده ی عمل آوری می باشد. پلیمرهای ترموپلاست نمونه وار عبارتند از پلی استرها، آلکیدها، رزین های آمینو، رزین های اپوکسی و پلی یوریتان. ترموست ها شامل پیوندهای عرضی هستند که موجب می شود این مواد در برابر حرارت دهی تا دماهای بالا و همچنین خزش، مقاوم باشند. البته مقاومت به ضربه در این پلیمرها، پایین است.
بیشتر ترموست ها ممکن است به صورت خالص مورد استفاده قرار گیرند، مثلا به صورت مخلوط با کامپوزیت های زمینه ی پلیمری. در حقیقت قالب گیری ترکیبات به صورت قالب گیری مخلوطی از رزین های ترموست به همراه الیاف و یا تقویت کننده های فیبری انجام می شود. در برخی از کاربردها، استفاده از الیاف شیشه برای تقویت نیز متداول است. فرمولاسیون های با ویسکوزیته ی پایین موجب پایین آمدن هزینه های تولید و هزینه های قالب می شود.
رزین های پلی استری (غیر اشباع) با پلیمریزاسیون تراکمی یک اسید چند عاملی به همراه الکلی چند عاملی، تولید می شوند.
اسید مالئیک (HOOC-HC=CH-COOH) حاوی 4 گروه عاملی است. گروه های کربوکسیل در این ماده متحمل واکنش استری شدن می شوند. این واکنش با دی الکل هایی مانند اتیلن گلیکول انجام می شود و پیوند های دوگانه می توانند موجب ایجاد واکنش های افزایشی شوند.
غیر اشباع بودن که در حقیقت وجود پیوندهای دوگانه در رزین های پلی استری می باشد، معمولاً به عنوان راه حلی در استایرن، استفاده می شود. این بحش ها به عنوان حلال عمل کرده و همچنین عوامل ایجاد کننده ی پیوند عرضی می باشند.
بنابراین، یک پلی استر خطی غیر اشباع، به همراه استایرن، یک کاتالیست فعال سازی شده موجب تولید یک پلیمر با پیوند عرضی می شود.
رزین های پلی استری معمولا به همراه بافته های تولید شده از الیاف شیشه و یا قطعات حصیری شکل مورد استفاده قرار می گیرند و موجب تولید لایه های مستحکمی می شوند. مقاومت دما بالا و مقاومت الکتریکی مناسب، موجب می شود تا این مواد، برای استفاده در صنعت الکتریکی، جذاب باشند.
رزین های آمینو مانند اوره فرمالدهید (UF)
ملامین فرمالدهید (MF) از ملامین (شکل 1) و فرمالدهید تولید می شود. این ماده هم به صورت رزینی و هم به صورت پودر قالب گیری، موجود می باشد.
رزین های UF به عنوان چسب در صنعت تخته سه لایی و کارتن استفاده می شود. این ماده مقاومت خوبی در برابر محیط ایجاد می کند و میزان استحکام ترشوندگی کاغذ را بهبود می دهد. استفاده های پلیمرهای ملامین فرمالدهیدی در تولید لوازم آشپزخانه می باشد (شکل 2).
رزین های فنول – فرمالدهید (PF) اولین پلاستیک ساخت بشر است که به صورت تجاری، مورد استفاده قرار گرفت. پیش ماده ی پلیمری PF نوولاکس (novolaks)و ری سول ها (resols) می باشند. نوولاکس با استفاده از فنول اضافی و تحت شرایط اسیدی، تولید می شود. یک ری سول در حقیقت با استفاده از فرمالدهید اضافی و تحت شرایط بازی، تولید می شود.
کاربردهای اولیه این ماده در صنعت الکترونیک بوده است. در حقیقت کاغذهای آغشته به PF و لایه های بافته شده از پنبه کاربردهای را در تولید چرخدنده های خاص داشته است. PF و MF دارای مقاومت به شعله ی خوبی هستند. PF امروزه جایگزین پلی استر در محصولات متداولی شده است که بر پایه ی پلی استر تولید می شده اند. London Transport، پلاستیک های تقویت شده با الیاف شیشه ی (GRP) برای استفاده در کاربردهای زیرزمینی، توسعه داده است. البته دغدغه های قابل توجهی بعد از سال 1987 در مورد این ماده ایجاد شد. این دغدغه ها بیشتر دغدغه های زیست محیطی و ایمنی هستند. در حقیقت وقوع آتش سوزی های گسترده مخصوصاً در بخش های عمومی مانند فرودگاه ها، منجر به تمرکز توجه بر روی محصولاتی شد که بتوان آنها را در بخش های عمومی، استفاده کرد. در واقع اکثر قربانیان این آتشسوزی ها، به دلیل خفگی و مسمومیت ناشی از سوختن این محصولات و دود ناشی از آنها، کشته شدند. سایر استفاده های PF شامل جعبه های ذخیره سازی ادوات و سلاح می باشد. البته در این کاربردها نیز تولید محصولات ضد آتش و با میزان انتشار دود کم، پس از آتشسوزی، مد نظر می باشد.
روش های فرآوری برای توموست ها، عبارتند از فرآوری واکنشی پیش پلیمر و یا مونومرها به همراه کاتالیست یا یک عامل عمل آوری به عنوان بخشی از فرایند شکل دهی می باشد. این موارد، عبارتند از:
قالب گیری فشاری و یا انتقالی
قالب گیری تزریقی
قالب گیری تزریقی- واکنشی
تزریق با خلأ
توزیع رزین یا فوم
قالب گیری اتوکلاوری و انتقال رزینی
کش رانی
قالب گیری SMC/ DMC
دمش فیلامنتی
قالب گیری فشاری
این فرایند برای قالب گیری پودر و یا پلیمرهای DMC/ SMC مفید می باشد. قالب در داخل یک پرس هیدرولیک قرار داده می شود و تا دمایی در حدود 160- 200 درجه ی سانتیگراد، حرارت دهی می شوند (شکل 3). میزان پیش پلیمر مورد نیاز که با کاتالیزور و یا عامل عمل آوری مخلوط شده است، در داخل قالب قرار داده می شود و سپس قالب بسته شده و تحت فشار، ماده در داخل حفرات قالب، فرستاده می شوند. در مورد SMC، بار به قطعات کوچک بریده می شود و پس از توزین، در داخل قالب قرار داده می شوند. فشار اعملی بر روی قالب گرم، موجب می شود تا ماده ی پلیمری، شکل دهی شود. بعد از فشار دهی، قالب بسته نگه داشته می شود تا زمانی که عمل آوری کامل شده و پیوندهای عرضی تشکیل شوند. فرایند فشرده سازی و قالب گیری انتقالی، فرایندهای بچ محسوب می شوند.
قالب گیری انتقالی
قالب گیری انتقالی (شکل 4) یک نوع قالب گیری تحت فشار است که در آن، یک منبع از رزین مذاب، موجود می باشد. این رزین مذاب، در زمان مناسب، به داخل حفره ی قالب، وارد می شود. این روش، نسبت به روش قالب گیری فشاری در کاربردهایی، مزیت دارد، که در آنها یک پوسته ی توخالی مورد نیاز باشد. در این روش، قالب به صورت مستقیم تحت فشار قرار نمی گیرد. اجزای الکتریکی معمولا از طریق قالب گیری انتقالی، تولید می شوند.
قالب گیری تزریقی
در قالب گیری تزریقی پلاستیک های ترموست، روش مشابه روش مورد استفاده در قالب گیری مواد ترموپلاست است به جز اینکه پلاستیک شدن در دماهای بسیار پایین ایجاد می شود و عمل آوری نیز در قالب انجام می شود. مواد تا زمانی در قالب باقی می مانند که عمل آوری به طور مناسب انجام شده باشد و شکل حالت پایدار به خود گرفته باشد. در این زمان، قطعه از قالب جداسازی می شود اگر چه این قطعه هنوز گرم است. زمان های سیکلی مورد نیاز برای ترموست ها، بیشتر از مواد ترموپلاست می باشد. علت این مسئله، نیاز به انجام واکنش شیمیایی در فرایند ترموست می باشد.
فرایندهای قالب گیری تزریقی، فشاری و انتقالی، روش های قالب گیری با فشار بالا هستند. علاوه بر این روش ها، روش های قالب گیری فشار پایین نیز وجود دارند که برای رزین های مایع خاص، استفاده می شوند. از این روش ها، بیشتر در تولید کامپوزیت های تقویت شده با الیاف، استفاده می شود. تزریق رزین با کمک خلأ (VARI)، قالب گیری انتقالی رزین (RTM) و یا فرایند تزریق خلأ از جمله فرایندهای قالب گیری با فشار پایین است که در آن، رزین کاتالیست شده به داخل قالب های منطبق شده، وارد می شوند. استفاده از سری های خلأ برای کمک به تزریق رزین به داخل قالب، در این روش، استفاده می شود. تمام این روش ها، به سهولت جریان یافتن پیش پلیمر و ترشوندگی خوب با تقویت کننده، وابسته می باشند.
بسیاری از پلیمرهای ترموست (مانند پلی یوریتان، اپوکسیدها، سیلیکون ها، پلی استرهای اصلاح شده، فنول- فرمالدهید و رزین های آمینو) و برخی از پلیمرهای ترموپلاست (مانند پلی آمید 6 اصلاح شده و اکریلیک های خاص) می توانند به صورت مستقیم از مونومرهای مایع و با ویسکوزیته ی پایین و یا اچزای پیش پلیمری، تولید شوند. این پیش ماده ها، پیش از فرآوری، با نسبت معین با هم مخلوط می شوند. واحدهای مخلوط سازی مجهز به تجهیزات اندازه گیری و مخلوط سازی هستند.
عموماً پلیمرهای ترموست دارای ویسکوزیته ی پایینی هستند، بنابراین، وقتی این مواد قالب را تحت فشار پر می کنند، مقداری از ماده از میان حفره ی بین دو قالب، نشت می کند و موجب ایجاد تراشه های زائد می شود. در حالی که این مشکل، می تواند در مورد قالب گیری تزریقی TP ها، و با استفاده از طراحی مناسب ساختار قالب و تعیین مناسب پارامترهای فرایندی، اصلاح شود. البته می توان زائده های ناخواسته را با روش سایشی نیز جدا کرد. البته ضایعات ترموست را نمی توان دوباره بازیافت کرد. این مسئله در مورد ترموپلاست ها، ممکن بود.
پلاستیک های منبسط شده
4 روش کلی برای تولید پلاستیک های منبسط شده، وجود دارد: روش اول، روش شیمیایی، دومی روش فیزیکی سومی روش مکانیکی و روش چهارم، استفاده از میکروکره های توخالی برای ایجاد حفره می باشد.
پلاستیک های متخلخل
این نوع از پلاستیک ها، در صنایعی همچون صنعت مبلمان، کف پوش، اتومبیل، ساختمان و کاربردهای فضایی، استفاده می شوند. فوم پلی یوریتان (PU) یا PS منبسط شده (EPS) نیز به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. موادی همچون فنولیک ها، اوره- فرمالدهید، سیلکون، PVC و اکریلیک ها نیز به صورت فوم تولید و استفاده می شوند.
به عنوان مثال، شیمی پایه ی مربوط به PU به طور خلاصه در این جا، توصیف شده است: در حقیقت یک اتصال یوریتانی نتیجه ای از واکنش میان ایزوسیانات و یک گروه هیدروکسیل است.
پلی یوریتان ها در صورتی بدست می آیند که ایزوسیانات ساده با دی ایزوسیانات و یک الکل ساده، با استفاده از پلی یول، جایگزین شود (عموما وقتی ایزوسیانات با مواد دارای اتم های هیدروژن مانند ترکیبات OH ، آمین ها، آب و اسیدهای کربوکسیلیک واکنش می دهند).
دی سیانات ها:
پلی یول ها: یک گستره از پلی یول های بر پایه ی پلی اترها یا پلی استرها وجود دارد. برای تولید فوم انعطاف، تیول های پلی استری و یا پلی اتری وزن مولکولی بالاتر (تقریبا 3000) مورد استفاده قرار می گیرد. برای تولید فوم های صلب، پلی یول های مورد استفاده عامل دار تر هستند و وزن مولکلولی نیز پایین تر است (بین 100 تا 1000).
کاتالیست ها: آمین ها و یا ترکیبات ارگانومتالیک مانند ارگانوتین، برای افزایش سرعت واکنش، استفاده می شود.
عوامل منبسط کننده: CFC ها مانند فرئون 11 و 12 به طور گسترده ای در این کاربرد استفاده می شوند اما استفاده از این مواد امروزه، ممنوع شده است. علت این مسئله، تخریب لایه ی ازون با استفاده از این عوامل می باشد. اگر چه عوامل منبسط کننده مانند هیدروکلروفلئوروکربن ها (HCFC ها) و هیدروفلئوروکربن ها (HFC ها) که هر دو شامل پیوندهای C-H می باشند، در تروپوسفر تجزیه می شوند، اما این مواد در حال جایگزین شده با محصولات دیگر می باشند.
سایر عوامل منبسط کننده ی شامل هیدروکربن های با نقطه ی جوش پایین و دی اکسید کربن می باشند. در برخی کاربردها که در آنها، عوامل فوم ساز مایع، مورد نیاز است، نقطه ی جوش باید بالاتر از دمای اتاق باشد. هیدروکربن هایی مانند سیکلوپنتان، ایزوپنتان و نرمال پنتان و ایزومرهای بوتان که در حقیقت به عنوان عوامل کمک منبسط کننده، استفاده می شوند، دارای مزیت هایی همچون قیمت پایین، میزان اثرگذاری کم بر روی گرم شدن زمین و در دسترسی بالاتر دارند. محدودیت این هیدروکربن ها، آتش گیری بالا و میزان مواد فرار بالا می باشد.
سورفکتانت: این ماده معمولا از یک روغن سیلکونی تشکیل شده است که موجب کنترل ساختار حفرات فوم و یکنواختی این حفرات می شود.
برای اهداف فرآوری، مواد ارزان قیمت پلی یولی، کاتالیست، عوامل منبسط کننده و سورفکتانت با هم مخلوط شده و گازگیری می شوند. در این حالت، بخش اول یا بخش A تولید شده است. جزء ایزوسیانات نیز در حقیقت جزء B را تشکیل می دهد. در طی فرایند تولید، بخش A و B مخلوط می شوند. دمای این مخلوط سازی باید بوسیله ی حلال، گرفته شود تا از کلوخه ای شدن محصول نهایی، جلوگیری شود (شکل 5).
شکل 6 نشاندهنده ی غلطک مورد استفاده برای ادوات کشاورزی است که ابتدا به صورت چرخشی قالب گیری شده و سپس با استفاده از پلی یوریتان صلب، پر می شود. پر شدن این محصول، با استفاده از ماشین مخلوط سازی انجام می شود. فوم به صورت مکانیکی سری شافت فرام را نگه می دارد و از تضعیف آن، جلوگیری می کند.
سایر انواع فوم ها علاوه بر پلی یوریتان نیز مورد استفاده قرار می گیرند، این فوم ها، عبارتند از:
فوم پلی استایرن و پلی اتیلن
این فوم های ترموپلاست به طور گسترده ای در کاربردهای بسته بندی و ساختمانی، استفاده می شوند. پلیمریزاسیون بسترهای PS برای با پلیمریزاسیون سوسپانسیونی انجام می شود که در انها، از عوامل انبساط دهنده ای مانند پنتان استفاده می شود. تقریباً 6 % پنتان به مونومر اضافه می شود و پلیمریزاسیون بعدی موجب می شود تا گاز در گوی های پلیمری، گرفتار شود. عوامل جوانه زنی (سدیم بی کربنات و یا سیتریک اسید) نیز برای افزایش میزان یکنواختی گوی ها، استفاده می شود. این گوی ها در داخل قالب قرار داده می شوند و در دمایی در حدود 120 درجه ی سانتیگراد، به شکل قالب تبدیل می شوند. فوم پلی استایرن به صورت صفحات فومی تولید می شود. همچنین عوامل فوم زا و گوی های پلیمری می توانند در داخل اکسترودر وارد شوند و در اینجا، این گوی ها، منبسط می شوند و موجب تولید یک سطح مسطح می شوند. این صفحات می توانند سپس شکل دهی شوند مثلا با روش شکل دهی تحت خلأ.
فوم PE عمدتا از طریق روش های اکستروژنی، تولید می شود. این فوم با حل کردن و مخلوط کردن یک گاز (ایزوبوتان و یا پنتان) به داخل مذاب PE، تولید می شود. در این روش، حباب های گاز کوچک و یا حفرات کوچک، در داخل پلیمر، تولید می شود. در نهایت، سرد شدن مذاب پلیمری، موجب تشکیل فوم می شود. با استفاده از قالب های اکسترود مناسب، فوم می تواند به صورت محصولات مختلفی از جمله محصولات تیوبی شکل، صفحه ای و بلوکی، تولید شود. انبساط ایجاد شده در این مواد، موجب کاهش دانسیته ی پلی اتیلن می شود. LDPE دارای وزن مخصوصی در حدود 0.920 می باشد که این دانسیته با استفاده از فومی شدن، به 0.30 می رسد. این کاهش وزنی با منبسط شدن PE به میزان 30 برابر ایجاد می شود.
فوم اوره- فرمالدهید (UF): این فوم از طریق تهییج مکانیکی تولید می شود. در حقیقت این ماده انواع مختلفی از مایعات را جذب می کند. بنابراین، از آن در تازه نگه داشتن گل، استفاده می شود.
کره های توخالی نیز ممکن است به پلاستیک ها اضافه شوند تا بدین صورت، وزن آنها کاهش یابد.
فنول- فرمالدهید نیز برای تولید فوم های با خاصیت ضد آتش ذاتی، استفاده می شود.
سیستم های پوشش دهی
رنگ ها برای اهداف دکوراسیونی مورد استفاده قرار می گیرند اما هدف مهم تر استفاده از آنها، ایجاد یک محافظت از ماده ی زیرین می باشد. یک سیستم پوشش دهی مایع شامل یک رزین یا ماده ی پلیمری (بایندر)، حلال، پیگمنت و توسعه دهنده می باشد. پیگمنت یک ترکیب محو شونده است زیرا اندیس شکست آن نسبت به بایندر بالاتر می باشد. پلیمرهای مورد استفاده به عنوان بایندر، معمولاً جامد هستند و یا ویسکوزیته ی بسیار بالایی دارند. با استفاده از تینر (حلال) این ویسکوزیته کاهش داده می شود.
فرایند سخت شدن و خشک شدن براای پوشش اعمال شده، عبارتست از سخت شدن با هوا و یا سخت شدن با حرارت. در مورد سخت شدن در هوا، حلال با تبخیر شدن از سطح، خارج می شود و پوشش و یا فیلم پلیمری با ایجاد پیوند عرضی، سخت می شود. در حالی که در سخت شدن حرارتی، حرارت موجب تشدید تبخیر حلال می شود و همچنین پیوند عرضی نیز ایجاد می کند. رنگ هایی که نیازمند حرارت برای خشک شدن هستند، رنگ های عمل آوری شده و یا رنگ های کوره ای نامیده می شوند.
روش های پوشش دهی
غوطه وری: اجزاع در داخل آون حرارت داده می شوند تا به دمای معینی برسند. سپس عمل غوطه وری بر روی آنها انجام می شود. در این حالت، پلیمری بر روی سطح داغ فلز می چسبد و موجب تشکیل یک پوشش بر روی آن می کند. پوشش سپس دوباره وارد کوره می شود و بدین صورت، یک پوشش یکنواخت بر روی سطح، ایجاد می شود.
مراحل اصلی پوشش دهی غوطه وری، عبارتند از:
آماده سازی فلز (مانند چربی زدایی، شات بلست و تمیزکاری)
پیش گرم کردن (دمایی بین 230 تا 400 درجه ی سانتیگراد)
غوطه وری
ذوب مجدد و عمل آوری
سایر روش های پوشش دهی نیز وجود دارد مانند انواع روش های اسپری، استامپ فویل فلزی داغ و روش های پوشش دهی فیزیکی و شیمیایی از فاز بخار می باشد.
روش غوطه وری با استفاده از پوشش دهی بستر سیال (شکل 7) تسهیل می شود. در حقیقت یک گاز بر خلاف جهت ستونی از پودر پلیمری حرکت می کند. در یک سرعت دمش معین، وزن ذرات کمی کمتر از نیروی بویانسی گاز می شود و بدین صورت، پودر سیال می شود. اجسامی که می خواهیم پوشش بر روی آنها، ایجاد شود، با استفاده از انرژی الکتریکی بایاس می شوند. پودر پلاستیکی متداولی که در این روش، استفاده می شوند، عبارتند از: PE، اکریلیک، نایلون، PP و PVC.
ذرات پودر دارای اندازه ای در گستره ی 30 تا 250 میکرون می باشند. ذرات بزرگتر از 200 میکرون، سخت تر از ذرات با اندازه ی 30 میکرون، به حرکت در می آیند و از این رو، جریانی از ذرات ریز در بالای بستر ایجاد می شود. روش مورد استفاده، موجب تشکیل لایه هایی با ضخامت بین 250 تا 500 میکرون می شود. حتی در برخی موارد، امکان تولید پوشش هایی با ضخامت هایی در حد دو میلیمتر نیز مقدور می شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Introduction to polymer science and technology/ Mustafa Akay
بیشتر ترموست ها ممکن است به صورت خالص مورد استفاده قرار گیرند، مثلا به صورت مخلوط با کامپوزیت های زمینه ی پلیمری. در حقیقت قالب گیری ترکیبات به صورت قالب گیری مخلوطی از رزین های ترموست به همراه الیاف و یا تقویت کننده های فیبری انجام می شود. در برخی از کاربردها، استفاده از الیاف شیشه برای تقویت نیز متداول است. فرمولاسیون های با ویسکوزیته ی پایین موجب پایین آمدن هزینه های تولید و هزینه های قالب می شود.
رزین های پلی استری (غیر اشباع) با پلیمریزاسیون تراکمی یک اسید چند عاملی به همراه الکلی چند عاملی، تولید می شوند.
اسید مالئیک (HOOC-HC=CH-COOH) حاوی 4 گروه عاملی است. گروه های کربوکسیل در این ماده متحمل واکنش استری شدن می شوند. این واکنش با دی الکل هایی مانند اتیلن گلیکول انجام می شود و پیوند های دوگانه می توانند موجب ایجاد واکنش های افزایشی شوند.
غیر اشباع بودن که در حقیقت وجود پیوندهای دوگانه در رزین های پلی استری می باشد، معمولاً به عنوان راه حلی در استایرن، استفاده می شود. این بحش ها به عنوان حلال عمل کرده و همچنین عوامل ایجاد کننده ی پیوند عرضی می باشند.
بنابراین، یک پلی استر خطی غیر اشباع، به همراه استایرن، یک کاتالیست فعال سازی شده موجب تولید یک پلیمر با پیوند عرضی می شود.
رزین های پلی استری معمولا به همراه بافته های تولید شده از الیاف شیشه و یا قطعات حصیری شکل مورد استفاده قرار می گیرند و موجب تولید لایه های مستحکمی می شوند. مقاومت دما بالا و مقاومت الکتریکی مناسب، موجب می شود تا این مواد، برای استفاده در صنعت الکتریکی، جذاب باشند.
رزین های آمینو مانند اوره فرمالدهید (UF)
ملامین فرمالدهید (MF) از ملامین (شکل 1) و فرمالدهید تولید می شود. این ماده هم به صورت رزینی و هم به صورت پودر قالب گیری، موجود می باشد.
کاربردهای اولیه این ماده در صنعت الکترونیک بوده است. در حقیقت کاغذهای آغشته به PF و لایه های بافته شده از پنبه کاربردهای را در تولید چرخدنده های خاص داشته است. PF و MF دارای مقاومت به شعله ی خوبی هستند. PF امروزه جایگزین پلی استر در محصولات متداولی شده است که بر پایه ی پلی استر تولید می شده اند. London Transport، پلاستیک های تقویت شده با الیاف شیشه ی (GRP) برای استفاده در کاربردهای زیرزمینی، توسعه داده است. البته دغدغه های قابل توجهی بعد از سال 1987 در مورد این ماده ایجاد شد. این دغدغه ها بیشتر دغدغه های زیست محیطی و ایمنی هستند. در حقیقت وقوع آتش سوزی های گسترده مخصوصاً در بخش های عمومی مانند فرودگاه ها، منجر به تمرکز توجه بر روی محصولاتی شد که بتوان آنها را در بخش های عمومی، استفاده کرد. در واقع اکثر قربانیان این آتشسوزی ها، به دلیل خفگی و مسمومیت ناشی از سوختن این محصولات و دود ناشی از آنها، کشته شدند. سایر استفاده های PF شامل جعبه های ذخیره سازی ادوات و سلاح می باشد. البته در این کاربردها نیز تولید محصولات ضد آتش و با میزان انتشار دود کم، پس از آتشسوزی، مد نظر می باشد.
روش های فرآوری برای توموست ها، عبارتند از فرآوری واکنشی پیش پلیمر و یا مونومرها به همراه کاتالیست یا یک عامل عمل آوری به عنوان بخشی از فرایند شکل دهی می باشد. این موارد، عبارتند از:
قالب گیری فشاری و یا انتقالی
قالب گیری تزریقی
قالب گیری تزریقی- واکنشی
تزریق با خلأ
توزیع رزین یا فوم
قالب گیری اتوکلاوری و انتقال رزینی
کش رانی
قالب گیری SMC/ DMC
دمش فیلامنتی
قالب گیری فشاری
این فرایند برای قالب گیری پودر و یا پلیمرهای DMC/ SMC مفید می باشد. قالب در داخل یک پرس هیدرولیک قرار داده می شود و تا دمایی در حدود 160- 200 درجه ی سانتیگراد، حرارت دهی می شوند (شکل 3). میزان پیش پلیمر مورد نیاز که با کاتالیزور و یا عامل عمل آوری مخلوط شده است، در داخل قالب قرار داده می شود و سپس قالب بسته شده و تحت فشار، ماده در داخل حفرات قالب، فرستاده می شوند. در مورد SMC، بار به قطعات کوچک بریده می شود و پس از توزین، در داخل قالب قرار داده می شوند. فشار اعملی بر روی قالب گرم، موجب می شود تا ماده ی پلیمری، شکل دهی شود. بعد از فشار دهی، قالب بسته نگه داشته می شود تا زمانی که عمل آوری کامل شده و پیوندهای عرضی تشکیل شوند. فرایند فشرده سازی و قالب گیری انتقالی، فرایندهای بچ محسوب می شوند.
قالب گیری انتقالی (شکل 4) یک نوع قالب گیری تحت فشار است که در آن، یک منبع از رزین مذاب، موجود می باشد. این رزین مذاب، در زمان مناسب، به داخل حفره ی قالب، وارد می شود. این روش، نسبت به روش قالب گیری فشاری در کاربردهایی، مزیت دارد، که در آنها یک پوسته ی توخالی مورد نیاز باشد. در این روش، قالب به صورت مستقیم تحت فشار قرار نمی گیرد. اجزای الکتریکی معمولا از طریق قالب گیری انتقالی، تولید می شوند.
در قالب گیری تزریقی پلاستیک های ترموست، روش مشابه روش مورد استفاده در قالب گیری مواد ترموپلاست است به جز اینکه پلاستیک شدن در دماهای بسیار پایین ایجاد می شود و عمل آوری نیز در قالب انجام می شود. مواد تا زمانی در قالب باقی می مانند که عمل آوری به طور مناسب انجام شده باشد و شکل حالت پایدار به خود گرفته باشد. در این زمان، قطعه از قالب جداسازی می شود اگر چه این قطعه هنوز گرم است. زمان های سیکلی مورد نیاز برای ترموست ها، بیشتر از مواد ترموپلاست می باشد. علت این مسئله، نیاز به انجام واکنش شیمیایی در فرایند ترموست می باشد.
فرایندهای قالب گیری تزریقی، فشاری و انتقالی، روش های قالب گیری با فشار بالا هستند. علاوه بر این روش ها، روش های قالب گیری فشار پایین نیز وجود دارند که برای رزین های مایع خاص، استفاده می شوند. از این روش ها، بیشتر در تولید کامپوزیت های تقویت شده با الیاف، استفاده می شود. تزریق رزین با کمک خلأ (VARI)، قالب گیری انتقالی رزین (RTM) و یا فرایند تزریق خلأ از جمله فرایندهای قالب گیری با فشار پایین است که در آن، رزین کاتالیست شده به داخل قالب های منطبق شده، وارد می شوند. استفاده از سری های خلأ برای کمک به تزریق رزین به داخل قالب، در این روش، استفاده می شود. تمام این روش ها، به سهولت جریان یافتن پیش پلیمر و ترشوندگی خوب با تقویت کننده، وابسته می باشند.
بسیاری از پلیمرهای ترموست (مانند پلی یوریتان، اپوکسیدها، سیلیکون ها، پلی استرهای اصلاح شده، فنول- فرمالدهید و رزین های آمینو) و برخی از پلیمرهای ترموپلاست (مانند پلی آمید 6 اصلاح شده و اکریلیک های خاص) می توانند به صورت مستقیم از مونومرهای مایع و با ویسکوزیته ی پایین و یا اچزای پیش پلیمری، تولید شوند. این پیش ماده ها، پیش از فرآوری، با نسبت معین با هم مخلوط می شوند. واحدهای مخلوط سازی مجهز به تجهیزات اندازه گیری و مخلوط سازی هستند.
عموماً پلیمرهای ترموست دارای ویسکوزیته ی پایینی هستند، بنابراین، وقتی این مواد قالب را تحت فشار پر می کنند، مقداری از ماده از میان حفره ی بین دو قالب، نشت می کند و موجب ایجاد تراشه های زائد می شود. در حالی که این مشکل، می تواند در مورد قالب گیری تزریقی TP ها، و با استفاده از طراحی مناسب ساختار قالب و تعیین مناسب پارامترهای فرایندی، اصلاح شود. البته می توان زائده های ناخواسته را با روش سایشی نیز جدا کرد. البته ضایعات ترموست را نمی توان دوباره بازیافت کرد. این مسئله در مورد ترموپلاست ها، ممکن بود.
پلاستیک های منبسط شده
4 روش کلی برای تولید پلاستیک های منبسط شده، وجود دارد: روش اول، روش شیمیایی، دومی روش فیزیکی سومی روش مکانیکی و روش چهارم، استفاده از میکروکره های توخالی برای ایجاد حفره می باشد.
پلاستیک های متخلخل
این نوع از پلاستیک ها، در صنایعی همچون صنعت مبلمان، کف پوش، اتومبیل، ساختمان و کاربردهای فضایی، استفاده می شوند. فوم پلی یوریتان (PU) یا PS منبسط شده (EPS) نیز به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. موادی همچون فنولیک ها، اوره- فرمالدهید، سیلکون، PVC و اکریلیک ها نیز به صورت فوم تولید و استفاده می شوند.
به عنوان مثال، شیمی پایه ی مربوط به PU به طور خلاصه در این جا، توصیف شده است: در حقیقت یک اتصال یوریتانی نتیجه ای از واکنش میان ایزوسیانات و یک گروه هیدروکسیل است.
پلی یوریتان ها در صورتی بدست می آیند که ایزوسیانات ساده با دی ایزوسیانات و یک الکل ساده، با استفاده از پلی یول، جایگزین شود (عموما وقتی ایزوسیانات با مواد دارای اتم های هیدروژن مانند ترکیبات OH ، آمین ها، آب و اسیدهای کربوکسیلیک واکنش می دهند).
دی سیانات ها:
پلی یول ها: یک گستره از پلی یول های بر پایه ی پلی اترها یا پلی استرها وجود دارد. برای تولید فوم انعطاف، تیول های پلی استری و یا پلی اتری وزن مولکولی بالاتر (تقریبا 3000) مورد استفاده قرار می گیرد. برای تولید فوم های صلب، پلی یول های مورد استفاده عامل دار تر هستند و وزن مولکلولی نیز پایین تر است (بین 100 تا 1000).
کاتالیست ها: آمین ها و یا ترکیبات ارگانومتالیک مانند ارگانوتین، برای افزایش سرعت واکنش، استفاده می شود.
عوامل منبسط کننده: CFC ها مانند فرئون 11 و 12 به طور گسترده ای در این کاربرد استفاده می شوند اما استفاده از این مواد امروزه، ممنوع شده است. علت این مسئله، تخریب لایه ی ازون با استفاده از این عوامل می باشد. اگر چه عوامل منبسط کننده مانند هیدروکلروفلئوروکربن ها (HCFC ها) و هیدروفلئوروکربن ها (HFC ها) که هر دو شامل پیوندهای C-H می باشند، در تروپوسفر تجزیه می شوند، اما این مواد در حال جایگزین شده با محصولات دیگر می باشند.
سایر عوامل منبسط کننده ی شامل هیدروکربن های با نقطه ی جوش پایین و دی اکسید کربن می باشند. در برخی کاربردها که در آنها، عوامل فوم ساز مایع، مورد نیاز است، نقطه ی جوش باید بالاتر از دمای اتاق باشد. هیدروکربن هایی مانند سیکلوپنتان، ایزوپنتان و نرمال پنتان و ایزومرهای بوتان که در حقیقت به عنوان عوامل کمک منبسط کننده، استفاده می شوند، دارای مزیت هایی همچون قیمت پایین، میزان اثرگذاری کم بر روی گرم شدن زمین و در دسترسی بالاتر دارند. محدودیت این هیدروکربن ها، آتش گیری بالا و میزان مواد فرار بالا می باشد.
سورفکتانت: این ماده معمولا از یک روغن سیلکونی تشکیل شده است که موجب کنترل ساختار حفرات فوم و یکنواختی این حفرات می شود.
برای اهداف فرآوری، مواد ارزان قیمت پلی یولی، کاتالیست، عوامل منبسط کننده و سورفکتانت با هم مخلوط شده و گازگیری می شوند. در این حالت، بخش اول یا بخش A تولید شده است. جزء ایزوسیانات نیز در حقیقت جزء B را تشکیل می دهد. در طی فرایند تولید، بخش A و B مخلوط می شوند. دمای این مخلوط سازی باید بوسیله ی حلال، گرفته شود تا از کلوخه ای شدن محصول نهایی، جلوگیری شود (شکل 5).
فوم پلی استایرن و پلی اتیلن
این فوم های ترموپلاست به طور گسترده ای در کاربردهای بسته بندی و ساختمانی، استفاده می شوند. پلیمریزاسیون بسترهای PS برای با پلیمریزاسیون سوسپانسیونی انجام می شود که در انها، از عوامل انبساط دهنده ای مانند پنتان استفاده می شود. تقریباً 6 % پنتان به مونومر اضافه می شود و پلیمریزاسیون بعدی موجب می شود تا گاز در گوی های پلیمری، گرفتار شود. عوامل جوانه زنی (سدیم بی کربنات و یا سیتریک اسید) نیز برای افزایش میزان یکنواختی گوی ها، استفاده می شود. این گوی ها در داخل قالب قرار داده می شوند و در دمایی در حدود 120 درجه ی سانتیگراد، به شکل قالب تبدیل می شوند. فوم پلی استایرن به صورت صفحات فومی تولید می شود. همچنین عوامل فوم زا و گوی های پلیمری می توانند در داخل اکسترودر وارد شوند و در اینجا، این گوی ها، منبسط می شوند و موجب تولید یک سطح مسطح می شوند. این صفحات می توانند سپس شکل دهی شوند مثلا با روش شکل دهی تحت خلأ.
فوم PE عمدتا از طریق روش های اکستروژنی، تولید می شود. این فوم با حل کردن و مخلوط کردن یک گاز (ایزوبوتان و یا پنتان) به داخل مذاب PE، تولید می شود. در این روش، حباب های گاز کوچک و یا حفرات کوچک، در داخل پلیمر، تولید می شود. در نهایت، سرد شدن مذاب پلیمری، موجب تشکیل فوم می شود. با استفاده از قالب های اکسترود مناسب، فوم می تواند به صورت محصولات مختلفی از جمله محصولات تیوبی شکل، صفحه ای و بلوکی، تولید شود. انبساط ایجاد شده در این مواد، موجب کاهش دانسیته ی پلی اتیلن می شود. LDPE دارای وزن مخصوصی در حدود 0.920 می باشد که این دانسیته با استفاده از فومی شدن، به 0.30 می رسد. این کاهش وزنی با منبسط شدن PE به میزان 30 برابر ایجاد می شود.
فوم اوره- فرمالدهید (UF): این فوم از طریق تهییج مکانیکی تولید می شود. در حقیقت این ماده انواع مختلفی از مایعات را جذب می کند. بنابراین، از آن در تازه نگه داشتن گل، استفاده می شود.
کره های توخالی نیز ممکن است به پلاستیک ها اضافه شوند تا بدین صورت، وزن آنها کاهش یابد.
فنول- فرمالدهید نیز برای تولید فوم های با خاصیت ضد آتش ذاتی، استفاده می شود.
سیستم های پوشش دهی
رنگ ها برای اهداف دکوراسیونی مورد استفاده قرار می گیرند اما هدف مهم تر استفاده از آنها، ایجاد یک محافظت از ماده ی زیرین می باشد. یک سیستم پوشش دهی مایع شامل یک رزین یا ماده ی پلیمری (بایندر)، حلال، پیگمنت و توسعه دهنده می باشد. پیگمنت یک ترکیب محو شونده است زیرا اندیس شکست آن نسبت به بایندر بالاتر می باشد. پلیمرهای مورد استفاده به عنوان بایندر، معمولاً جامد هستند و یا ویسکوزیته ی بسیار بالایی دارند. با استفاده از تینر (حلال) این ویسکوزیته کاهش داده می شود.
فرایند سخت شدن و خشک شدن براای پوشش اعمال شده، عبارتست از سخت شدن با هوا و یا سخت شدن با حرارت. در مورد سخت شدن در هوا، حلال با تبخیر شدن از سطح، خارج می شود و پوشش و یا فیلم پلیمری با ایجاد پیوند عرضی، سخت می شود. در حالی که در سخت شدن حرارتی، حرارت موجب تشدید تبخیر حلال می شود و همچنین پیوند عرضی نیز ایجاد می کند. رنگ هایی که نیازمند حرارت برای خشک شدن هستند، رنگ های عمل آوری شده و یا رنگ های کوره ای نامیده می شوند.
روش های پوشش دهی
غوطه وری: اجزاع در داخل آون حرارت داده می شوند تا به دمای معینی برسند. سپس عمل غوطه وری بر روی آنها انجام می شود. در این حالت، پلیمری بر روی سطح داغ فلز می چسبد و موجب تشکیل یک پوشش بر روی آن می کند. پوشش سپس دوباره وارد کوره می شود و بدین صورت، یک پوشش یکنواخت بر روی سطح، ایجاد می شود.
مراحل اصلی پوشش دهی غوطه وری، عبارتند از:
آماده سازی فلز (مانند چربی زدایی، شات بلست و تمیزکاری)
پیش گرم کردن (دمایی بین 230 تا 400 درجه ی سانتیگراد)
غوطه وری
ذوب مجدد و عمل آوری
سایر روش های پوشش دهی نیز وجود دارد مانند انواع روش های اسپری، استامپ فویل فلزی داغ و روش های پوشش دهی فیزیکی و شیمیایی از فاز بخار می باشد.
روش غوطه وری با استفاده از پوشش دهی بستر سیال (شکل 7) تسهیل می شود. در حقیقت یک گاز بر خلاف جهت ستونی از پودر پلیمری حرکت می کند. در یک سرعت دمش معین، وزن ذرات کمی کمتر از نیروی بویانسی گاز می شود و بدین صورت، پودر سیال می شود. اجسامی که می خواهیم پوشش بر روی آنها، ایجاد شود، با استفاده از انرژی الکتریکی بایاس می شوند. پودر پلاستیکی متداولی که در این روش، استفاده می شوند، عبارتند از: PE، اکریلیک، نایلون، PP و PVC.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Introduction to polymer science and technology/ Mustafa Akay
