خواص فیزیکی پلیمرها Physical properties of polymers

بسیاری از پلاستیک ها به علت قیمت اقتصادی مناسب نسبت به خواص مکانیکی مطلوبی که دارند، بسیار پر کاربردند. با توجه به تنوع و پیچیدگی پلیمرها، لازم است افرادی که با این مواد سرو کار دارند، اطلاعات فیزیکی و مکانیکی مطلوبی از خواص و کاربرد و نحوه اصلاح و تقویت این خواص داشته باشند. تنوع خواص پلیمرها تا حدی است که فیزیک آنها از مایعات و رابرهای نرم تا جامدات بسیار سخت تغییر می کند. از جنبه ای دیگر، از آنجا که اعمال تغییراتی به منظور اصلاح خواص، دیگر خواص نیز تحت تأثیر قرار می دهد، لازم است ارتباط بین خواص مختلف با هم  نیز مطالعه و مورد بررسی قرار گیرد.

به این منظور در این مقاله به بررسی فاکتورهای ساختاری مؤثر بر خواص فیزیکی و مکانیکی پلیمرها و همچنین فاکتورهای محیطی مؤثر و نحوه اندازه گیری و تقویت آنها پرداخته می شود.

خواص یک ماده، بیانگر مشخصات آن می باشد. خواص فیزیکی، خواص ذاتی و مورفولوژیکی ماده را مورد بررسی قرار می دهد. به منظور تعیین خواص فیزیکی، ساختار ماده پلیمری از دو جنبه مورد توجه قرار می گیرد: از جمله مولکولی و فیزیکی.

ساختمان ماده پلیمری:

1-مولکولی:

● M: متوسط وزن مولکولی

● MWD: توزیع وزن مولکولی

● Cross-linking : میزان اتصالات عرضی شیمیایی

● Flexibility: میزان انعطاف پذیری

● Branches: میزان شاخه ها

● Re peating units: واحدهای تکراری

● END Groups: گروه های انتهایی

● Additives: افزودنی ها

2-فیزیکی:

■ Conformation: کانفورماسیون که با چرخش پیوندی صورت میگیرد.

■ Configuration: کانفیکورسیون که تعیین کننده نحوه ی قرارگیری اتم ها در فضا است که جهت تغییر، نیاز به شکست پیوند می باشد.

به منظور بررسی خواص، به یک حداقل وزن مولکولی (M) نیاز است، بنابراین وزن مولکولی پارامتری تعیین کننده در پلیمرها برای ایجاد خواص مطلوب می باشد. به عنوان مثال نایلون 6-6 با یک حداقل وزن مولکولی کمتری نسبت به پلی پروپیلن (PP)، خواص قابل ملاحظه ای را نشان می دهد. همچنین شیب رشد خواص نایلون 6-6 بیشتراز PP است.

توزیع وزن مولکولی (MWD یا PDI) باریک تر (وجود زنجیرهایی با طول یکسان) استحکام کششی بالاتری را نتیجه می دهد.

اما برای ازدیاد طول تا نقطه شکست بیشتر، PDI بیشتر (توزیع بهتر) مطلوب است.

اتصالات عرضی سبب مشکل تر شدن تحریک مولکولی می شود. ایجاد اتصالات عرضی در مورد رابرها بیشتر مطرح است، زیرا رابرها بدون اتصالات عرضی استحکام مکانیکی لازم را ندارند.

انعطاف پذیری ترمودینامیکی (∆u)، حاصل تغییرات انرژی پتانسیل قبل و بعد از چرخش پیوند است. هرچه ∆u کمتر باشد، چرخش پیوندی با سهولت بیشتری صورت میگیرد.

با افزایش شاخه ها، چرخش پیوندی مشکل تر می شود و تحریک زنجیرها به علت گیر افتادن زنجیرها در هم، کاهش می یابد. به منظور تأمین بعضب خواص، گاهی فرآیند پلیمریزاسیون به سمت تولید پلیمری با درصد معین شاخه هدایت می شود.

هر پلیمر از واحد یا واحدهای تکراری تشکیل شده است که نوع پیوندهای موجود در این واحدهای تکراری تعیین کننده خواص نهایی پلیمر است.

با کاهش وزن مولکولی، تعداد گروه های انتهایی افزایش می یابد. از آنجا که گروه های انتهایی تحریک بیشتری دارند، سبب افت خواص میشوند.

تغییرات کانفورماسیونی، نیاز به انرژی بسیار کمی دارد، به طوری که در دمای اتاق نیز رخ می دهد و موجب ایجاد ایزومرهای زاویه ای می شود (ایزومرهای سیس و ترانس). کانفورماسیون زیگزاگ (Helix) پایدارترین حالت (حد بالا) و کانفورماسیون مارپیچی (Coil) بی نظم ترین حالت (حد پایین) می باشد.بنابراین به منظور تبلور می بایست کانفورماسیون به حالت زیگزاگ نزدیک شود.

کانفیگوراسیون شامل نحوه اتصالات مختلف مونومرها با یکدیگر است. در بررسی کانفیگوراسیون به بحث تاکتیسیته پرداخته می شود. آرایشی که در آن استخلاف های تمام اتم های کربن نا متقارن به صورت یکسان قرار گیرند، ایزو تاکتیک، چنانچه استخلاف ها به صورت یک در میان، در بالا و پایین قرار گیرند، سندیو تاکتیک و اگر نظمی در آرایش استخلاف های کربن های نا متقارن وجود نداشته باشد، آتاکتیک، نامیده می شود.

افزودنی ها در حین تولید پلیمر یا فرآیند کردن آنها، به منظور ایجاد خواص و کاربردی ویژه مورد استفاده قرار میگیرند. تقسیم بندی افزودنی ها بر پایه نقش آنها عبارت است از:

1-نرم کننده (Lubricannt): به منظور سهولت عملیات فرایندی پلیمرها استفاده می شود و به دو دسته داخلی و خارجی تقسیم می شوند:

الف) نرم کننده داخلی: به منظور ایجاد سیالیت بهتر و سریع تر در حین عملیات فرایندی استفاده می شود، مانند: استئارات کلسیم، استرهای فتالیک.

ب) نرم کننده خارجی: به منظور کاهش اصطکاک و سهولت جریان یافتن مذاب پلیمری استفاده می شود، مانند: واکس پلی اتیلن، واکس پارافین.

نرم کننده خارجی می بایست نقطه ذوبی کمتر از دمای قالبگیری (فرایندی) داشته باشد تا در دمای قالبگیری به راحتی از پلیمر جدا شود.

نرم کننده داخلی برای نیمه کریستالین ها هم مناسب است ولی نوع خارجی مخصوص آمورف هاست و سبب کاهش بیشتر دمای انتقال شیشه ای (Tg) می شود.

2-پرکننده (Filler)

مواد پرکننده به منظور رقیق سازی پلیمر و کاهش هزینه و یا برای ایجاد تقویت کنندگی (بالای 2%) به پلیمر افزوده می شوند، مانند: کربنات کلسیم در لوله های PVC (به منظور کاهش هزینه) و سیلیکات ها.

3-پایدارکننده حرارتی (Heat Stabilizer)

به منظور ثبات خواص پلیمری در دماهای بالا افزوده می شوند، مانند: سولفات بازی سرب، فسفات بازی سرب.(به طور عمده صابون های فلزات سنگین یا نمک های بازی).

پایدار کننده حرارتی برای پلیمرهای حساس به حرارت مانند PVC که امکان سوختن و تخریب زیادی دارداستفاده می شود.

4-پایدارکننده نوری (UV Stabilizer)

به منظور محافظت پلیمر در مقابل نور UV افزوده می شود. افزودنی می بایست آسان تر از پلیمر بتواند نور UV را جذب کند، بدون این که دچار تخریب گردد، مانند: کربن بلاک.

دوده بهترین پایدارکننده نوری برای همه پلیمرهاست، اما چون رنگ آن سیاه است، برای همه محصولات مناسب نیست. پایدارکننده های بی رنگ مانند مواد حلقوی آمینی هم استفاده می شوند اما کارایی آنها مثل دوده نیست

5- ضد اکسیداسیون (Antioxidant)

عمده ترین عملکرد افزودنی ضد اکسیداسیون، واکنش با رادیکال آزاد فاز انتشار پلیمریزاسیون و ایجاد محصول غیر فعال می باشد، مانند: مشتقات فنل ها، آمین ها و آروماتیک ها.

ضد اکسیداسیون خود نوعی پایدارکننده حرارتی است که در شرایط دما و فشار زیاد افزوده می شود.

6- ضد الکتریسیته ساکن (Antistatic Agent)

اکثر پلیمرها به علت قطبیت کم، قابلیت جذب گرد و غبار دارند و الکتریسیته ساکن روی سطح آن ها تجمع می کند. به منظور رفع آن ضد الکتریسیته ساکن می افزایند که به سطح پلیمر آمده و با ایجاد یک لایه نازک هادی، از تجمع الکتریسیته ساکن به شدت می کاهد، مانند: پلی اتیل گلیکول و اسید فسفریک.

7-ضد تشعشع (Antiradiation Agent)

برای جلوگیری از تخریب پلیمر هنگام مواجه شدن آن با تشعشع رادیواکتیو استفاده می شود، مانند: PP  که با امواج  رادیواکتیو استریلیزه می شوند، به آن ضد تشعشع می زنند تا تخریب نشود.

8-تأخیر اندازنده اشتعال (Flame Retardent)

این مواد انرژی حرارتی منتشر شده از منبع حرارتی را جذب نموده و از بالا رفتن دما تا حد اشتعال جلوگیری می کنند، مانند: اکسید آنتیموان، آلومینیم تری هیدرات.

9-مواد هسته زا (Nucleating Agent)

به منظور شروع هسته گذاری (به عنوان مثال قبل از فرایند فوم کردن) با مواد هسته زا نقاط پر انرژی (hot spots) را درون ماتریس پلیمری ایجاد می کنند، تا حبابهای گاز به درون آن جمع شده و فوم تشکیل شود، مانند: سیلیکای آمورف.

10-مواد پف کننده (Blowing Agent)

در تولید فوم و به منظور متورم کردن و ایجاد حباب و حفره در ماتریس پلیمری استفاده می شود، مانند ADCA.

11-مواد جفت کننده (Coupling Agent)

برای پیوند زدن موادی به سطح پلیمر مورد استفاده قرار می گیرد، مانند: سیلان ها و تیتان ها.