مطالب كلي در مورد پلاستيكها
پلاستیکها:
مقدمه
پلاستیک ها در 30سال اخیر تولید و کاربرد پلاستیک ها به شدت افزایش یافته.
یکی از انگیزه های اولیه برای بدست آوردن این مواد جایگزینی توپهای بیلیارد عاجی به وسیله یک ماده ارزانتر بوده.
امروزه پلاستیک ها در اشکال مختلفی وجود دارند از قبیل توپهای بیلیارد-پمپها-والوها-هواکش ها-چتر نجات هواپیما-تلفن-شیلنگ-جلد رادیو-عایق-غلتکهای کشوها-مومها-دسته های کتری-دریچه های قلبو اجزای دیگری که در بدن به کار برده می شود به صورت قطعات توپر- روکش- پوشش-اسفنج الیاف و لایه های نازک وجود دارند.
انجمن آمریکایی آزمایشات مواد (asm) پلاستیک را بدین صورت تعریف می کند:
پلاستیک ماده ای است که به عنوان یک جزء اصلی دارای یک ماده ی آلی با وزن مولکولی بالا است در حالت ساخته شده جامد است و در بعضی مراحل تولید یا عمل آوری آن می توان با جریان یافتن یا سیال یافتن به شکل مورد نظر تبدیل می شود، به عبارت دیگر پلاستیک ها مواد آلی با وزن مولکولی بالا هستند که می توانند به اشکال مفید و مختلف درآیند.بعضی از آنها به صورت طبیعی یافت می شوند ولی به صورت مصنوعی تهیه می شوند و به طور کلی پلاسستیک در مقایسه با فلزات و آلیاژها خیلی ضعیف تر،نرم تر،مقاوم تر ودربرابر یونهای کلرواسیدکلریدریک مقاومت کمتر در اسید سولفوریک غلیظ،اسید نیتریک،حلال هاو محدودیت حرارتی پایین تر می باشد.
پلاستیک ها دردودسته ترموپلاستیک وترموست قرار دارند.
ترموپلاستیک ها با افزایش درجه حرارت نرم می شوند وزمانی که سرد می شوند به سختی اولیه بر می گردد.اکثر آنها را می توان ذوب نمود مثلاً نایلون را از حالت مذاب به صورت الیاف یا فیلامنتهای نازک در می آورند.
ترموستها با حرارت دادن سخت می شوند و با سرد شدن سختی خود را حفظ می کنند،با حرارت دادن تحت فشار به شکل مرد نظر در می آیند و تغییر شکل مجدد آنها امکان پذیر نیست.معمولاً از قراضه آنها نمی توان استفاده کرد.
پلاستیکها مثل فلزات خورده نمی شوند و از بین رفتن آنها در اثر باد کردن-ازدست دادن مقاومت مکانیکی-نرم شدن-ترک خوردن و تغییر رنگ دادن می باشد.
شکل دهی پلاستیک ها
یکی از مهمترین ویژگی پلاستیک ها سهولت شکل پذیری آنها است.در بعضی حالات قطعات نیمه کاملی نظیر ورقه ها یا میله های تولید شده متعاقباً با استفاده از روشهای متداول ساخت مانند جوشکاری یا ماشین کاری به قطعه نهایی تبدیل می شود اما در بسیاری مواقع قطعه نهایی علی رغم برخورداری از شکلی کاملاً پیچیده طی یک مرحله تولید می شود .
عملیات حرارت دادن-شکل دادن-خنک کردن ممکن است (مانند تولید لوله به روش اکستروژن)به دنبال یکدیگر و بدون وقفه ایجاد می شود و یا ممکن است طی مراحلی ناپیوسته و زمان گیر و تکرار شونده (مثل عملیات تولید تلفن خانگی به روش قالب گیری تزریقی) صورت پذیرد که در اکثر فرآیندها و به طور خودکار انجام شده،برای تولید انبوه مناسب است.
طیف وسیعی از انرژی های شکل دهی برای پلاستیک ها کاربرد دارد.در بسیاری از حالت ها انتخاب روش به چگونگی شکل دهی نهایی قطعه و گرما نرم یا گرماسخت بودن ماده بستگی دارد.
بنابراین در عملیات طراحی آگاهی طراح از روش های متنوع شکل دهی حائز اهمیت است،زیرا اشکال ناجور ونامناسب قطعه و یا مسائل جزعی کار طراحی ممکن است محدودیتهایی د رانتخاب روش قالبگیری برای طراح ایجاد کند.
تاریخچه
در سال 1868 شیمیدان انگلیسی بنام آلکساندر پاکس (Alexander parkes ) موفق شد اولین پلاستیک دنیا را بنام پارکسین(parkesine) از تیترو سلولز و روغن های نباتی و کمی کاموز(نرم کننده) که بعداً زیلونیت (xylonite) نام گرفت ابداع و عرضه کند.
در سال 1872 آلمانیها موفق به تولید پلی وینیل کلراید سخت در آزمایشگاه ودر سال 1835 موفق به تولید انواع مختلف فیلمها از استات متیلن،تری استات متیلن و کلرو متیان شدند.
در دهه ی 1900 دانشمند بلژیکی الاصل آمریکایی بنام لئوهندریک باکلند(leohendrik backlelnd) موفق به ساخت فنل-فرم آلدهید بنام هرمن باکلیت(Bakelite) شد.
در سال 1912 نتایج تحقیقات دانشمند آلمانی بنام هرمن استادینجر(heman Staudinger) در رابطه با ماکرومولکولها و اصول پلیمریزاسیون منتشر شد.انتشارات وی آغاز فصل نوینی در ابداع و ساخت پلیمرها در اروپا و آمریکاشد.
در دهه ی 1920 نایلون ها،اوره-فرم آلدئید و ملامین فرمالدئید توسط آمریکایی ها به بازار عرضه شد و در دهه ی1930 دانشمندان انگلیسی موفق به ساخت انواع مختلف پلی اتیلن و پلی یورتانها شدند و بالاخره در دهه ی 1940 پلی اتیلن ترفتالات و پلی کلر نباتها نیز به بازار عرضه شدند.
در دهه ی1950 را می توان شروع دوران معاصر در ابداع انواع مختلف پلاستیک ها دانست زیرا در این ایام تحقیقات و اختراعات دانشمند آلمانی به نام زیگلر (sigler) ودانشمند ایتالیایی به نام ناتا (natta)در رابطه با فعل و انفعالات پلیمریزاسیون و ابداع کاتالیزورها تاًثیر فراوانی در تکنولوژی ساخت پلیمرها بجا گذاشت بطوریکه امروزه اغلب تولید کنندگان پلاستیک ها از تجربیات و اختراعات زیگلرو ناتا استفاده می کنند.
مواد اولیه
برای تهیه پلاستیک ها به طور کلی نیاز به منومرها می باشد تنوع و تعداد پلاستیک ها ایجادب می کند که منومرهای متعددی نیز با این منظور ساخته شود طرز تهیه این منومرها ودر نتیجه چگونگی تولید پلاستیک ها بحث خواهد شد.
تولید
برای تهیه ی پلاستیک ها در جهان با توجه به تنوع و تعداد آنها و کمبود اطلاعات کاری مشکل با تقریب همراه خواهد بود.ولی این بررسی را می توان درباره ی مهمترین آنها با دقت بیشتری انجام داد.در سال 1982 ظرفیتی بالغ بر 8/55 میلیون تن جهت تولید پلاستیک ها ی پر مصرف (پلی اتیلن سبک و سنگین-پلی پروپیلن-پلی وینیل کلرید و پلی استیرن)در جهان وجود داشته و پیش بینی می شود که این ظرفیت درسال 1990به 3/68 میلیون تن افزایش یابد.
قسمت عمده پلاستیک ها در ایالات متحده آمریکا،اروپای غربی و ژاپن تولید می شود.
آمار تولید،صادرات و واردات و مصرف پلاستیک های فوق الذکر در این ممالک را می توان بدست آورد
خواص
در حال حاضر پلاستیک های مختلفی با خواص کاملاً متفاوت توسط سازندگان گوناگون در دنیا ساخته و به بازار عرضه می شود .این خواص از نظر اهمیتی که در کاربرد پلاستیک ها دارند در زیر شرح داده شده اند:
1-سبک بودن
بطور متوسط وزن یک قطعه ی پلاستیکی تقریباً2/1 وزن قطعه مشابه آلومینیوم و 6/1 وزن قطعه مشابه آهنی می باشد.این خاصیت مصرف پلاستیک ها را نسبت به فلزات از نظر سهولت و ارزانی حمل ونقل متمایز می سازد و به خصوص مصرف آنها در صنایع حمل و نقل زمینی،دریایی،هوایی نسبت به فلزات رجحان می دهد.
2-عایق حرارت بودن
پلاستیک ها عموماًحرارت را خوب منتقل نمی کنند وازاین نظر به عنوان عایق حرارت در صنایع و در ساخت اشیائی که در مجاورت حرارت هستند ولی نباید گرم شوند(مانند فرمان وسایل نقلیه،دسته ظروف،میز و صندلی و....) مصرف عمده داشته و از این نظر نسبت به مواد رجحان دارد.
3-عایق الکتریسیته بودن
پلاستیک ها عموماًخوب الکتریسیته را منتقل نمی کنند وازاین نظربه عنوان عایق الکتریسیته در صنایع الکتریکی و الکترونیکی مانند روکش انواع سیمها،کابل ها،وسایل و ابزار الکتریکی،ساخت انواع مختلف کلید ها،سرپیچ ها،پریزها و امثال آنها مصرف عدیده دارند.
4- شفاف بودن
بعضی از پلاستیک ها شفاف بوده و به جای شیشه کاربرد دارند.
5-رنگ پذیری
پلاستیک ها را می توان در رنگهای مختلف تولید نمود بطوریکه قطعه ساخته شده مانند فلزات و چوبها نیاز به رنگ آمیزی نداشته باشد.
6-مقاومت در برابر شرایط جوی
اغلب پلاستیک ها در شرایط مختلف جوی فوق العاده مقاوم و پایدار بوده و عاری از مسائلی هستند که از این نظر برای چوب و فلزات به وجود می آید.
7-مقاومت در برابر حلالها و مواد شیمیایی
اغلب پلاستیک ها در برابرحلالها ومواد شیمیایی مقاوم بوده ومانند فلزات خورده نمی شوند و از این نظر کاربرد آنها در صنایع غذایی و صنایع بهداشتی بسیار فراوان است.
8-بهداشتی بودن
میکربها-باکتری ها-انگل ها-قارچ ها و جلبکها نمی توانند روی پلاستیک ها رشد کنند.این خاصیت سبب شده که مصرف پلاستیک ها در امور پزشکی و جراحی،دندان پزشکی،صنایع داروسازی،صنایع غذایی و کشاورزی و در امور بهداشتی روز افزون شود.
9-سهولت ساخت
قطعات ومحصولات پلاستیکی رامی توان به سهولت به فرم دلخواه ساخت از یک قالب می توان به سرعت میلیون ها قطعه ی پلاستیکی را تولید نمود که هرگز چنین امکانی برای ساخت همین قطعات از فلزات ویااز شیشه وجود ندارد.
10-ارزانی
تهیه قطعات و محصولات پلاستیکی با توجه به وفور مواد اولیه و سهولت ساخت آنها به مراتب ارزانتر از ساخت همان قطعه از مواد طبیعی است.
11-سازگاری
بسیاری از خواص گفته شده می توانند یکجا در یک نوع پلاستیک وجود داشته باشند مثلاًمی توان پلاستیکی ساخت که بسیار سبک ولی بسیار محکم و سخت نیز می باشد لذا قطعات پلاستیکی می توانند حائز اهمیت وشرایط مختلف و متنوعی بوده ویا به عبارت دیگر با این شرایط سازگار باشند در صورتی که این سازگاری در مواد طبیعی دیده نمی شود.
کاربرد
به طور کلی خواص متنوع پلاستیکها سبب شده که آنها در تمام صنایع بدون استثناء کاربرد فراوانی داشته باشند و این کاربردها روز به روز بسشتر و متداول تر شده ودر شرایط بهتری مواد طبیعی را جایگزین می شوند این خواص متاًثر از ساختار پلاستیکها نیز می باشند که می توان آنها را به دو رده مهم ترموستها و ترمو پلاستها تقسیم کرد.
ترموستها:
ترموستها (که اکثراًدر حرارت نرم می شوند) شامل فنل فرم آلدئید،پلییورتانها،سیلیکونها،آلکیدها،اپوکسی ها،رزینهای آلیل،رزینهای فوران، ایمیدهاو.... هستند.
ترمو پلاستها:
ترموپلاستها آن عده از پلاستیک ها هستند که دراثر گرم شدن نرم و پس از سرد شدن مجدداً سخت می شوند و این عمل را میتوان به دفعات بدون اینکه در جنسیت پلاستیک تغییری حاصل شود انجام داد.ترموپلاستها به مراتب متعدد تر از ترموستها بوده وکاربرد آنها نیز متنوع تراست.
از انواع ترموپلاستها می توان پلی الفینها،پلی استیرن،پلی وینیل ها،پلی استرها،آکریلیکها و....را نام برد.
پلی الفین ها:
هیدروکربنهای آلیفاتیک غیر اشباع با یک پیوند دوگانه تشکیل دهنده پلیمر هایی هستند که عموماً به نام پلی الفین معروف هستند.
پلی اتیلن،پلی پروپیلن،پلی ایزو بوتن،پلی بوتن 1 و پلی بوتن4 متیل پنتن از متداولترین پلی الفین ها هستند.
پلی اتیلن ها:
پلی اتیلن→پلیمریزاسیون→اتیلن n [-CH2-CH2-]
تاریخچه
اولین بار در سال 1933 محققین شرکت انگلیسی ICI با سامی فاوست (fawectt) و گیبسون(Gibson) موفق به تولید پلی اتیلن در آزمایشگاه شدند و درسال 1939 این محصول به صورت تجاری به بازار عرضه شد.
پلی اتیلن تا سال 1955 فقط در فشار خیلی زیاد تهیه می شد تا اینکه در این سال دانشمندان آلمانی به نام زیگلر(zigler) وپس از او دانشمند ایتالیایی به نام ناتا (matta) موفق به کشف کاتالیزوری شدند که به کمک آن و بدون فشار خیلی زیاد پلی اتیلن تهیه نمودند.
درطی سالها روشهای مختلفی برای تهیه پلی اتیلن با شاخه های جانبی کوتاه ابداع شد اولین بار توسط کمپانی دوپول کانادا(dupont Canada)و فیلیپس در سال 1950 اجرا شدند.
مواد اولیه
برای تهیه پلی اتیلن نیاز به اتیلن می باشد که از هیدروکربنهای موجود در نفت ویا گاز طبیعی بدست می آید.
طرز تهیه
در حال حاضر روشهای مختلفی برای تهیه پلی اتیلن وجود دارد که مشهورترین آنها روش فشار خیلی زیاد برای تهیه پلی اتیلن سبک و روش زیگلر،روش فیلیپس وروش استاندارد اویل برای تهیه پلی اتیلن سنگین و روش یونیون کاربید برای تولید پلی اتیلن خطی می باشد.
طرز تهیه پلی اتیلن از طریق فشار بالا
برای تهیه پلی اتیلن سبک که وزن مخصوص آن حدود 92/0 می باشد اتیلن را در دمایی حدود 100 الی 300 درجه سانتیگراد و در فشار حدود 1500 الی 3000 اتمسفر ودر حضور یک پراکسید (مانند آزودی ایزوبوتر و نیتریل ویا پر اکسید بنزوئیل ویا اکسیژن که به نظر می رسد در حین فعل وانفعال تبدیل به پراکسید شود ) به عنوان شروع کننده فعل وانفعال در داخل راکتور مخصوص پلیمریزه می نماید این فعل و انفعال حرارت زا بوده و طراحی راکتور باید طوری باشد که بتوان درجه حرارت راکتور را در تمام سطوح کاتالیزور یکسان نگاه داشت.
حفظ شرایط راکتور از هر نظر بسیار مهم است به خصوص اینکه تغییرات دما و خصوصاً فشار در وزن مولکولی پلیمر بدست آمده تاًثیر گذار است.
پلیر بدست آمده همراه به مقداری اتیلن پلیمریزه نشده از راکتور خارج شده و در ظرفی از یکدیگر جدا می شوند،اتیلن پس از تصفیه به راکتور بازگردانده می شود و پلیمردر دستگاهی بصورت دانه های ریز در آمده و پس از خشک شدن بسته بندی می شود
nCH2=CH2→ (CH2-CH2) n
طرز تهیه پلی اتیلن از طریق زیگلر
برای تهیه پلی اتیلن سنگین که وزن مخصوص آن حدود 945/0 می باشد اتیلن رادر حرارت 50الی 75 درجه ساتیگراد و فشار 2الی 4 اتمسفر وارد راکتور می کنند فعل وانفعال در حضور کاتالیزور زیگلر-ناتا (تترا کلرو تیتانیوم/دی اتیل کلرور آلومینیوم ) انجام می گردد.
معمولاً تشکیل دهنده های کاتالیزور که با هپتان،تولوئن ویا گازوئیل مخلوط شده اند بدون راکتور فرستاده می شوند ویا اینکه تشکیل دهنده های کاتالیزور را در ظرفی ترکیب کرده و سپس مخلوط به راکتور فرستاده می شود.اکسیژن و آب به هیچ وجه نباید به داخل راکتور نفوذ کنند به همین دلیل گاز ازت مرتباً در داخل سیستم در جریان است،ازدیاد دمای راکتور به کمک اضافه کردن متانول یا اتانول و یا ایزوپروپانول مرتباًکنترل می شود پیلمر بدست آمده را تخلیص،خشک و بسته بندی نموده و آن را برای مصرف به بازار عرضه می کنند.
طرز تهیه پلی اتیلن با استفاده از روش استاندارد اویل
برای تهیه پلی اتیلن سنگین به وزن مخصوص آن حدود 96/0 می باشد می توان از روش استاندارد اویل استفاده کرد.در این روش اتیلن در دمای ºc270 -230 و در فشار 80 الی 80 اتمسفر به داخل راکتور فرستاده می شود پلیمریزاسیون در حضور کاتالیزور تری اکسید مولیبدینیوم انجام میگردد این کاتالیزور قبل از استفاده باید به کمک هیدروژن در دمای 300 الی 650 درجه سانتی گراد فعال می شود سایر موارد در این روش به روش فیلیپس شباهت دار.
در صورتی که تولید پلی اتیلن خطی ( LLDPE) مورد نظر می باشد می توان از فرآیند یو نیون کاربید در فاز بخار به شرح زیر استفاده کرد.
موتور به صورت گاز همراه با کاتالیزور به راکتور با بستر سیال در فشار 7 تا 21 اتمسفر و در دمای 100 یا کمتر وارد می شود با استفاده از مقادیر کم پروپن،بوتن 1و هگزان1 شاخه های کوتاه به منومر اضافه می شود.
البته در روش دیگر که در فاز مایع صورت می گیرد با استفاده از کاتالیزور و آلکن ها نیز می توان پلی اتیلن خطی تولید نمود.
خواص
خواص پلی اتیلن به میزان شاخه های مولکولی در پلیمر خطی بستگی دارد و این میزان با روشهای تهیه در رابطه می باشد معمولاً هر میزان شاخه های مولکولی در پلیمر بیشتر باشد وزن مخصوص نقطه ذوب پلیمر در آن بیشتر است.
وزن مخصوص پلی اتیلن سبک حدود 92/0-91/0 وزن مخصوص پلی اتیلن خطی حدود95/0-94/0وزن مخصوص پلی اتیلن سنگین حدود 965/0-941/0 می باشد قابلیت جذب رطوبت توسط انواع اتیلن از %15 وزنی %01/0 وزنی می باشد.نقطه ذوب پلی اتیلن سبک حدود cº110 و نقطه ذوب پلی اتیلن سنگین حدود c°135 می باشد.
محلول شیمیایی،اسیدها،قلیایی ها در حرارتهای معمولی روی پلی اتیلن بی اثرند این پلیمر در مجاورت اسید های بسیار قوی و اکسید کننده شکننده خواهد شد.اصولاً می توان گفت که مقاومت پلی اتیلن دربرابراین نوع مواد با ازدیاد وزن مخصوص بیشترمی شود.
کاربرد
مصرف پلی اتیلن بسیار متنوع ودر تمام صنایع و به صورت مختلف مصرف دارد.روشهای تبدیل پلی اتیلن به محصولات در جدول داده شده است.