چطور ضربه‌پذیری پلی‌پروپیلن را افزایش دهیم؟
پلی‌پروپیلن مقاوم به ضربه، یکی از انواع PP است که در کاربردهایی که جذب انرژی ضربه اهمیت داشته باشد مورد استفاده قرار می‌گیرد. پلی‌پروپیلن یکی از معروف‌ترین و پرکاربردترین مواد پلیمری است که در کاربرد بسیار زیادی در صنایع مختلف دارد. بسیاری از محصولاتی که در زندگی روزمره با آنها مواجه می‌شویم، از پلی‌پروپیلن تولید می‌شوند. بررسی‌های آماری نشان می‌دهد که پلی‌پروپیلن در حال حاضر به عنوان پر مصرف‌ترین ماده پلیمری در سطح دنیا به حساب می‌آید. همین مسئله باعث شده است که محققان به فکر راه‌های تقویت خواص این ماده پلیمری باشند. یکی از این خواص مورد نظر افزایش ضربه‌پذیری پلی‌پروپیلن است. در ادامه بررسی خواهیم کرد که پلی‌پروپیلن مقاوم به ضربه چیست و چگونه تولید می‌شود.پلی‌پروپیلن های مقاوم به ضربه بیشتر در صنعت خودرو سازی مورد استفاده قرار میگیرند. بطور مثال مواد PPR40 و یا مواد پلی‌پروپیلن 440L کاربرد فروانی در این صنعت دارند.
پلی‌پروپیلن مقاوم به ضربه چیست؟
مصرف سالانه پلی‌پروپیلن در حال حاضر در سطح دنیا، حدود ۸۰ میلیون تن در سال است. این میزان مصرف مرتبط با گریدهای مختلف این ماده پلیمری است. اما یکی از نقاط ضعفی که در خصوص استفاده از پلی‌پروپیلن به صورت مستقل وجود دارد، میزان ضربه‌پذیری یا چقرمگی پایین آن است. چقرمگی اصطلاحا به میزان تحمل ضربه توسط یه ماده در واحد سطح گفته می‌شود. بررسی‌های آزمایشگاهی نشان داده است که دلیل مقاومت پایین پلی‌پروپیلن در برابر ضربه، ساختار بلورین آن است.
مجموعه‌های تحقیقاتی و مهندسی، تلاش بسیار زیادی در دهه‌های گذشته کرده‌اند تا به کمک روش‌هایی میزان ضربه‌پذیری پلی‌پروپیلن را تا حد زیادی افزایش دهند. در نتیجه این اقدامات خواص ضربه‌پذیری پلی‌پروپیلن بهبود یافته است. باید در نظر داشته باشید که قیمت پلی‌پروپیلن مقاوم به ضربه به دلیل فرآیندهای مختلفی که روی آنها اعمال شده است، در مقایسه با پلی‌پروپیلن معمولی بیشتر است.
پلی‌پروپیلن مقاوم به ضربه چگونه تولید می‌شود؟
برای افزایش قابلیت چقرمگی پلی‌پروپیلن، مواد اصلاح‌کننده‌ای در فرآیند تولید به آن افزوده می‌شود. این مواد که به عنوان بهبود دهنده ضربه‌پذیری پلی‌پروپیلن نیز شناخته می‌شوند، میزان چقرمگی آن را افزایش می‌دهد. یکی از گزینه‌های مناسب برای افزایش چقرمگی پلی‌پروپیلن، الاستومرها یا لاستیک‌ها هستند. همان طور که گفته شد، ساختار بلوری پلی‌پروپیلن موجب شکنندگی بالای آن می‌شود. بنابراین باید به دنبال افزودن اصلاح‌کننده‌ای نرم و انعطاف‌پذیر به آن بود.
ارتقای سطح چقرمگی پلیمرها، در حین واکنش پلیمریزاسیون صورت می‌پذیرد. در واقع در حین پلیمریزاسیون ماده افزودنی نرم، در ساختار بلوری پلی‌پروپیلن نفوذ می‌کند و این باعث می‌شود که از میزان شکنندگی آن کاسته شود. در ادامه قصد داریم تا موادی را که به عنوان اصلاح‌کننده خاصیت چقرمگی به پلی‌پروپیلن افزوده می‌شود، را معرفی کنیم.
پلی‌الفین‌ها
یکی از مهمترین موادی که به عنوان اصلاح‌کننده به پلی‌پروپیلن افزوده می‌شود، پلی‌الفین‌ها هستند. در سال‌های اخیر میزان استفاده از پلی‌الفین‌ها به طرز چشمگیری در صنایع مختلف افزایش یافته است. البته باید به یک نکته مهم توجه داشته باشید. این مواد صرفا برای پلی‌پروپیلن مقاوم به ضربه که قرار است در شرایط دمایی بالا مورد استفاده قرار گیرند، کاربرد دارد و در شرایط دمایی پایین، این ماده به صورت شکننده عمل می‌کند. برخی از محققان با افزودن درصدی الاستومر به پلی‌الفین‌ها سعی در برطرف کردن این مشکل داشته‌اند. اما با این کار مدول یانگ یا الاستیسیته آنها کاهش پیدا می‌کند.
پلی‌پروپیلن یا به اختصار PP ، پس از پلی‌اتیلن و پی وی سی ، پر مصرف ترین ترموپلاستیک است و در هر سال حدد ۸۰ میلیون تن گریدهای مختلف آن در سراسر دنیا در صنایع بسته بندی، نساجی، خودروسازی و دیگر صنایع به مصرف می رسد. با همین توصیف می توان نتیجه گرفت احتمالا پلی‌پروپیلن در گروه پلاستیک های معمولی قرار دارد. این نکته کاملا صحیح است و پلی‌پروپیلن به کمک قیمت معقول، فرایند پذیری راحت و به صرفه کاربرد گسترده ای پیدا کرده است و نکته ای که منجر به کاربرد بیشتر آن در کاربردهای حساس و مهندسی نشده است، مقاومت به ضربه کم آن است. هر چند در این بخش راهکارهای افزایش ضربه پذیری پلی‌پروپیلن را بررسی خواهیم کرد، اما در همین ابتدا باید بگوییم دلیل این نقطه ضعف پلی‌پروپیلن، بافت بلورین آن و در واقع ریز ساختار مولکولی آن است.
در طول ۳۰ سال گذشته تلاش های آکادمیک و صنعتی بسیاری برای افزایش ضربه‌پذیری پلی‌پروپیلن صورت گرفته است و چندین راهکار تجاری سازی شده است. این راهکارها را می توان در سه گروه اصلی زیر قرار داد و در ادامه مقاله در ارتباط با هر یک از روش ها توضیحات فنی را ارائه خواهیم داد.
- اضافه کردن الاستومر یا رابرهای منعطف
- اضافه کردن منومرهای دیگر در حین تولید
- کنترل بافت بلورین به کمک عوامل هسته زا
به ترتیب توضیحات فنی، مزایا و معایب را از آخرین مورد شروع میکنیم.
کنترل بافت بلورین پلی‌پروپیلن به کمک عوامل هسته زا (Nucleator)، صورت‌می گیرد. در این روش تمامی تلاش ها به منظور تغییر بافت بلورین از نوع شکننده به منعطف و ضربه پذیر صورت می گیرد. به همین منظور عوامل شیمیایی موسوم به بتا و گاما به پلی‌پروپیلن اضافه می شوند. از آنجاییکه بلور های پلی‌پروپیلن پس از ذوب و در حین خنک شدن آن ایجاد می شوند، کنترل بافت ناحیه بلورین قدری دشوار است و در هر فرایند تولید ( مانند تزریق و اکستروژن) می تواند نتایج متفاوتی را ایجاد کند و در نتیجه میزان مقاومت به ضربه یکنواختی ندارد. همچنین این روش هزینه تمام شده تولید را بالا می‌برد. در روش دوم در حین پلیمریزاسیون پلی‌پروپیلن در راکتورهای شیمیایی، منومر دومی به آن اضافه می شود. در مقیاس صنعتی بین ۲ تا ۱۰ درصد اتیلن به گریدهای پلی‌پروپیلن اضافه و گونه های جدیدی از آن موسوم به کوپلیمرهای تصادفی (Random PP) و بلوکی (Block PP) تولید می شود. با این کار نیز ریزساختار مولکولی پلی‌پروپیلن و همچنین بافت کریستالین آن تغییر می کند و مقاومت به ضربه بالا می رود. هر چند این روش کاملا اقتصادی و امروزه فراگیر است، اما دستیابی به گریدهایی با مقاومت به ضربه های بالا با محدودیت هایی در تولید روبرو است. در این حالت بخش های خروجی راکتورهای تولید با انسداد و گرفتگی روبرو می شوند. اما به سراغ روش اول، اضافه کردن رابرها به پلی‌پروپیلن می رویم. این فناوری محبوب ترین روشی است که برای افزایش مقاومت به ضربه پلی‌پروپیلن مورد استفاده قرار می گیرد. مهمترین مزیت این روش امکان استفاده از آن در اکسترودرهای کامپاندینگ در مقیاس تولید کم و همچنین دستیابی به گسترده وسیعی از مقاومت های به ضربه است. در این روش الاستومرهای منعطف به پلی‌پروپیلن اضافه می شوند و با توجه به نوع الاستومر، درصد استفاده از آن و روش اختلاط، مقاومت به ضربه پلی‌پروپیلن تنظیم می شود. اگر از مکانیسم‌های مولکولی که در این روش منجر به افزایش مقاومت به ضربه می شود، صرفنظر کنیم، یکی از مهمترین پارامترهای موثر در این روش، نوع الاستومر مورد استفاده است. الاستومرها با پلی‌پروپیلن ناسازگار هستند و با اضافه شدن آن ها دو بخش مختلف به صورت ماتریس پلی‌پروپیلن و قطرات الاستومر تشکیل می شود. اندازه این قطرات و فاصله بین آن ها، و نکته مهمتر سازگاری و چسبندگی بین ماتریس و قطره تعیین کننده بازدهی افزایش مقاومت به ضربه است. این وضعیت به الاستومر انتخابی و روش تولید بستگی دارد. از جمله مهمترین الاستومرهایی که برای بهبود مقاومت به ضربه پلی‌پروپیلن استفاده می شود می توان به EPDM به عنوان قدیمی ترین عضو، کوپلیمرهای الاستومری اتیلنی و پروپیلنیPOE (Polyolefin Elastomer)، SBS و SEBS اشاره کرد.
دیدگاهتان را بنویسید