مقدمه و تاریخچه :
ما در عصر پلیمر زندگی می‌کنیم. پلاستیکها، قیرها، لاستیکها، پوشاک، چسبها، کائوچو، پروتئین و سلولز اینها همگی اصطلاحات جدیدی در فرهنگ عصر ما و گوشه‌ای از دنیای جالب و پرجاذبه شیمی پلیمر میباشند. نمونه‌های بیشماری از پلیمر مصنوعی را میتوان ذکر کرد. برخی از آنها روزانه به مرحله ظهور می‌رسند و برخی دیگر شناخته شده‌اند: پلی‌استرها و الیاف پارچه‌های نایلونی و الیاف محکم و با دوام پلی‌آمید برای لباس‌های ضد گلوله کم وزن، پلی اتیلن پلاستیکی که در تولید بطریهای شیر به کار میرود، پلاستیک پلی اورتان که در ساخت قلب مصنوعی به کار رفته است، لاستیک که برای تایرهای اتومبیل قابل استفاده است و الاستورهای فلوئوره فسفازن که در برابر محیط‌های سرد قابل استفاده هستند همگی در این دسته قرار دارند. برای روشن شدن موضوع، شخص میتواند هرگونه مثال یا کاربردی را انتخاب کند اما نکته‌ای را که باید مد نظر داشت این است که فلان پلیمر به خصوص یا به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد آن یا به دلیل اقتصادی بودن آن یا بنا به هر دو دلیل است که به کار برده می شود زیرا که از سایر مواد در دسترس بهتر میتواند منظور مورد نظر را برآورده سازد .
پلیمرها مولکولهای بزرگی هستند که از واحدهای تکراری ساده تشکیل شده‌اند. این نام از یک نام یونانی بنام پلی که به معنای «چندتا» و مر که به معنی «قسمت» میباشد مشتق شده است. ماکرومولکول مترادف با پلیمر میباشد. پلیمرها از مولکولهای ساده‌ای بنام مونومر «قسمت واحد» ساخته شده‌اند. تعدادی از مونومرها به همراه واحد پلیمری مربوط در واکنش زیر نشان داده شده‌اند ..
کلمه پلیمر اولین بار توسط شیمی دان سوئدی بنام «برزلیوس» در سال ۱۸۳۳ به کار برده شد. شیمیدانها در طول قرن نوزدهم با درشت مولکولها بدون داشتن فهم درستی از ساختار آنها کار کردند. در حقیقت برخی از پلیمرهای اصلاح شده طبیعی جنبه تجاری داشتند. برای مثال سلولز نیتریته شده (که اشتباها نیتروسلولز نامیده می‌شد) تحت نامهای سلولوئید و پنبه باروتی در معرض فروش قرار گرفته بود. مدتها پیش در سال ۱۸۳۹ پلیمر شدن استیرن گزارش شده بود. و در سالهای ۱۸۶۰ سنتز پلی(اتیلن گلیکول) و پلی (اتیلن سوکسینات) حتی با ساختار های درست گزارش شدند ..
در همان وقت ایزوپرن به عنوان یک محصول ناشی از شکسته شدن لاستیک شناخته شده بود. اگرچه نحوه داخل شدن(یا پیوند شدن) ایزوپرن در این پلیمر در آن زمان ناشناخته بود. مثالهای زیاد دیگری در شیمی ماکرومولکول در فرهنگ شیمی قرن نوزدهم مشاهده میشود .
اولین پلیمر مصنوعی که در مقیاس تجارتی استفاده شده است رزین فنل فرمالدهید بود که در اوایل سالهای ۱۹۰۰ توسط شیمیدان بلژیکی الاصل توسعه و تکامل پیدا کرد.(او کسی بود که موفقیت‌های قابل توجهی با اختراع کاغذهای حساس به نور به دست آورده بود) این ماده در سطح تجارتی بنام بیک لایت معروف شد. تا دهه ۱۹۲۰ بیک لایت به دامنه وسعی از محصولات مصرفی راه یافته بود و مخترع آن به طور کامل شناخته شده بود و نامش هر روز تکرار می‌شد. پلیمرهای دیگر مانند رنگهای آلکیل(پلی استر) و لاستیک پلی بوتادن ان در همان زمان معرفی شدند .
از نظر صنایع مادر پلیمرها به چهار گروه صنایع لاستیک ، پلاستیک ، الیاف ، پوششی و چسب تقسیم بندی میشوند. اینها صنایع مادر در پلیمرها میباشند اما صنایع وابسته به پلیمر هم فراوان هستند مانند صنعت پزشکی در اعضای مصنوعی ، دندان مصنوعی ، پرکننده‌ها ، اورتوپدی از پلیمرها به وفور استفاده میشود. پلیمرها از لحاظ منبع به سه گروه اصلی تقسیم بندی میشوند که عبارتند از پلیمرهای طبیعی ، طبیعی اصلاح شده و مصنوعی.رزینمنابع طبیعی رزینها ، حیوانات ، گیاهان و مواد معدنی میباشد. این پلیمرها به سادگی شکل پذیر بوده لیکن دوام کمی دارند. رایج عبارتند از روزین ، آسفالت ، تار ، کمربا ، سندروس ، لیگنپین ، لاک شیشه‌ای میباشند. رزینهای طبیعی اصلاح شده شامل سلولز و پروتئین میباشد سلولز قسمت اصلی گیاهان بوده و به عنوان ماده اولیه قابل دسترسی برای تولید پلاستیکها میباشد کازئین ساخته شده از شیر سرشیر گرفته ، تنها پلاستیک مشتق شده از پروتئین است که در عرصه تجارت نسبتا موفق است.
پلیمر مصنوعی :
پلیمرهای مصنوعی را میتوان از طریق واکنشهای پلیمریزاسیون بدست آورد. از مواد پلیمری میتوان در تهیه پلاستیکها ، چسبها ، رنگها ، ظروف عایق ، مواد پزشکی بهره جست. پلاستیکها به تولید طرحهای جدید در اتومبیلها ، کامیونها ، اتوبوسها ، وسایل نقلیه سریع ، هاورکرافت ، قایقها ، ترنها ، آلات موسیقی ، وسایل خانه ، یراق آلات ساختمانی و سایر کاربردها کمک نموده‌اند در ادمه به بررسی کاربرد چندین پلیمر می‌پردازیم:
پلیمرهای بلوری مایع (LCP) :
این پلیمرها بتازگی در بین مواد پلاستیکی ظهور کرده است. این مواد از استحکام ابعادی بسیار خوب ، مقاومت بالا ، مقاومت در مقابل مواد شیمیایی توام با خاصیت سهولت شکل پذیری برخوردار هستند. از این پلیمرها میتوان به پلی اتیلن با چگالی کم قابل مصرف در ساخت عایق الکتریکی ، وسایل خانگی ، لوله و بطریهای یکبار مصرف ، پلی اتیلن با چگالی بالا قابل مصرف در ظروف زباله‌ها بطری ، انواع مخازن و لوله برای نگهداری و انتقال سیالات ، پلی اتیلن شبکهای ، پلی پروپیلن قابل مصرف در ساخت صندوق ، قطعات کوچک خودرو ، اجزای سواری ، اسکلت صندلی ، اتاقک تلویزیون و… اشاره نمود.
پلیمرهای زیست تخریب پذیر:
این پلیمرها در طی سه دهه اخیر در تحقیقات بنیادی و صنایع شیمیایی و دارویی بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. زیست تخریب پذیری به معنای تجزیه شدن پلیمر در دمای بالا طی دوره مشخص میباشد که بیشتر پلی استرهای آلیفاتیک استفاده میشود. از این پلیمرها در سیستمهای آزاد سازی دارویی با رهایش کنترل شده یا در اتصالات ، مانند نخ‌های جراحی و ترمیم شکستگی استخوانها و کپسولهای کاشتی استفاده میشود.
پلی استایرن
این پلیمر به صورت گسترده‌ای در ساخت پلاتیکها و رزینهایی مانند عایقها و قایقهای فایبر گلاس در تولید لاستیک ، مواد حد واسط رزینهای تعویض یونی و در تولید کوپلیمرهایی مانند ABS و SBR کاربرد دارد. محصولات تولیدی از استایرن در بسته بندی ، عایق الکتریکی – حرارتی ، لوله‌ها ، قطعات اتومبیل ، فنجان و دیگر موادی که در ارتباط با مواد غذایی میباشند ، استفاده میشود.
لاستیکهای سیلیکون
مخلوط بسیار کانی- آلی هستند که از پلیمریزاسیون انواع سیلابها و سیلوکسانها بدست می‌آیند. با اینکه گرانند ولی مقاومت قابل توجه در برابر گرما به استفاده منحصر از این لاستیکها در مصارف بالا منجر شده است. این ترکیبات اشتغال پذیری نسبتا پایین ، گرانروی کم در درصد بالای رزین ، عدم سمیت ، خواص بالای دی الکتریک ، حل ناپذیری در آب و الکلها و … دارند به دلیل همین خواص ترکیبات سیلیکون به عنوان سیال هیدرولیک و انتقال گرما ، روان کننده و گریس ، دزدگیر برای مصارف برقی ، رزینهای لایه کاری و پوشش و لعاب مقاوم در دمای بالا و الکلها و مواد صیقل کاری قابل استفاده‌اند. بیشترین مصرف اینها در صنایع هوا فضاست.
لاستیک اورتان
این پلیمرها از واکنش برخی پلی گلیکولها با دی ایزوسیاناتهای آلی بدست می‌آیند. مصرف اصلی این نوع پلیمرها تولید اسفنج انعطاف پذیر و الیاف کشسان است. در ساخت مبلمان ، تشک ، عایق – نوسانگیر و … بکار میروند. ظهور نخ کشسان اسپندکس از جنش پلی یوره تان به دلیل توان بالای نگهداری این نوع نخ زمینه پوشاک ساپورت را دگرگون کرده است.
استفاده از فناوری نانو برای دیرسوزکردن پلیمرها
یکی از کاربردهای مهم فناوری نانو بهبود خواص مواد پلیمری از نظر آتشگیری و بالابردن مقاومت این مواد در برابر آتش است. این مواد عموماً در دماهای بالا ایمن نیستند؛ اما با استفاده از فناوری نانو امکان دیرسوز نمودن آنها وجود دارد. در این مطلب، نظرات مهندس صحرائیان، عضو هیأت علمی پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، در زمینه استفاده از فناوری نانو در این زمینه آورده شده است:
نانوکامپوزیت‌های دیرسوز
با توجه به این که امروزه حجم وسیعی از کالاهای مصرفی هر جامعه‌ای را پلیمرهایی تشکیل می‌دهند که به‌راحتی می‌سوزند یا گاهی در مقابل شعله فاجعه می‌آفرینند، لزوم تحقیق در خصوص مواد دیرسوز احساس میشود. بر همین اساس، در کشورهای صنعتی، تلاش گسترده‌ای برای ساخت موادی با ایمنی بیشتر در برابر شعله آغاز شده است و در این زمینه نتایج مطلوبی هم به دست آمده است.
بر همین اساس و با توجه به تدوین استانداردهای جدید ایمنی، به نظر می‌رسد استانداردهای ساخت مربوط به پلیمرهای مورد استفاده در خودروسازی، صنایع الکترونیک، صنایع نظامی و تجهیزات حفاظتی و حتی لوازم خانگی، در حال تغییر به سوی مواد دیرسوز است.
از طرف دیگر مدتی است که نانوکامپوزیت‌های پلیمر – خاک رس به عنوان موادی با خواص مناسب مثل تأخیر در شعله وری، توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است. بنابراین به نظر می‌رسد که نانوکامپوزیت‌های پلیمر – خاک – رس می‌توانند جایگزین مناسبی برای مواد پلیمری معمولی باشند؛
برای تهیه پلیمرهای دیرسوز، علاوه بر رفتار آتشگیری، عوامل زیادی باید مورد توجه واقع شوند؛ از جمله اینکه:
- از افزودنی‌هایی استفاده شود که قیمت تمام شده محصول را خیلی افزایش ندهد. (مواد افزودنی باید ارزان قیمت باشند.)
- مواد افزودنی به پلیمرها باید به آسانی با پلیمر فرآیند شود.
- مواد افزوده‌شده به پلیمر نباید در خواص کاربردی پلیمر تغییر قابل ملاحظه ایجاد کند.
- زباله‌های این مواد نباید مشکلات زیست محیطی ایجاد کند.
با توجه به این موارد، خاک رس از جمله بهترین مواد افزودنی به پلیمرها محسوب میشود که میتواند آتشگیری آنها را به تأخیر بیندازد و سبب ایمنی بیشتر وسایل و لوازم شود. مزیت دیگر خاک رس فراوانی آن است که استفاده از این منبع خدادادی را آسان میکند.
ویژگی‌های نانوکامپوزیت‌های پلیمر – خاک رس
خواص مکانیکی نانوکامپوزیت‌های پلیمر-نایلون۶ که از نظر حجمی فقط حاوی پنج درصد سیلیکات است، بهبود فوق‌العاده ای را نسبت به نایلون خالص از خود نشان میدهد. مقاومت کششی این نانوکامپوزیت ۴۰ درصد بیشتر، مدول کششی آن ۶۸ درصد بیشتر، انعطاف‌پذیری آن ۶۰ درصد بیشتر و مدول انعطاف آن ۱۲۶ درصد بیشتر از پلیمر اصلی است. دمای تغییر شکل گرمایی آن نیز از ۶۵ درجه سانتی گراد به ۱۵۲ درجه سانتی گراد افزایش یافته است. در حالیکه در برابر همه این تغییرات مناسب، فقط ۱۰درصد از مقاومت ضربه آن کاسته شده است.
نتایج تحقیقات حاکی از آن است که میزان آتشگیری در این نانو کامپوزیت پلیمری حدود ۷۰ درصد نسبت به پلیمر خالص کاهش نشان می دهد و این در حالی است که اغلب خواص کاربردی پلیمر نیز تقویت می شود. البته کاهش در میزان آتشگیری پلیمرها از قدیم مورد بررسی بوده است. بشر با ترکیب مواد افزودنی به پلیمر میزان آتشگیری آنرا کاهش داد ولی متاسفانه خواص کاربردی پلیمر هم متناسب با آن کاهش می یافته است. در واقع کاهش در آتشگیری همزمان با بهبود خواص کاربری پلیمرها ویژگی منحصر به فرد فناوری نانو است، خصوصاً اینکه تنها با افزودن ۶ درصد ماده افزودنی به پلیمر تا ۷۰ درصد آتشگیری آن کاهش می یابد.
برخی نانوکامپوزیت‌های پلیمر – خاک رس پایداری حرارتی بیشتری از خود نشان می‌دهند که اهمیت ویژه‌ای برای بهبود مقاومت در برابر آتش گیری دارد. این مواد همچنین نفوذپذیری کمتری در برابر گاز و مقاومت بیشتری در برابر حلال ها از خود نشان می‌دهند.
استانداردسازی؛ ابزار قدرت در دست کشورهای پیشروی صنعتی
تطابق با استانداردهای جدید موضوعی است که همواره کشورهای پیشرو بر کشورهای پیرو دیکته کرده‌اند. در کشورهای پیشرو صنعتی، استانداردها همواره رو به بهبود است. در این کشورها براساس جدیدترین نتایج تحقیقات و مطالعات متخصصان، هر چند وقت یکبار، استانداردها دستخوش تغییر میشوند و دیگر کشورها ناچار خواهند بود در مراودات تجاری خود با آنها این استانداردها را رعایت کنند و به این ترتیب، مجبور میشوند که نتایج تحقیقات آنها را خریداری کنند. مطلب زیر مثالی از این موارد است:
چندی پیش در جراید اعلام شد که بنا بر تصمیم جدید اتحادیه اروپا، هواپیماهایی که مجهز به سیستم جدید ناوبری (مطابق با استاندارد جدید پرواز) نباشند، اجازه پرواز بر فراز آسمان اروپا را ندارند. در آن زمان در کشور ما فقط تعداد معدودی از هواپیماهای مجهز به این سیستم وجود داشت. اخیراً هم اتحادیه مزبور اعلام کرده است که ورود کامیون‌های فاقد استاندارد زیست محیطی به خاک اروپا ممنوع است. در پی این اعلام، خودروسازان ایرانی به ناچار استانداردهای خود را با شرایط جدید تطبیق دادند.
نکته پایانی؛ نتیجه گیری
هر چند ممکن است استفاده از برخی فناوری ها در کشور ما در حال حاضر موضوعیت نداشته و یا اینکه مقرون به صرفه نباشد. ولی اگر جهت گیری تحقیقات و پژوهش ها در جهان را مد نظر قرار دهیم متوجه می شویم که در آینده نزدیک ناگزیر به استفاده از این فناوری ها خواهیم بود. بنابراین لازم است از فرصت های موجود برای ایجاد این توانمندی ها بهره بگیریم تا در زمان مناسب از این پتانسیل ها استفاده کنیم.
به عبارت دیگر لازم است مراکز پژوهشی و تحقیقاتی همواره لااقل یک نسل از صنعت جلوتر باشند. در این صورت ضمن امکان هدایت بخش صنعت به سمت و سوی معین، پاسخ به مشکلات صنعت نیز همواره قابل پیش بینی بوده و در این مراکز در دسترس خواهد بود.
بهبود لومینسانس پلیمرها با استفاده از نانولوله‌های کربنی چنددیواره:
ابزارهای قابل فراوری محلول مبتنی بر ترکیبات آلی برای متحول کردن صنعت روشنایی و فتوولتائیک بسیار نویدبخش میباشند. نه تنها هزینه، بلکه مسائل مربوط به پایداری و هزینه چرخه عمر باعث میشود تا حرکت از سمت ترکیبات معدنیبه سوی ترکیبات آلی سریع‌تر صورت گیرد. با این حال، کارایی و طول عمر ابزارهای آلی موجود برای بسیاری از کاربردها کافی نمی‌باشند.
یکی از روشهای بررسی شده برای افزایش طول عمر این ابزارها استفاده از نانولوله‌های کربنی در پلیمرها جهت ایجاد یک کامپوزیت میباشد. این کامپوزیت‌های هیبریدی «مواد معدنی درون مواد آلی» عملکردها و ابعاد جدیدی به فیلم‌های پلیمری معمول می‌افزایند.
با این حال معمولاً اضافه کردن نانولوله‌های کربنی با هزینه‌هایی همراه است. مثلاً در مواد نورافشان، حضور نانولوله‌های کربنی موجب کاهش نشر نور از کامپوزیت میشود؛ این امر به دلیل کاهش فعالیت حاملان بار در نانولوله‌های کربنی است که عموماً برای نانولوله‌های کربنی چنددیواره طبیعت فلزی دارند. این کاهش فعالیت موجب کاهش بهره نشر نور از این ابزارها میشود.
محققان موسسه فناوری پیشرفته در دانشگاه سوری با همکاری محققان چینی و آمریکایی نشان داده‌اند که این اثرکاهندگی یک مشکل غیرقابل اجتناب نیست. در حقیقت آنها ثابت کرده‌اند که با افزودن نانولوله‌های کربنی چنددیواره به یک پلیمر نایلونی، نشر نور توسط آن صد برابر افزایش می‌یابد.
این افزایش نشر نور زمانی اتفاق افتاد که نانولوله‌های کربنی را قبل از مخلوط نمودن با پلیمر در معرض اسید قرار دادند. آنان پیشنهاد می‌کنند که این افزایش فعالیت به دلیل مکنیسم جدید انتقال بار از سطح آسیب‌دیده نانولوله به به محل‌های نشر در پلیمر میباشد. علاوه بر این، مطالعات آنها نشان میدهد که نانولوله‌های کربنی چنددیواره موجب افزایش پایداری پلیمر در برابر تجزیه ناشی از نور میشود.
دکتر سیمون هنلی یکی از محققان اصلی این پژوهش توضیح میدهد: «این مطالعات نشان میدهد که نانولوله‌های کربنی قابلیت بسیار بالایی برای استفاده در ابزارهای اپتوالکترونیک آینده دارند و امکان استفاده از این ترکیبات را به عنوان جاذب‌های نور در پیل‌های خورشیدی همراه با افزایش استحکام آنها، تقویت میکند».
پروفسور راوی سیلوا مدیر موسسه فناوری پیشرفته می‌گوید: «این حقیقت محض که حال ما می‌توانیم یک کامپوزیت هیبریدی آلی-نانولوله قابل پیش‌بینی با ویژگی‌های بهبودیافته داشته باشیم، راه را برای کاربردهای بسیاری هموار میکند. بهبود خواص لومینسانس نشانه‌ای از نسل جدیدی از ابزارهای آلی است که قابلیت رسیدن به بازار و تولید انبوه را دارا میباشند. ما از این نتایج اولیه بسیار هیجان‌زده هستیم».
پلیمر آنتی باکتریال
یکی از گسترده ترین کاربردهای کامپوزیت نانوسید، استفاده از آن برای ایجاد انواع پلیمر آنتی باکتریال می باشد. پلیمرهایی که آنتی باکتریال ضد قارچ و ضد ویروس هستند و هیچگونه ضرری برای محیط زیست ندارند و برای ترکیب کامپوزیت نانوسید با انواع پلیمر مانندABS ، PET ، PP ، PE و … بهترین راه بکارگیری مستربچ مناسب با پلیمر می باشد که به میزان ۲۰-۱۰رصد با کامپوزیت نانوسید اختلاط میشود . این امر برای بکار گیری مستربچ به همراه گرانولهای خام در دستگاههای اکسترودر یا تزریق برای رسیدن به یک اختلاط کاملا یکنواخت در درصدهای اختلاط ۵/۰-۱/۰ میباشد. پلیمرهای میکس شده دارای کاربردهای مختلف صنعتی و خانگی و بیمارستانی می باشند. از جمله بدنه داخلی یخچال ، انواع **********های آب و هوا ، ظروف پلاستیکی و …
کاربرد نانوسید
روش اختلاط کامپوزیت نانوسیلور با انواع پلیمر
بهترین روش ایجاد مستربچ و استفاده از آن در دستگاههای اکسترودر می باشد. برای ایجاد مستربچ می توان از خود دستگاههای اکسترودری که دارای گرانول ساز هستند استفاده نمود در غیر اینصورت بایستی سفارش ساخت مستر بچ به مراکز مربوطه داده شود.
نکته ۱: اگر شرایط استفاده از اکسترودر دو مار پیچه وجود داشته باشد نیازی به ساخت مستر بچ نیست و مرحلهMix بصورت Continous ضمن ساخت محصول انجام می گیرد. همچنین اگر اکسترودر یک مار پیچه باشد و نسبت طول به قطر آن بیشتر از ۴۰ باشد نیز می توان Mix را بدون مستربچ انجام داد.
نکته ۲ : در سیستمهای تزریقی نیز با ایجاد گرانولها قبل از استفاده به صورت مستر بچ می توان مواد نانو سید را با پلیمر Mix کرد و اگر این شرایط وجود نداشته باشد باید سیستم Mix به همراه تزریق چند بار تکرار شود.
__________________
روش های تولید ماشینی کاپوزیت ها
روش های مختلفی جهت تولید قطعات کامپوزیتی پایه پلیمری وجود دارد که به طور کلی به سه دسته تقسیم می شوند :
۱- روش های تولید ساده لایه چینی دستی و پاششی که شامل روش های تولید با قالب باز هستند . تیراژ دراین نوع تولید ، محدود یک الی سه قطعه در روز است و کیفیت محصول به اپراتور بستگی دارد .
۲- روش های تولید خاص پالتروژن ، پیچش الیاف و لایه نشانی پیوسته که جهت تولید قطعات خاص مانند لوله ، پروفیل ، ورق و غیره مورد استفاده قرار می گیرند .
۳- روش تولید قطعات صنعتی SMC ، BMC ، RTM ، GMT ، LFT و … که روش های LFT و GMT مربوط به گرمانرم ها و روش های RTM ، BMC و SMC مربوط به گرما سخت ها هستند .
بازار تولید قطعات صنعتی در اروپا در سال ۱۹۹۹ معادل ۳۵۲ هزارتن بوده که سهم هریک از این روش ها به صورت زیر است :
SMC : 190 هزارتن معادل ۵۴ درصد
BMC : 90 هزارتن معادل ۶/۲۵ درصد
LFT و GMT : 42 هزارتن معادل ۹/۱۱ درصد
RTM : 30 هزارتن معادل ۵/۸ درصد
۱- روش تولید SMC
Sheet Moulding Compoundیا SMC ترکیبی از خانواده گرما سخت های تقویت شده با الیاف شیشه بین ۶۰- ۲۰ درصد است که معمولا ً از پنج ماده اصلی زیر تشکیل شده است :
– رزین پلی استر غیر اشباع ویژه SMC که دارای یک پیک گرمازا بین ۲۹۰-۲۲۰ درجه سانتی گراد است .
– افزودنی LS , LP
– الیاف شیشه معمولا ً از نوع رووینگ
– پر کننده کربنات کلسیم ، کائولن و هیدروکسید آلومینیوم
فرآیند تولید قطعه SMC شامل سه مرحله است :
تهیه ورق یا لایه SMC ، تولید قطعه قالب گیری و عملیات تکمیلی . تهیه ورق SMC به این شکل است که ابتدا مواد اولیه مطابق فرمولاسیون درون مخلوط کن و با دور بالا مخلوط می شوند . پس از آن که خمیر حاصله به گرانروی مناسب رسید ، غلیظ کننده Thickener به آن اضافه می شود . خمیر حاصل به وسیله پمپ ، به دستگاه تولید ورق SMC منتقل و بر روی دو لایه فیلم پلی اتیلنی ، به عنوان فیلم حامل Carrier ، ریخته می شود . میزان خمیر به وسیله دو تیغه قابل تنظیم است . سپس الیاف شیشه به طول ۲۵ میلی متر ۵۰-۱۲ میلی متر بریده شده و به صورت منظم بر روی خمیر ریخته می شود . لایه حاصل همراه با فیلم دیگر که فقط شامل خمیر است و فاقد الیاف است تشکیل یک لایه را می دهند . پس از عبور از یک سری غلتک ، الیاف به صورت کامل با خمیر آغشته می شود ، سپس ورق بسته بندی می شود . پس از حدود سه الی پنج روز محصول آماده عملیات قالب گیری است . لایه های SMC برش خورده ، درون قالب گرم فولادی قرار می گیرند و پرس طی دو مرحله بسته شده و دو مرحله فشار اعمال می شود . در نهایت ضمن عملیات پخت قطعه درون قالب محصول تولید می شود .
تجهیزات مورد نیاز عبارتند از : پرس هیدرولیک با قابلیت Close speed دردو مرحله مرحله اول mm/s 250-100 و مرحله دوم mm/s 20-5/2 و قابلیت اعمال فشار در دو مرحله و قالب از جنس فولاد با قابلیت گرم شدن به وسیله الکتریسیته یا روغن .
مزایای این روش ، تولید در حجم زیاد ، امکان ساخت قطعات ساده و پیچیده ، تولید قطعه با کیفیت سطحی A ، هزینه بسیار کم نیروی انسانی به ازای واحد محصول ، قیمت پایین محصول تمام شده و مشخصات مکانیکی یکنواخت با تلرانس ۶ درصد بوده و معایب آن ، نیاز به سرمایه گذاری زیاد ، عملیات پیچیده تر بازیافت نسبت به گرمانرم ها است . روش SMC به طور گسترده ای در صنایع الکتریکی به کار می رود . میزان مصرف اروپا در سال ۱۹۹۹ معادل ۸۲ هزار تن تابلوهای برق ، قطعات الکتریکی ، محفظه چراغ بزرگراه و اتوبان بوده است . علت استفاده از SMC در صنایع الکتریکی ، نارسانایی الکتریکی ، پایداری در حرارت بالا ، عدم نیاز به رنگ آمیزی ، مقاومت در برابر شرایط آب و هوایی ، مقاومت مکانیکی زیاد ، مقاومت شیمیایی ، پایداری ابعادی ، قابلیت بازیافت و آزادی عمل در طراحی است .
این روش در صنعت حمل و نقل نیز کاربردهای فراوانی دارد . میزان مصرف آن در اروپا در سال ۱۹۹۹ معادل ۶۷ هزار تن شامل بدنه خودرو ، قطعات با استحکام زیاد ، بدنه قطارهای سریع السیر ، قطعات کامیون و اتوبوس بوده است . علت استفاده از SMC در صنایع حمل و نقل وزن کم محصول ، پایداری ابعادی ، آزادی عمل در طراحی ، توانایی تولید قطعه با کیفیت سطحی A ، هزینه کم سرمایه گذاری نسبت به تولید قطعه فلزی ، سرعت عمل در مونتاژ ، مقاومت در برابر شرایط آب و هوایی و تولید قطعه با ضخامت های متغیر است .
روش SMC در صنعت ساختمان نیز به کار گرفته شده است . به طوری که میزان مصرف آن در اروپا در سال ۱۹۹۹ معادل ۴۱ هزارتن شامل ساخت پانل های ساختمانی ، حمام آماده ، صندلی ، میز و سایر موارد بوده است .
۲- روش تولید BMC
Bulk Moulding Compound یا BMC ترکیبی از خانواده گرما سخت های تقویت شده با الیاف شیشه است که طول الیاف در آن ۶ میلی متر ۱۲-۴ میلی متر و میزان الیاف در خمیر بین ده تا حداکثر بیست درصد است . فرآیند تولید قطعه BMC شامل سه مرحله است . تهیه خمیر BMC ، تولید قطعه قالب گیری و عملیات تکمیلی . تهیه خمیر BMC بدین شکل است که ابتدا مواد اولیه مطابق فرمولاسیون درون مخلوط کن با دور بالا مخلوط و پس از این که خمیر به دست آمده به گرانروی مناسب رسید به مخلوط کن دیگری از نوع دو باز و با تیغه Z پمپ می شود . سپس به آن غلیظ کننده Thickener و الیاف شیشه به طول ۶-۴ میلی متر اضافه و مخلوط می شوند . خمیر حاصل درون فیلم پلی اتیلنی بسته بندی می شود و پس از حدود سه الی پنج روز ، محصول آماده عملیات قالب گیری است . تکه های BMC آماده درون قالب گرم فولادی قرار می گیرند و پرس طی دو مرحله بسته و دو مرحله فشار اعمال می شود . در نهایت ضمن عملیات پخت درون قالب ، قطعه تولید می شود .
تجهیزات مورد نیاز عبارتند از : پرس هیدرولیک با قابلیت Close speed در دو مرحله مرحله اول mm/s 250-100 و مرحله دوم mm/s 20-5/2 و قابلیت اعمال فشار در دو مرحله و قالب از جنس فولاد با قابلیت گرم شدن بوسیله الکتریسیته یا روغن .
مزایای این روش عبارتند از : تولید در حجم زیاد ، امکان ساخت قطعات ساده و پیچیده ، تولید قطعه با کیفیت سطحی A ، هزینه بسیار کم نیروی انسانی به ازای واحد محصول و بهای کم محصول تمام شده و معایب آن شامل نیاز به سرمایه گذاری زیاد در عملیات پیچیده بازیافت نسبت به گرمانرم ها است .
۳- روش تولید GMT
Glass Mat reinforced Thermoplastic یا GMT ترکیبی از خانواده گرمانرم های معمولا ً پلی پروپیلن تقویت شده با الیاف شیشه اند که در آن الیاف شیشه به صورت مت یا تک جهته استفاده می شود . فرآیند تولید قطعه GMT شامل چهار مرحله است : تهیه الیاف مت مخصوص GMT ، تهیه ورق GMT ، تولید قطعه قالب گیری و عملیات تکمیلی . در این روش یک blank GMT گرمانرم PP درون کوره قرار داده شده و جهت آماده سازی عملیات قالب گیری گرم می شود . سپس با قرار دادن آن درون قالب و بسته شدن پرس طی دو مرحله و اعمال فشار در یک مرحله ، قطعه تولید می شود .
تجهیزات مورد نیاز عبارتند از : پرس هیدرولیک با قابلیت Close speed در دو مرحله مرحله اول mm/s 500-200 ، مرحله دوم mm/s 20-10 و قابلیت اعمال فشار دریک مرحله ، قالب از جنس فولاد یا آلومینیوم با قابلیت تثبیت درجه حرارت و کوره از نوع هوای گرم یا مادون قرمز .
مزایای روش GMT عبارتند از : تولید در حجم زیاد ، امکان ساخت قطعات ساده و پیچیده ، هزینه بسیار کم نیروی انسانی به ازای محصول ، قابلیت بازیافت ، تنوع در محصولات ، قیمت متوسط محصول و امکان استفاده از ربات جهت اتوماسیون کامل تولید و معایب آن شامل نیاز به سرمایه گذاری زیاد ، عدم توانایی تولید محصول با کیفیت سطحی A و قابلیت اشتعال است .
۴- روش تولید LFT
روش های مختلفی وجود دارد که اساس همگی آنها ترکیب زمینه پلی پروپیلن یا انواع دیگر گرمانرم ها با الیاف شیشه بلند درون اکسترو در طی دو مرحله و سپس آماده سازی آن و قرار دادن ورق آماده درون پرس ، بسته شدن پرس طی دو مرحله و اعمال فشار در یک مرحله است .
تجهیزات مورد نیاز عبارتند از : اکسترودر ، پرس هیدرولیک و قالب از جنس فولاد یا آلومینیوم با قابلیت تثبیت درجه حرارت .
مزایای روش LFT عبارتند از : تولید در حجم زیاد ، امکان ساخت قطعات ساده و پیچیده ، هزینه بسیار کم نیروی انسانی به ازای محصول ، قابلیت بازیافت ، تنوع در محصولات ، قیمت کم محصول ، امکان استفاده از ربات جهت اتوماسیون کامل تولید و معایب آن شامل نیاز به سرمایه گذاری زیاد ، عدم توانایی تولید محصول با کیفیت سطحی A و قابلیت اشتعال است .
۵- روش تولید RTM
تزریق رزین به داخل یک قالب بسته معمولا ً قالب کامپوزیتی که الیاف شیشه ویژه این روش قبلا ً درون آن قرار گرفته است .
تجهیزات مورد نیاز این روش عبارتند از : قالب بسته معمولا ً از جنس کامپوزیت ، دستگاه تزریق رزین ، دستگاه خلأ ، بالابر و لوازم مناسب برش و یا شکل دهی الیاف .
از مزایای روش RTM می توان به ساخت قطعات با ابعاد بزرگ ، نیاز به سرمایه گذاری اولیه کم قالب و تجهیزات ، قابلیت تولید قطعه با کیفیت سطحی A و مشخصات مکانیکی مناسب و از معایب آن به عدم قابلیت تولید قطعات پیچیده ، قیمت تمام شده متوسط جهت محصول ، عملیات پیچیده تر بازیافت نسبت به گرمانرم ها اشاره کرد .
قالب گیری فشاری
قالب گیری فشاری ،یکی از قدیمی ترین فرآیندهای قالب گیری شناخته شده است. در این قالبها ماده پلاستیکی در محفظه قالب قرار گرفته وبا حرارت و فشار شکل می گیرد. در این قالبها ،معمولا از ترکیبات گرما سخت(ترموست)،بصورت عمده واستفاده میشودولی از محصولات گرما نرم (ترمو پلاستیک)در برخی موارد وبه ندرت استفاده میشود. موادی که بعنوان شارژ اینگونه قالبها بکار می رود،دارای اشکالی بصورت پودر ،ساچمه ای ،لایه ای وپیش فرم میباشد.
قالبهای فشاری عمدتا دارای یک عیب میباشند بطوریکه ،در اثر فشار زیاد موجود در داخل قالب پین های ضعیف ودیوارهای نازک دفرمه میشوند ، بنابراین طراحان این گونه قالبها به منظور کم رنگ کردن این عیب ،از فرایند قالب گیری انتقالی کمک گرفته اند . سال ۱۹۰۹توسط آقای لئو بکلند ،جهت تولید پوسته رادیو پیدایش یافت.
فرایند قالب گیری انتقالی، در زمان جنگ جهانی دوم شناخته شد بطوریکه در ابتدا کاربرد عمده ای در صنایع نظامی داشت.
مراحل کلی فرآیند قالب گیری فشاری
- در صورت لزوم قالب را تمییز و مواد آزاد کننده را داخل قالب می ریزیم.
- قالب را شارژ می کنیم.
- قالب توسط پرس بسته میشود.
- قبل از ایتکه قالب بطور کامل بسته شود ،قالب را کمی بازکرده تا گازهای محبوس از قالب خارج شود(تنفس قالب).
- حرارت وفشار را اعمال کرده تا عمل قالبگیری تثبیت شود(در کاربرد فشار قبل از بسته شدن کامل قالب باید اندکی درنگ شود بطوریکه گازها بتوانند از محفظه قالب خا رج شوند).
- قالب را باز نموده و قطعه داغ را در فیکسچر خنک کننده قرار میدهیم.
- معرفی روشهای قالب گیری
- قالبگیری فشاری قالبگری انتقالی
- قالبگیری تحت فشار پیستون
- قالبگیری بصورت ریخته گی
- قالبگیری پرسی
لازم به ذکر است که دو روش اول بصورت عمده برای تولید قطعات پلاستیکی اعم از مواد ترمو پلاستیکی وترمو ستی میباشد.
شرح فرآیند قالبگری فشاری
در ابتدا قالب توسط شا بلن بار ریز که روی دستگاه پرس قرار دارد ،شارژ شده و قالب شروع به بسته شدن میکند ،بطوریکه سنبه قسمت روئی قطعه را فرم داده و قسمت زیرین قطعه تا سطح جدایش قالب در داخل محفظه پائینی فرم میگیرد.
در این قالبها دمائی در حدود ۱۳۰تا۲۰۰ درجه سانتی گراد توسط دو المنت گرم کننده حاصل میشود ، ولی عمدتا دمای نیمه فوقانی قالب کمتر از نیمه تحتانی میباشد بطوری که معمولا قسمت فوقانی تا دمای ۱۴۵درجه سانتی گراد گرم شده و قسمت تحتانی تا دمای ۱۵۵درجه سانتی گراد گرم میشود. فشار لازم در حدود ۱۰۰تا۵۰۰تن می باشد ،البته این فشار با توجه به سطح تماس قطعه با قالب تعیین می شود.
شرح فرایند قالبگیری انتقالی
همانطور که در قسمت چکیده به آن اشاره شد ، این فرایند قالبگیری به منظور بر طرف کردن عیب قالبگیری فشاری از این روش قالبگیری استفاده میشود.
در واقع عملکرد این روش قالبگیری به این صورت است که ابتدا مواد شارژ فالب بصورت سرد یا نیمه گرم داخل کانال بار ریز وارد و توسط یک سنبه فشار دهنده مواد از طریق روزنه هایی در سیستم ر اهگاهی ،به حفرهای اصلی قالب هدایت می شود.
قالبهایی که با این روش طراحی می شوند غالبا چند حفره ای میباشند،به خاطر اینکه از نظرهزینه مقرون بصرفه شوند.
انواع روشهای قالبگیری فشاری از نظر ساختمان قالب
قالب فلاش دار (قی) flash die
قالب سنبه ای کفی یا پله ای flat die
قالب مثبت positive die
قالب نیمه مثبت semi positive die
لازم به به توضیح است که این قالبها بر مبنای اجازه ی ورود مواد به کانال فلاش دسته بندی شده اند که در اسلایدهای بعدی توضیح اضافی داده میشود .
قالبهای فلاش دار
در این قالب در اثر فشار حاصل از طرف پرس ،به مواد اضافی اجازه داده میشود که به راحتی به کانال فلاش راه پیدا کند . در این روش قالبگیری ، فلاش معمولا به صورت افقی است .
در این روش قلبگیری لازم است، علاوه بر هزینه طراحی و ساخت،هزینه ای برای سنگ زدن پلیسه حاصل شده در اطراف قطعه در نظر بگیریم .
در واقع یکی از معایب اینگونه قالبها ،همین هزینه اضافی می باشد.
مزیت این گونه قالبها در ارزان بودن و ساده بودن آنها است .
کاربرد این قالبها برای تولید قطعاتی از مواد پلاستیکی با ضریب بالک پایین و قطعاتی که رعایت ضخامت یکنواخت دیوارهای آن مهم نباشد،البته یکنواختی ضخامت دیوارها تا حد زیادی به دقت میله های راهنمای قالب بستگی دارد .
تعریف ضریب بالک: حاصل تقسیم حجم مواد فرم نگرفته به مواد فرم گرفته را ضریب بالک گویند.
قالب های سنبه ای کفی یا پله ای
این قالبها شبیه قالبهای فلاش دار میباشند ، با این تفاوت که در اینجا یک محفظه بار دهی به مجموعه قالب اضافه شده است .
پله ی کفی عموما ۱۶/۳ اینچ عرض دارد به منظور خروج مواد اضافی که از بین سنبه و محفظه نشت میکند.
این قالبها ،قطعات را با چگالی یا دانسیته بیشتری نسبت به نوع فلاشدار می سازند.
قطعات با پین های کوچک و مقاطع ظریف از این راه قابل ساخت هستند.
در این گونه قالبها نیز همانند قالبهای فلاشدار سنگ زنی فلاش یا پلیسه با مقدار کمتری نسبت به قبل لازم است.
قالبهای مثبت
در این قالبها فضای خیلی کمتری نسبت به دو نوع قبل برای خروج مواد اضافی به داخل کانال فلاش تعبیه شده است .
سنبه در محفظه فالب دارای انطباق کاملا جذب بوده و تلرانس در هر طرف ۳ هزارم اینچ میباشد .
این قالبها برای قالبگیری مواد با فیلر پارچه ای و قطعات عمیق مانند محفظه رادیو بکار میرود و از هر قالبی برای قالبگیری مواد با فیلر پارچه ای مناسب تر هستند .
مزیت این قالبها در این است که پلیسه یا فلاش بصورت عمودی میبا شد و به سادگی بر طرف میشود.
مهمترین عیب این قالبها خراشیدگی محفظه ی قالب توسط سنبه است که مستقیما اثر آن روی قطعه مشاهده میشود .
قالبهای نیمه مثبت
این قالبها متشکل از یک قالب سنبه ای پله دار و یک قالب مثبت هستند .
از این قالبها برای ساخت قطعات با عمق زیاد ، قطعاتی که در ته آنها مقاطع بزرگ و قطعا تی که در برخی از مقاطعشان اختلاف ضخامت وجود دارد بکار میروند.پلیسه یا فلاش ایجاد شده به راحتی توسط سنگ بر طرف می شوند.
معمولا برای فرم دادن ملامینها و ترکیبات اوره ای از این نوع قالبها کمک می گیرند .
لقی بین سنبه و ماترس ۱هزارم اینچ در هر طرف است .
معمولا این گونه قالبه را بصورت چند محفظه ای با محفظه ی باردهی مشترک می سازند
بطوریکه به آنها قالبهای ویژه اطلاق میشود زیرا گاهی حتی بیشتر از یکصد محفظه درآنها تعبیه شده است.
نکته
مکانیزم تولید قطعه در قالبهایی که در اسلاید قبل توضیح داده شد برای تولید قطعاتی بود که در دیواره ی جانبی آنها هیچ گونه حفره یا سوراخ وجود نداشت ،حال اگر بخواهیم قطعاتی را که دیوا ه ی آنها دارای حفره یا سوراخ می باشد را تولید کنیم لازم است که این قالبها را بصورت تکه ای با سنبه ی ماهیچه جانبی و متحرک بسازد.
علاوه بر این مکانیزم با توجه به نیاز از مکانیزم صفحه ی بیرون انداز بجای پینهای بیرون انداز و مکانیزم فنری نیز استفاده میشود
انواع روشهای قالبگیری انتقالی از نظر ساختمان
۱٫ قالبهای لوله راهگاهی
۲٫ قالبهای پیستونی
لازم به ذکر است که این تقسیم بندی توسط انجمن مهندسین امریکا صورت گرفته است.
قالبهای لوله راهگاهی
در این قالب ها پلا ستیک ها بر اثر نیروی وزن خود، از طریق لوله راهگاه به داخل قالب هدایت میشوند.
قالبهای پیستونی
در این قالب ها مواد پلاستیکی وارد شده به کانال بارریز توسط پیستون فشرده شده ، تا حدی که به سطح جدایش قالب فشار وارد میشود.
اجزاء ساختمانی پلاستیکها (شامل ترموستهاوترمو پلاستیکها)
رزین: عنصر چسباننده
نرم کننده:این ماده آلی برای بهبود سختی ، مقاومت ،قابلیت ارتجاعی قطعه وسهولت در امر قالبگیری به پلاستیک اضافه میشود.
عنصر فیلر:این عنصر نقش پر کننده گی دارد و جنس آن میتواند از گرد چوب، پارچه،سفال وغیره با شد.
رنگ:برای بهبود شکل ظا هری محصولات پلاستیکی،به آنها اضافه میشود.
لازم به توضیح است که ترموستها کلا دارای رزین پلاستیک و عنصر پر کننده بوده وترموپلاستیک ها دارای رزین پلاستیک و رنگ می باشند،البته ماده ی نرم کننده در هر دو نوع پلاستیک استفاده میشود.
کاربرد قالبهای انتقالی
تولید قطعات با مقاطع پیچیده ویا با ما هیچه های جانبی مشگل
تولید قطعات با مغزیهای نازک و پیچیده
تولید قطعات با سوراخهای کوچک و عمیق
تولید قطعات با چگا لی یکسان تری نسبت به روش قالبگیری فشاری
تولید قطعات دقیق
تولید قطعات با پلیسه کمتر(خصوصا برای مواد ترموست با فیبرپارچه ای )
تولید قطعات با وزن سنگینتر مثلا مواد ترموست از جنس ملا مین ،فرم آلدئید وقطعات با فیبر الیاف نساجی.
تجهیزات مورد نیاز در فرایند قالبگیری فشاری وانتقالی
برای تولید قطعات به روش فشاری نیاز به پرسهایی داریم که :
تناژ بالا داشته باشند(معمولا۲۵۰ تن).
به شابلن بار ریز مجهز باشند یا قابلیت نسی این قسمت راد اشته باشند.
به سیستم محرکه هیدرولیکی مجهز باشند(بمنظور تنظیم سرعت حرکت پرس).
در فرایند قالبگیری انتقالی علاوه بر موارد فوق به پرسهایی با تناژ کمتر و مخصوص نیاز داریم.
پرسهای مخصوص به پرسهایی اطلاق می شود که بتوانند هم عمل بستن صفحات قالب را انجام داده وعمل بارریزی،فشار وحرارت را تواما بوجود بیاورند.
مزایای فرآیند قالبگیری فشاری
ضایعات کم است(در این قالبها لوله راهگاه و کانال هدایت مواد وجود ندارد).
هزینه تجهیزاتی نسبتا اندک است.
عملیات می تواند بصورت خودکار یا دستی انجام بگیرد.
محصول تولید شده کامل می باشد.
جریان مواد در زمان کوتاه انجام شده در نتیجه تنش در قطعه و سائیدگی در قالب کم است.
قطعه دارای انسجام و یک پارچگی ساختار ی می باشد.
قطعات طویل به راحتی با این روش تولید می شوند.
معایب فرایند قالبگیری فشاری
قالبگیری قطعات پیچیده دشوار می باشد.
در این قالبها به قسمتهای داخلی قالب مثل پین های بیرون اندز براحتی آسیب وارد میشود.
ممکن است برای تولید برخی قطعات سیکل زمانی از حد استاندارد(۲الی۴دقیقه)به طور چشمگیری زیاد شود.
محصولات معیوب در این روش مجددا قابل باز یابی نیستنند.
مزایای فرایند قالبگیری انتقالی
در این فرایند نسبت به روش قبل به فشار کمتری نیاز است ،بنابراین میتوان از پرسهایی با تناژ کمتر استفاده کرد.
بعلت فشار کمتر هیچ گونه صدمه ای به قالب و اجزاء داخلی آن وارد نمی شود.
در این روش میتوان ابتدا مادهی اولیه را گرم کرد و سپس آن را به داخل قالب تزریق نمود که نتیجه آن بهبودتوزیع دما در ماده اولیه و تشکیل شبکهای عرضی ملکولی بطور سریع میباشد .
زمان گردش عملیات کاهش یافته که نتیجتا از عیوب قطعات می کاهد.
از طرفی بهبود در جریان مواد در این قالب ها ،توانایی تولید اشکال پیچیده را فراهم می آورد.
معایب فرایند قالبگیری انتقالی
بعلت اینکه این قالبها معمولا چند حفره ای میباشند، هزینه تولید آنها زیاد است.
اینگونه قالبها بخاطر داشتن کانال بارریز جدا گانه به امکانات ویژه نظیر پرسهای مخصوص نیاز دارند.
بخاطر اینکه در این روش قطعاتی با ساختاری فشرده تولید میشود،امروزه استفاده از این روش برای تولید قطعات حساس همچون چرخ اتومبیل روبه افزایش است.
پلیمرها ، ابرمولکول هایی با وزن مولکولی بسیاربالا هستند .که از واحدهای تکرار شونده تشکیل شده اند .پلیمرها ممکن است آلی (organic ) ،غیرآلی (inorganic)یا آلی ـ فلزی (organometallic )باشند .و ازدیدگاه نحوه ی به وجود آمدن ممکن است مصنوعی یا طبیعی باشند .پلیمرها ازجمله ی مواد ضروری برای بسیاری از صنایع از جمله :چسب ها (adhesives ) ، مصالح ، ساختمانی ، کاغذ، لباس ، الیاف ، پوشش ها ، پلاستیک ها ، سرامیک ، بتون ، کریستال مایع ، مقاومت های نوری و …هستند .پلیمرها درعلومی همچون :تغذیه ،مهندسی ، بیولوژی ، داروسازی ، کامپیوتر ،اکتشافات فضایی ، بهداشت و محیط زیست اهمیت دارد .
پلیمرهای غیرآلی که به صورت طبیعی وجود دارند شامل :الماس ها ، گرافیت ، آزبست (پنبه ی نسوز )،شن،عقیق ، فلدسپار ،میکا ،کوارتز ،تالک و … می شوند .
پلیمرهای آلی که به صورت طبیعی یافت می شود عبارت اند از :پلی ساکاریدها (پلی کربوهیدرات ها )مانند :نشاسته و سلولز ،نوکلئیک اسیدها و پروتئین ها .
پلیمرهای غیرآلی ،مصنوعی عبارت اند از :نیترید بور (Boron nitride )، بتون (Concrete )،بسیاری از ابر رسانه های دما بالا و شماری از شیشه ها .
پلی سیلوکسین ها (Polysi loxanes )که به سیلوکسین نیز معروف اند .نمونه ای از پلیمرهای آلی ـ فلزی محسوب می شود که به صورت مصنوعی تهیه می گردد .
پلیمرهای مصنوعی که برای در ساختار برخی وسایل استفاده می شود به طور قابل ملاحظه ای از فلزات سبک ترند .این مواد به کاهش میزان مصرف سوخت در وسایل نقلیه و سفینه های فضایی کمک می کند .زمانی که به نسبت برابر وزنی ازپلیمر به جای فلز استفاده کنیم مواد پلیمری حتی از فلز نیز بهتر کار می کنند .مثلاً :(درمورد کشش ).مواد پلیمری باپیشرفت های انجام شده توانایی استفاده برای اهداف مهندسی به عنوان مثال :یراق آلات ، بلبرینگ ها و غشاهای ساختاری را پیدا کرده اند .
به سیاره ی پلیمر خوش آمدید
نام گذاری (Nomenclature ):
بسیاری از پلیمرها هم دارای نام معمولی ()و هم نام برپایه ی ساختارشان هستند .نام گذاری بر پایه ی ساختار به وسیله ی سازمان بین المللی شیمی محض و کاربردی (International Union of Pure and Applied Chemistry )که به اختصار IUPAC نامیده می شود .پایه گذاری شده است .
بعضی از پلیمرها به وسیله ی علامت اختصاری شان (واژه ای که از حروف اول چند واژه ایجاد شده )شناخته می شوند .بعضی از شرکت های تولید کننده ی مواد پلیمری ،نام های تجاری را برای تولیدات پلیمری خاصی که خود تولید کرده اند تعریف می کنند .برای مثال پلی استر فرترل ( FortreL@polyester)شامل الیاف پلی اتیلن کرفتالات ( PET)است .پلیمرها معمولاً با نامگذاری سنتی دیده می شوند .مثلاً دایون ، پلی استر ، نایلون و …
ساختار (Composition):
ساختارهای پلیمری را می توان به وسیله ی ساختارهای ساده تر که در کل پلیمر تکرار می شوند، معرفی کرد .این ساختارهای شبیه به هم که در طی زنجیره ی پلیمری تکرار شده اند را واحد تکرار شونده گویند .این واحدهای تکرار شونده را مونومریتر گویند .مونومرها با هم واکنش داده و پلیمررا تولید می کنند .
مونومر پلی اتیلن
به جز درپایان زنجیره های پلیمری ، پلی پروپیلن از واحدهای کاملاً تکرار شونده و شبیه به هم تشکیل شده اند .
عدد واحدها (The Namber of units )دریک زنجیره ی پلیمری درجه ی پلیمریزاسیون (degree of polymerization )نامیده می شود که با DP نمایش داده می شود .
ساختار ابتدایی (Primary Structure ):
ترتیب واحدهای تکرار شونده در یک پلیمرساختار ابتدایی Primary Structure نامیده می شود .عوامل واکنش دهنده ی نامتقارن ، به عنوان مثال جانشینی مونمرهای وینیل ، صرفاً تولیداتی به صورت سر به ته ( head-to-tail)می دهد ،که عامل جانشینی R ، بر روی کربن های یکی در میان (متناوب )قرار می گیرد .هراتم کربن دارای عامل R ، مرکز چیرال (Chiral center )با احتمال ژئومتری مختلف است .(هراتم در مولکول با ۴ اتم واکنش می دهد ).
آرایش های جایی که جانشین بر روی کربن چیرال به صورت رندوم است ساختارهای اتاکتیک (Atactic structures )نامیده می شود .
ساختارهایی که دراطراف کربن چیرال هستند .هندسه ی یکسانی دارند که به آنها ایزوتاکتیک (Isotactic )یا استرورگیولر (Stereo regular)گویند.
ـ پلیمرها می توانند خطی (Linear )یا شاخه ای ( Branched )با مقدار طول شاخه ی متفاوت باشند .که اکثر پلیمرها شامل تعدادی شاخه می شوند .
ـ کوپلیمرها (Copolymers )ازدو نوع مختلف مونومر مشتق شده اند .که ممکن است به صورت نمادهای AوB نمایش داده بشوند .براین اساس ساختارهای مختلفی در کوپلیمرها رخ می دهد که هرساختار خواص خاص خود را دارد .این تنوع در نحوه ی قرارگیری مونومرهای مختلف در کوپلیمر شامل :یکی در میان (Alternating )،راندوم ( Random )، بلوک (block )و گرافت (graft )می شود .
ساختارثانویه (Secondary Structure ):
ساختار ثانویه به شکل محلی پلیمر برمی گردد .که معمولاً برآیند و حاصل پیوند هیدروژنی است .بیشتر زنجیره های پلیمرهای خطی انعطاف پذیر تا نیمه انعطاف پذیر منجر به ایجاد دو ساختار مارپیچ (helical ) و چین دار (pleated skirt )می گردد .برای هردو نوع قطبی و غیر قطبی از زنجیره های پلیمری ، تمایل به گرفتن حالت مارپیچ با اجتماع مرکزدار وجود دارد که در داخل آن ها نیروهای پیوند ثانویه وجود دارد .
سومین ساختار (Tertiary Structure ):
سومین ساختاریک پلیمر به شکل سرتا سر یک پلیمر اشاره دارد .به عنوان مثال در هم گیرکردن پلی پپتاید (poly peptide ).پروتئین های کروی شبیه گوی های ناهموارند که علت آن ترکیب پیچیده ی محیطی و محدودیت های مولکولی و فرصت های پیوندی است .
خیلی از پلیمرهای طبیعی و مصنوعی دارای ابرساختارند (Super structures )،به عنوان مثال :پروتئین های کروی و تجمع زنجیره های پلیمری ، که ایجاد کلاف و دسته بندی هایی می کند .
چهارمین ساختار (Duaternary structune ):
چهارمین ساختار به نحوه ی قرارگیری درفضای دو یا بیشتر زیر واحدهای پلیمر است .که اغلب از تجمع سومین ساختار حاصل می شود .برای مثال : هموگلوبین (چهارمین ساختار )ترکیبی ضروری از چهار واحد میوگلوبین ( سومین ساختار )است .بسیاری از پلیمرهای مصنوعی به حالت کروی فورم می گیرند .
تولید (Synthesis ):
برای اینکه پلیمریزاسیون اتفاق بیفتد ، مونمرها باید حداقل ۲ نقطه ی واکنش پذیر یا گروه های عاملی داشته باشند .دو راه اصلی در ایجاد پلیمرهای مصنوعی وجود دارد که یکی از روش ها ، روش افزایشی و دیگری روش تراکمی است .در سینتیک شناسی نوع زنجیری ،آغاز واکنش با ترکیب یک سری از مونومرها شروع می گردد که نتیجه ی آن مخلوطی از تعداد زیادی مونومر واکنش نداده و پلیمر است .
پلیمرهای وینیلی (Vinil Polymers )ازمونومرهای وینیل مشتق می شوند .و دراسکلت اصلی آنها فقط اتم کربن وجود دارد .مثال هایی از پلیمرهای وینیلی شامل پلی استیرن (Polystyrene ) ، پلی اتیلن (Polyethylene )، پلی بوتادی ان (Poly buta diene )، پلی پروپیلن (poly propylene )و پلی وینیل کلراید (Poly vinid choloride )است .
پلی اتیلن با دانسیته ی پایین (LDPE)
دومین روش عمده ی پلیمریزاسیون مرحله ای (step – wise polymerization )است .پلیمریزاسیون در مراحل دارای شکل جهت داراتفاق می افتد .که موجب ایجاد یک میانگین اندازه ی زنجیره ای می گردد .
که امکان دارد از مخلوط واکنش یک عدد یا درجه ی پلیمریزاسیون سر تاسری ۲ ، سپس ۵ ، سپس ۱۰ و به همین منوال داشته باشیم تا همه ی مخلوط به پلیمرهای بزرگ تبدیل شوند که تعداد مونومرهای موجود اندک یا اصلاً وجود ندارد .پلیمرهایی که به طورخاص از این روش ایجاد می شوند .شامل : پلی کربنات ها ( polycarbonates )،پلی استرها ( polyesters )و پلی یوریتان ها (polyurethanes )هستند .
پلی کربنات
زنجیرهای پلیمری که به روش تراکمی تهیه شده اند دارای این خاصیت اند که اتم های غیرکربن نیز در ساختار آنها وجود دارد .برای پلی آمید ، نیتروژن در ساختار اصلی پلیمر وجود دارد .درحالی که برای پلی کربنات ها اکسیژن در ساختار اصلی اضافه شده است .
پلیمرهای تراکمی درحالت مذاب تولید می شوند (یعنی اینکه واکنش دهنده ها حرارت داده می شوند تا مذاب گردند ).یا اینکه در حالت محلول هستند ( یعنی واکنش دهنده ها درحلال حل شده اند )و درحالتی دیگر واکنش بین فازی است (یعنی اینکه واکنش دهنده ها در حلال های متفاوت از لحاظ امتزاج حل شده اند ).
خواص مولکولی (Molecular Properties ):
این بخش برای این مورد استفاده قرارگرفته تا کمک به فهم ساختار و رفتار پلیمرها بکند وزن مولکولی یک زنجیر پلیمر خاص به وسیله ی مجموع وزن مولکولی واحدهای تکرار شونده ایجاد می شود .درمیانگین آماری پلیمرها را توصیف می کند که یکی از آنها (وزن مولکولی میانگین شماره ای است و دیگری وزن مولکولی میانگین وزنی است .)
اندازه مهمترین خاصیت پلیمرهاست که به آنها اجازه ی انبارکردن اطلاعات را می دهد .(پروتئین های و نوکلئیک اسیدها )،مواد پلیمری هر عملی را که زنجیره های پلیمری یا اجزای پلیمر را کج و راست کند به خاطر می آورند . مثلاً خم کردن ،کشیده شدن ها ویا ذوب شدن ها.
اندازه ی همچنین به عنوان یک تجمع درون زنجیری ثانویه به شمار می آید که توسط نیروهای واندروالس ایجاد گشته اند .برای پلیمرهای غیرقطبی ، مثلاً پلی اتیلن ، نیروی جاذبه برای هر واحد تکرار شونده کمتر از پلیمرهای قطبی است .پلی وینیل کلراید که یک پلیمر قطبی است .شامل نیروهای جاذبه ای که منشا آنها گسیختگی ساختار و نیروهای دو قطبی ، است که مجموع این نیروها از نیروهای موجود در پلی اتیلن کمتر است .پلیمرهای حاوی پیوند هیدروژنی (مثلاً پلی ساکاریدها ، پروتیئن ها و نوکلئیک ها اسیدها و نایلون است ). نیروهای جاذبه ی حتی بزرگتری نسبت به حالات قبل دارند .پیوند هیدروژنی به قدری در سلولز قوی است که موجب عدم حلالیت آن درآب تا حدی که پیوندهای بین زنجیری هیدروژنی شکسته نشوند است .
مونومر وینیل
پلیمرها معمولاً ترکیبی از مناطق با آرایش منظم و نواحی بدون آرایش منظم هستند .
به نقاط با آرایش منظم بخش های کریستالی شده و به نواحی بی نظم بخش های آمورف گفته می شود .نواحی کریستالی زیادی صلب اند و به پلیمرها استحکام و مقاومت در برابر نیروهای خارجی را اعطا می کنند .نواحی آمورف، نیز به پلیمر خاصیت انعطاف پذیری می دهد .
اکثر پلیمرهای تجاری دارای تعادل در میزان نواحی آمورف و کریستالین هستند که به پلیمرخاصیتی می دهند که هم انعطاف پذیر و هم مستحکم باشند .
پلیمرها مواد ویسکوالا هستند .پلیمرهای نرم ، مثلاً پلی اتیلن و پلی پروپیلن دارای تحمل در برابر کشیدگی بالای دارند و درهنگام کشیدگی مقاومت و جهت گیری زنجیره ای پیدا می کنند .
پلیمرهای ترد ،مثلاً پلی استیرن ، استقامت کافی ندارند .و درکشش های کمتر شکسته می شوند .
مونومر استیرن
ـ لیف (fiber )،یک ماده ی پلیمری است که بسیاربلند است و طول آن از ابعاد دیگرآن بسیار بزرگ تر است ، یک لیف یا رشته ی مقاومت کششی بالا ، سختی بالا و افزایش طول کمی درحین کشش دارد .
مواد (materials ):
الیاف(fibers )مواد پلیمری هستند که در یک جهت بسیار محکم اند و بیش از ۱۰۰برابر عرضشان کوچکتر است .
ـ الاستومرها (elastomers )که به آنها رابرتیر می گویند مواد پلیمراند که درهنگام اعمال نیرو بر آنها تغییر شکل داده و هنگامی که نیرو برداشته شود .به شکل اولیه باز می گردند .
ـ پلاستیک ها ، موادی اند که خواصشان میان الیاف و الاستومرهاست .آنها سخت و انعطاف پذیر هستند .پوشش ها و چسب ها عمدتاً از مشتقات مواد پلیمری اند .البته از گروه های دیگر نیز می توانند کمک بگیرند به عنوان مثال ، پلی سیلوکسان (polysiloxanes )الاستومراست در حالی که به عنوان چسب نیزاستفاده می شوند .
چسب ها و پوشش های مورد استفاده درصنعت شامل :لامینات ها ( laminates )
ـ مواد لایه مانند ، درزگیرها و بتونه ها (Sealants and Caulks )، کامپوزیت ها (composites )،غشاها ( films)، کریستال های مایع (liquid crystals )، سرامیک ها ، سیمان ها و مواد *می شود .
افزودنی ها (additives ):
مواد پلیمری مورد استفاده معمولاً ترکیبی از یک پلیمر و یک یا چند جزء دیگر است .که به پلیمر اضافه شده اند .و نقش بهبود و خواص ، کمک به پروسه ی تولید و ایجاد خواص جدید را دارد .
مواد افزودنی می توانند جامد ، مایع و گاز باشند .افزودنی های جدید نیز مانند :پلاستیسایزها (plasticizers )، آنتی اکسیدان ها ( antioxydants )،مواد افزودنی رنگ زا ( colorants )، پرکننده ها (fillers )و تقویت کننده ها (reinforce ments )هستند .
بازیافت (Recycling ):
بسیاری از پلیمرها ترموپلاست (Thermoplastics )هستند. ازاین جهت این مواد را می توان پس از کاربرد دوباره ذوب و شکل دهی کرد .و با گرم کردن و فشار آنها دوباره محصولات جدید تولید کرد .بازیافت پلیمرهای ترموست (Thermosets)مشکل تر است .زیرا این پلیمرها ذوب نمی شوند و پیش از نرم شدن تخریب می شوند .این مواد در اکثر موارد آسیاب شده و به پودر نرم تبدیل می شوند .این پودر نرم با افزودنی ها (معمولاً چسب ها ، باندها (Binders )آمیخته شده و سپس شکل دهی می شوند.
اوّلین سؤالی که در ذهن خواننده پس از شنیدن نام بتن پلیمری نقش می بندد این است که پلیمر ( Polymer ) چیست ؟ برای پاسخ به این سؤال بهتر است اوّل با مونومر ( Monomer ) آشنا شویم :دائره المعارف بریتانیکا در مورد مونومر چنین می گوید :“ مولکولی از هر دسته ترکیبات ( اغلب ارگانیک ) که می تواند با مولکول های همانند خود یا از نوع دیگر واکنش دهد و تشکیل مولکول های بسیار بزرگ یا پلیمر را بدهد . خاصیّت و ویژگی اساسی مونومر چندگانه واکنش دادن آن است ، مونومر دارای قابلیّت شکل دادن ترکیبات شیمیایی با حدّاقل دو مولکول مونومر دیگر است ، …..”
با توجّه به آنچه گفته شد می توان متوجّه شد که مونومر همانند حلقه های یک زنجیر است و پلیمر خود زنجیر است ، در واقع باید بتوان یک پلیمر را به مونومرها با ضریب صحیح تقسیم کرد ، لزومی ندارد که یک مونومر ، عنصر باشد ، در واقع مونومر مولکولی است که از تکرار آن پلیمر به دست می آید و دارای وزن مولکولی کمی می باشد . بد نیست بدانیم که معادل فارسی مونومر ، تکپار ، و معادل فارسی پلیمر ، بَسپار است .
بتن پلیمری
قرن بیستم را به حق باید قرن پلیمر ها نیز دانست ، محصولات پلیمری از لحاظ حجمی در سال ۱۹۹۰ بر حجم محصولات آهنی فایق آمد و پیش بینی می شود که در قرن حاضر ، از لحاظ وزن نیز بالاتر رود . صنایع ساختمان بزرگترین مصرف کننده موادّ پلیمری ، ۲۵ تا ۳۰ درصد از کلّ پلیمر ها را مصرف می کند .
یکی از مواردی که در ساختمان به وفور استفاده می شود بتن است .
این مادّه به دلیل هزینه پایین تولید ، راحتی استفاده و استحکام فشاری ، یکی از موادّ پرمصرف در سازه هاست ولی به دلیل نقایصی که دارد
( نقایصی چون :
۱ – تخریب یخ زدگی و ذوب
۲ – تخریب پذیری توسّط موادّ شیمیایی خورنده
۳ – استحکام کششی کم
۴- دیرپخت بودن و …. )
همزمان با تولید این مادّه ، ترکیب آن با فولاد ( مسلّح کردن بتن ) و ایجاد خاصیّت تاب خمشی مطرح شد و از همان موقع ، استفاده از موادّ و ترکیبات شیمیایی ، برای بهبود خواصّ آن مورد توجّه قرار گرفت .
حاصل تحقیقیاتی که در این زمینه صورت گرفت این نتیجه را در بر داشت که جایگزینی مناسبی ، با موادّ پلیمری انجام شده است و با به کارگیری آنها به روش های مختلف ، خواصّ بتن ارتقا می یابد . ( این تحقیقات بیشتر در ژاپن ، آمریکا و روسیه انجام شده است ) .
در این رابطه خانواده بتن های پلیمری ، بهترین خاصیّت ها را از خود نشان دادند . خواصّ این نوع بتن ، برتر از بتن های سیمانی بود و گاهی خواصّ
منحصر به فردی از خود نشان می دهد .
با توجّه به نیاز بیشتر به استحکام در سازه ها و برتری های این نوع بتن ، بتن پلیمری مورد علاقه دانشمندان واقع شد و با وجود آنکه مدّت زیادی از اختراع آن نمی گذرد و علیرغم قیمت بالایی نیز که داراست مورد استقبال روزافزون قرار گرفته است .
بتن های پلیمری از حدود سال ۱۹۵۰ وارد بازار شده اند و پیش بینی می شود در طیّ دهه پیش رو ، مصرفشان ۱۰ برابر شود . کاربرد این نوع پلیمرها به دو شاخه استفاده جامد و استفاده غیر جامد تقسیم می شود .
در حالت جامد محصولات پلیمری به جای فولاد جایگزین می شوند و بتن را مسلّح می کنند که در این حالت ، پلیمر به صورت رشته ، شبکه و یا میلگرد در بتن استفاده می شود . در حالت غیر جامد با تزریق پلیمر های پودری و مایع ، در دوام بتن بهبود حاصل می شود .
در کشور ما کار خاصّی روی بتن پلیمری صورت نگرفته است و هنوز در سطح یک موضوع تحقیقاتی برای دانشجویان باقی مانده است ، موضوعی که منابع تحقیق آن نیز غالباً خارجی هستند .
بتن های پلیمری ( Polymer Concrete ) حالت جامد :
اکثر موادّ و مصالح طبیعی به دلیل ناپیوستگی های سطحی و ترکیباتی که در خود دارند ، دارای مقاومت لازم برای تحمّل تنش های زیاد نیستند و لازم است تا با موادّ دیگری مسلّح شوند . دانشمندان به دنبال موادّی هستند که در ضمن مسلّح کردن بتن ، دارای وزن کمتر ، مقاومت بیشتر در برابر عوامل جوّی ، رفتار بهتر در بارگذاری های متناوب باشد و بتواند مقاومت خود را در دماهای بالا مثل دمای کوره حفظ کند و …..از این قبیل.
یکی از مشهورترین این مصالح ، کامپوزیت های پلیمری می باشند .
اوّلین باری که کامپوزیت ها در بنا استفاده شد در زمان جنگ جهانی دوّم بود . در آن زمان بر روی ساختمان هایی که باید رادار نصب می کردند ، استفاده از سازه های فلزّی و یا حتّی بتن آرمه ، مشکل ایجاد می کرد ، با مسلّح کردن بتن توسّط کامپوزیت های بتنی ، این مشکل برطرف شد . همچنین در همان بحبوحه جنگ بعضی از قسمت های هواپیماهای جنگی را از پلی استرهایی که با رشته های شیشه تقویت شده بودند
می ساختند .
در ساختمان های مسکونی از کامپوزیت هایی با فیبر شیشه ای یا پلی استر استفاده می شد . ( سازه کامپوزیتی GPR ) ، دو ساختمان استثنایی با سازه کامپوزیتی ساخته شده است که یکی سازه گنبدی شکل در بن غازی ( ۱۹۶۸ ) و دیگری سقف فرودگاه دبی ( ۱۹۷۲ ) است که تأثیر محسوسی بر استفاده از این نوع سازه ها داشته است .
اکثر این سازه ها دارای سازه اصلی بتن مسلّح بود و برای ساخت پانل ها از GPR (Glass Polymer Reinforced ) بهره می برد ، همانند سازه قوسی فضاکار زمین فوتبال شهر منچستر (۱۹۸۰ ) ، مهمّترین کاربردهای GPR به قرار زیر است :
۱- ساختمان هایی که تحت اثر خوردگی شدید هستند .
۲- سازه های پیشرفته رادارها .
۳- ساختمان هایی که کنترل کیفیّت آنها مهم است .
۴- ماهواره ها .
۵- آنتن های بزرگ .
مهمّ ترین دلایل افزایش استفاده از کامپوزیت ( Composite ) :
۱ – وزن کم
۲- قابلیّت ایجاد معماری های زیبا
۳- مقاومت در برابر شرایط جوّی
۴- خواصّ ضدّ خوردگی
۵ – وجود سازه هایی که در آنها نباید از فلز استفاده کرد .
امروزه بسیاری از پل های بتن آرمه به دلیل وجود کلر در آب دریا ، تخریب شده اند که بتن پلیمری این نقیصه را ندارد و خورده نمی شود ، محصولات پلیمری در حالت جامد بیشتر به صورت میلگرد و شبکه مورد استفاده قرار می گیرند .
انواع بتن های پلیمری ( حالت غیر جامد ) :
پیش از بیان انواع بتن های پلیمری لازم است با فرآیند پلیمریزاسیون بیشتر آشنا شویم :
پلیمریزه شدن : از اتّصال واحد های مونومر به یکدیگر ، رشته یا شبکه های مولکولی سطحی یا فضایی تشکیل می شود که دارای وزن مولکولی بالایی هستند و به آنها پلی مر می گویند ، این فرآیند را پلیمریزه شدن می گویند .
انواع بتن های پلیمری بدین قرارند :
۱- بتن های باردار شده توسّط پلیمر ( PIC ) : شامل بتن پورتلند پیش ریخته شده است که توسّط یک سیستم مونومری باردار گردیده است ( آماده واکنش است ) و متعاقباً در محلّ ، پلیمریزه می شود .
۲- بتن های پلیمر – سیمان (PCC) : شامل یک مونومر است که به مخلوط آبی بتن تازه افزوده می شود و متعاقباً در محلّ، پلیمریزه می شود .
۳- بتن های پلیمری (PC) : شامل یک سیستم مخلوط از سنگریزه ( Aggregate ) و پرکننده ( Filler ) در مونومر می باشد که متعاقباً در محلّ ، پلیمریزه می شود .
۴- بتن های پلیمر – گوگرد (PSC ) : شامل یک سیستم مخلوط از بتن های گوگردی است که توسّط پلیمر ها اصلاح خواصّ پیدا کرده باشد .
نحوه تولید بتن پلیمری (حالت غیر جامد ) :
بتن های پلیمری از ۸۰ تا ۹۵ درصد پرکننده های معدنی و گاهی آلی تشکیل شده اند و حدود ۵ تا ۲۰ درصد بایندر پلیمری نیز بتن را نگاه می دارد ( بایندر ( Binder ) به معنای پیوند دهنده یا متّصل کننده است و منظور همان محلول مونومر است که پس از فرآیند پلیمریزاسیون بتن را نگاه می دارد ) ، خواصّ بتن های پلیمری برتر از بتن های سیمانی است .
با انتخاب : الف ) بایندر مناسب ب) نوع و میزان مناسب پرکننده ج ) به کار بردن افزودنی های مناسب
می توان طیف وسیعی از بتن های پلیمری را با خواصّ فیزیکی ، مکانیکی ، دینامیکی ، الکتریکی ، حرارتی ، شیمیایی ، تزئینی و … تهیّه کرد . در صورتیکه این طیف وسیع برای بتن های سیمانی وجود ندارد .
از مجموعه موادّ رایج به عنوان بایندر پلیمری سه نوع رایج ترند که عبارتند از :
۱ – اپوکسی . Epoxy
۲- پلی استر
۳ – پلی یورتان
از پرکننده های رایج نیز دو نوع رایج ترند که عبارتند از :
۱ – سیلیس . Silica
۲- کربنات کلسیم
بر اساس آزمایش هایی از نوع برزیلی ، نتایج زیر حاصل شد :
۱ – نمونه های بتن پلیمری با بایندر اپوکسی و پلی استر ، استحکاک بالاتری دارند .
۲- نمونه های بتن پلیمری با بایندر پلی یورتان ، ازدیاد طول بسیار زیادی دارند . ( تعریف اپوکسی و …. در همین مقاله گفته خواهد شد . )
بایندر های پلیمری ۹۰% کلّ قیمت بتن را شامل می شوند . با وجود این ، قیمت بتن های پلیمری ، بسیار کمتر از پلاستیک هاست . انتخاب مناسب بایندر و پر کننده مناسب ، می تواند سبب هر یک از حالات زیر شود :
۱ – بتن هایی با دی الکتریک بالا
۲ – برعکس بتن هایی با هدایت الکتریکی بالا
۳ – قطعاتی مناسب برای ایجاد خلاء و ..
تغییر خواصّ بتن پلیمری بر حسب تغییر پرکننده ها :
پرکننده ها از دو دسته تشکیل می شوند :
۱- جزء زبر ( دانه بندی درشت )
۲- جزء نرم ( دانه بندی ریز )
پرکننده های سبک وزن شامل سه دسته سنگ های رسی سبک ، پرلیت و سنگ پا ( Pumice ) می شوند و پر کننده های سنگین شامل ۴ دسته قطیر ، هماتیت ، ایلمنیت ، باریت می شوند .
از این موادّ برای تولید بتن های پلیمری با وزن مخصوص بین ۶۴۰ تا ۵۲۰۰ کیلوگرم بر متر مکعّب می توان استفاده کرد . پرکننده های بسیار نرم برای کاهش حجم خالی بتن به کار برده می شود . مانند پودر سیلیس ، کربنات کلسیم ، خاکستر ، کائولین . میکا تالک ،تری هیدرات آلومینا ، سولفات کلسیم و سیمان پورتلند . پر کننده ها می توانند سبک باشند مانند دانه های شیشه ای سوراخ دار ، سرامیک یا گلوله های پلاستیک .
با استفاده از پرکننده های هادی مثل کربن یا پودرهای فلزّی ، می توان بتن را از نظر الکتریکی رساناتر کرد ، افزودنی هایی مثل فیبرهای شیشه ای ،آلی و فلزّی برای اصلاح استحکام ضربه ای ، خمشی و همچنین برای کاهش پدیده انقباض ناشی از پخت به کار می رود . عوامل تر کننده باعث کاهش سطحی زیرین مایع و سهولت ترشدگی سطوح پرکننده می شود . جهت تأمین رنگ و همچنین گاهی اوقات به منظور پایداری در مقابل نور از رنگدانه ها استفاده می شود .
با افزودن لاتکس های SBR و اپوکسی به بتن معمولی به عنوان بتن سیمان پرتلند ، پلی مری استفاده شده است که باعث بهبود خواصّ‌مهندسی و پایایی بتن می شود و همچنین با افزودن رزین های پلی اسراسیترن و اپکسی به مصالح سنگی به عنوان بتن پلیمری که در مورد رزین پلی اسراسیترن، خواصّ مهندسی و پایایی بتن به طور چشمگیری بهبود می یابد .
آشنایی با انواع بایندرها :
رزین ( Resin ) : به مادّه آلی جامد یا نیمه جامد یا شبه جامدی گفته می شود که اغلب دارای وزن مولکولی نامشخّص امّا بالایی بوده و وقتی در معرض تنش قرار می گیرد تمایل به جریان دارد .
اپوکسی : اپوکسی نوعی رزین است ، این نوع رزین دارای قطعاتی گرم و نرم است که با گرما آب می شوند .
رزین های اپوکسی : نوع مایع آن از چسبندگی خوبی به الیاف شیشه برخوردارند .
لاتکس : شیر آب محتوی مونومر که برای تولید پلی مر استفاده می شود . ( SBR )
خواصّ رزین های اپوکسی :
۱- مقاومت در برابر خوردگی (Corrosion ) بسیار زیاد . ۲- زمان پخت کم . ۳- زمان کم برای رسیدن به استحکام ساختمانی . ۴ –چسبندگی خیلی خوب به سطوح فلزّی . ۵- مقاومت سایشی ( Abrasion Resistance ) بالا. ۶ – استحکام مکانیکی بالا . ۷ – مقاومت در برابر موادّ شیمیایی مخرّب .
۸ – چروکیدگی ( Shrinkage ) کم در حین پخت . ۹- عدم تولید محصولات فرّار جانبی در واکنش پخته شدن .
۱۰ – حفظ خواصّ و سازگاری حرارتی با فولاد در محدوده دمایی ۳۰ تا ۷۰ درجه سانتیگراد .
رزین اپوکسی مایعی است بی رنگ ، متمایل به زرد ، فرّار و سمّی که در دمای اتاق بخار می شود .
روشی برای تقویّت بتن های معمولی :
در بتن های پلیمری از تکنیک آغشته سازی بتن با پلیمر استفاده می شود . در این روش ، یک سیستم مونومری به داخل بتن سخت شده نفوذ می کند و پس از پلیمریزاسیون موجب انسداد مجاری و حفره های درون بدنه و اتّصال بیشتر اجزاء متشکّله و ارتقای بسیاری از خواصّ بتن خواهد شد . در این روش از مونومر های متیل متا کریلات و استایرن استفاده می شود . روش کار بدین ترتیب است که نمونه های بتن را خشک و تمیز نموده و سپس خنک می کنیم . بعد بتن را با سیستم مونومری
آغشته می کنیم و پس از انجام پلیمریزاسیون کاتالیتی حرارتی ، بتن پلیمری آماده است . این بتن ، مقاومت فشاری و نفوذناپذیری اش افزایش پیدا کرده است .
مزایای بتن های پلیمری :
۱ – استحکام ۲- کرنش های فشاری ، خمشی ، کششی (چندین برابر ) ۳ – میرایی ۴ – عمر سرویس
۵ – مقاومت سایش و ضربه ای ۶ – مقاومت در برابر تغییرات جوّی ۷- مقاومت در برابر عوامل شیمیایی
۸ – مقاومت در برابر عوامل مخرّب محیطی ۹- مقاومت در برابر عوامل مخرّب صنعتی ۱۰- جذب آب کمتر
۱۱ – افت کمتر خواص ۱۲ – خواصّ فیزیکی و مکانیکی بهتر ۱۳ – دارای خواصّ تزئینی
خاصّیت بتن پلیمری با بایندر اپوکسی و پلی استر
افزایش یا کاهش خاصّیّت نسبت به بتن سیمانی
استحکام فشاری
پنج و سه دهم برابر افزایش می یابد
استحکام کششی
پنج و هشت دهم برابر افزایش می یابد
استحکام خمشی
چهار برابر افزایش می یابد
کرنش فشاری
پنج و دو دهم برابر افزایش می یابد
کرنش خمشی
ده ها برابر افزایش می یابد
جذب آب
۱۰ تا ۶۰ برابر کاهش می یابد
جدول بالا به خوبی می تواند مزایای بتن پلیمری با بایندر اپوکسی و پلیستر را نسبت به بتن سیمانی نشان دهد ، علاوه بر این بتن پلیمری پلی یورتان دارای ازدیاد طول منحصر بفردی است . بتن های پلیمری در برابر شستشوی دائم مقاومند و فراورش و اجرای آسانی دارند .
موارد مصرف بتن های پلیمری :
۱ – روکش پل ها و جادّه ها ۲ – تعمیرکاریها ۳- سازه ساختمان هایی که در معرض خوردگی هستند .
۴ – پوشش دهی کف ساختمان های صنعتی ، ورزشی و … ( مثلاً پلی یورتان با ازدیاد طول منحصر به فرد ، برای پوشش کف های مقاوم در برابر سر خوردن مناسب است . ) ۵- تولید پانل های مصنوعی و تزئینی در فضاهای مسکونی و اداری ( مثل سنگ مرمر مصنوعی ، انیکس پلیمری ، گرانیت مصنوعی ) ۶- درزگیر بتن ها ۷- ساخت سازه های زیرزمینی مثل فاضلاب های صنعتی ( مقاوم در برابر خوردگی ) ۸ – ساخت آبشخورهای مورد نیاز در دامداری ها ( در مقابل موادّ آمونیاکی مقاوم و نسبت به محصولات سرامیکی ارزان ترند .) ۹ – ساخت مجسّمه ها ، گلدان های تزئینی و سایر اشکال آرشیتکتی مشابه سنگ ۱۰ – ساخت مخازن نگهداری موادّ شیمیایی ۱۱ – سازه محیط های دریایی
۱۲ – ساخت سازه های زیر آب ۱۳- ساخت سر ریز های سد ۱۴ – دیواره آب بند سدها ۱۵ – دیواره تونل ها
۱۶ – بازسازی و سرعت در تعمیر ( برای سازه های بتنی و مخصوصاً سازه هایی که در شرایط خاص، مثلاً‌زیر آب قرار دارند . ) بتن معمولی همواره با مشکل خوردگی توسّط عوامل اکسیدکننده گازی و مایع روبرو است و دلیل آن مقاومت کم در برابر عوامل خورنده شیمیایی است . با جایگزینی کامل حامل آبی در بتن توسّط حامل پلیمری ، ترکیبی به دست می آید که دارای مقاومتی بالا در برابر عوامل خورنده شیمیایی ، بدون نیاز به حفاظت های شیمیایی است .
بتن پلیمری زمان کمی برای پخت و جذب آب نیاز داشته و نفوذپذیری کمی دارد . نحوه اختلاط این نوع بتن و لوازم مورد نیاز آن مانند بتن معمولی است و به سهولت قالب ریزی می شود . مجموعه این مزایا و آنچه قبلاً گفته شد سبب کاربردهای گوناگون و روزافزون این بتن ، علیرغم قیمت بالای آن شده است . باید در اینجا به استفاده خاصّ و اجباری از بتن پلیمری در شرایط غیر متعارف اشاره کنیم ، مثلاً در جاهایی که بتن در معرض موادً شیمیایی قرار دارد و ممکن است پدیده کاوتیاسون
رخ دهد یا در مکان هایی که ممکن است بتن دائماً در معرض کلر باشد و …..
انواع پلیمرهایی که برای مصارف بالا استفاده می شوند عبارتند از :
۱- اپوکتیک ها ۲- فورانها ( Furan ) 3 – اکرلیک ها ۴ – پلیسترهای غیر اشباع ۵- وینیل استرها
انتخاب پلیمر مصرفی بر حسب مورد مصرف ( کارایی ) و قیمت آن انتخاب می شود.
استفاده از بتن های پلیمری در قطعات پیش ساخته و نماهای ساختمانی:
یکی از موارد استفاده از بتن های پلیمری ، تولید قطعات پیش ساخته و نماهای ساختمانی است که البتّه این قطعات ، معایب سنگ های طبیعی را ندارند ، سنگ های طبیعی که در صنعت ساختمان مورد استفاده قرار می گیرند اغلب دارای معایبی هستند که بعضی از آنها این چنین اند :
۱ – سنگ های طبیعی چگالی بالایی دارند . ۲- در اثر عوامل جوّی و موادّ شیمیایی تخریب پذیرند .
۳ – نفوذ پذیری و جذب آب بالایی دارند . ۴ –تهیّه آنها در ضخامت کم به دلیل شکنندگی بالایی که دارند
ممکن نیست . ۵ – حمل و نقل آنها سخت است . ۶ – عایق صوت و حرارت نیستند .
بتن های پلیمری چگالی پایین ، خواصّ فیزیکی و مکانیکی سطح بالا را دارا هستند و امکان اعمال طرح های تزئینی متنوّع در آنها وجود دارد و جایگزینی مناسب برای سنگ های تزئینی و نماهای خارجی رایج خواهند بود. (مرمر ، گرانیت انیکس و .. )
با انتخاب موادّ اوّلیّه خاصّ برای تولید این نوع بتن تزئینی و فراورش مناسب ، سنگ نمای مصنوعی سبکی تولید خواهد شد که معایب سنگ های تزئینی طبیعی را نداشته و دارای خواصّ و برتری های ذیل می باشد :
۱ – چگالی ۳/۱ گرم بر سانتی متر مکعّب . ۲ – درصد جذب آب ۱۹% (یک شصتم بتن سبک و یک سی ام بتن معمولی )
۳ – قدرت چسبندگی بیشتر بر روی بتن سیمانی ۴ – مقاومت در برابر ضربه . ۵ – سازگاری حرارتی بسیار خوب در محدوده دمایی ۳۰ تا ۷۰ درجه سانتیگراد ۶ – مقاومت بسیار عالی در برابر شرایط محیطی شیمیایی ۷ – استحکام فشاری ، خمشی و کششی بالاتر . ۸ – تنوّع رنگ بسیار زیاد .
نکته جالب این است که با وجود تمام محاسنی که ذکر شد ، این نوع تولیدات ، قیمت کمتری نسبت به سنگ های طبیعی دارند .
کاربرد بتن های پلیمری به عنوان صفحات ضدّ گلوله :
برای تولید صفحات ضدّ گلوله در صورتی که وزن و حجم ، عوامل محدود کننده ای نباشند ، بتن سیمانی در تهیّه و ساخت موانع ضدّ‌گلوله به کار می رود . در صورتی که به جای سیمان از رزین پلیمری ، به عنوان حامل در ترکیب بتن استفاده شود ، مقاومت مکانیکی بتن افزایش چشمگیری می یابد و سرعت گیرش و پخت سازه مورد نظر به صورت محسوسی بالا می رود .
در این ترکیب پلیمری که شامل ۱۲ درصد رزین است ، ۳ درصد تقویت کننده شامل پودر و لاستیک الیاف کوتاه شیشه ،
ایجاد خواهد شد ، این صفحه ضدّ گلوله ، برای ساخت هدفی با حدّ اقل ضخامت ۵ تا ۶ سانتی متر به کار می رود و می تواند گلوله ای با انرژی معادل ۲۴۰۰ ژول را مهار کند و کمترین خسارات را متحمّل شود .
کاربرد بتن های پلیمری سبک در ساخت تابلوهای ایمنی راه :
با توجّه به گسترش جادّه ها و ازدیاد مسافرت ها ، نیاز به علایم رانندگی هر روز بیش از پیش احساس می شود . این علایم عمودی و افقی هستند و نوع قائم آن از پایه و سر تابلو تشکیل شده است و عموماً از جنس فلز ساخته می شود ؛
با توجّه به اینکه مصرف این تابلوها در کشور بسیار زیاد است و فلزّ به کار رفته در آن ورقی و وارداتی و ارزبر است و از طرف دیگر منابع فراوان تولید بتن و سیمان در کشور وجود دارد ، مسئولین بر آن شدند تا از بتن سبک در تولید علائم ایمنی شهری بهره برداری کنند . این تابلو ها باید به گونه ای باشند که اوّلاً در برابر عوامل جوّی و یخبندان مقاوم باشند ، ثانیاً از
نظر اقتصادی ، مقرون به صرفه باشند و ثالثاً دارای سطحی صاف و بدون خلل و فرج باشند تا بتوان شبرنگ ها را بر روی آنها چسباند . از این رو در حال حاضر به دستور سازمان مدیریّت و برنامه ریزی ، محقّقین در حال تحقیق در زمینه استفاده از
بتن های پلیمری برای تولید پایه و سر تابلوهایی هستند که خاصیّت های مذکور را دارا باشند ، چنانچه بتوان به این مهم
دست یافت ، حدود ۳۰ الی ۵۰ درصد کاهش هزینه نسبت به علایم فلزی خواهیم داشت و به عبارتی سالیانه حدود چندصد میلیون تومان کاهش هزینه خواهیم داشت .
نتیجه گیری :
با توجّه به آشنایی مختصری که در این مقاله نسبت به بتن پلیمری به دست آمد ، می توان پیش بینی کرد که در آینده از بتن پلیمری به صورت عمده ، هم در داخل ساختمان به عنوان تحمّل کننده بار و هم در خارج از ساختمان به عنوان نما استفاده خواهد شد ، بدون شک آنچه که باعث افزایش استفاده از بتن پلیمری شده است ، قابلیّت تغییر در خواصّ آن با تغییر دادن نوع و درصد پرکننده ها و بایندر های پلیمری است .
امید است دانشمندان و دانش پژوهان ایرانی از عرصه تحقیقاتی وارد عرصه ازمایشگاهی شوند تا بدین ترتیب صنعت ساختمان کشور بهبود فن آوری یابد .
هرکجا هستید باید بدانید که یکی از فرآورده‌های صنعت پلیمر در اطراف شما است. چرا که این صنعت در ساخت رنگ درها و دیوارهای خانه‌ها و پوشاک، پوشش کابل‌ها و سیمها و هرآنچه که از لاستیک یا پلاستیک ساخته شده است، نقش کلیدی دارد. پلیمرها به دو دسته طبیعی و مصنوعی تقسیم میشوند.پلیمرهای طبیعی موادی مانند ترکیب‌های سلولزی، چوب، کاغذ و پشم هستند و از مواد نفتی نیز میتوان مواد پلیمری مصنوعی را ساخت. مهندسی پلیمر دارای دو گرایش اصلی صنایع پلیمر و تکنولوژی و علوم رنگ است.گرایش صنایع پلیمر :
هدف رشته مهندسی صنایع پلیمر تولید کلیه محصولات پلیمری از قبیل لاستیک، پلاستیک، الاستومر، رزین و سایر مواد مورد نیاز صنعت است. پلیمرها کاربرد پزشکی نیز دارند. مثلاً دندان مصنوعی و لنزهای چشمی همه از مواد پلیمری ساخته میشوند. در کل میتوان گفت که مهندسی صنایع پلیمر شناخت، طراحی، فرمولاسیون، آنالیز و بررسی خواص فیزیکی و مکانیکی سه ماده عمده لاستیک، پلاستیک و کامپوزیت است.
درس‌های این رشته در طول تحصیل :
دروس مشترک در گرایش‌های مختلف مهندسی پلیمر:
ریاضیات عمومی، فیزیک عمومی، شیمی عمومی، برنامه‌نویسی کامپیوتر، کارگاه عمومی، شیمی آلی، مبانی مهندسی برق، موازنه انرژی و مواد، ترمودینامیک مهندسی، شیمی پلیمریزاسیون، انتقال حرارت، مکانیک سیالات، انتقال جرم، عملیات واحد، کنترل فرآیندها، اقتصاد و طرح مهندسی، نقشه‌کشی صنعتی، استاتیک و مقاومت مصالح، ترمودینامیک مهندسی، مکانیک سیالات، انتقال حرارت، موازنه انرژی و مواد، عملیات واحد، سینتیک و طرح راکتور، کنترل فرایندها، شیمی فیزیک، انتقال جرم، ریاضیات مهندسی، روشهای اندازه‌گیری کمیت‌های مهندسی، شیمی فیزیک پلیمرها، شیمی سینتیک پلیمریزاسیون، وسائل اندازه‌گیری مشخصات مولکولی پلیمرها، روشهای اندازه‌گیری مشخصات پلیمرها، مهندسی و کارگاه پلاستیک، رئولوژی پلیمرها، اصول مهندسی پلیمریزاسیون، خواص فیزیکی و مکانیکی پلیمرها، تکنولوژی و خواص فیزیکی الیاف، مهندسی و کارگاه الاستومر، تکنولوژی و کارگاه کامپوزیت‌ها، خواص و کاربرد پلیمرهای طبیعی.
دروس تخصصی گرایش صنایع پلیمر :
رئولوژی پلیمرها، مهندسی الاستومر، مهندسی پلاستیک، تکنولوژی کامپوزیت‌ها، تکنولوژی و خواص فیزیکی الیاف. (بسیاری از درس‌های این گرایش همراه با آزمایشگاه است.)
گرایش تکنولوژی و علوم رنگ :
امروزه ۴ الی ۵% از در آمد ناخالص دولت‌ها صرف خوردگی فلزات میشود. البته در ایران هنوز آماری در این مورد ارائه نشده است، اما “کمیته تحقیقات رنگ و خوردگی” که زیر نظر “شرکت ملی پخش فرآورده‌های نفتی ایران” دایر شده است، معتقد است که از دیر باز یکی از معضلات شرکت ملی پخش فرآورده‌های نفتی ایران، مشکلات ناشی از خوردگی مخازن و لوله‌ها بوده است.بدون شک پاسخگوی این مشکل متخصصان رشته تکنولوژی و علوم رنگ هستند زیرا یک بخش مهم از دروس این رشته در مورد پوشش‌دهی (یکی از راه‌های مبارزه با خوردگی) است. در کل دروس گرایش در دوره کارشناسی به دو بخش تقسیم میشود. یک بخش در مورد سنتز مواد رنگزا است که کاربرد آن در صنعت نساجی، چاپ و چرم‌سازی است و بخش دوم پوشش‌دهی است که روی سطوح فلزی یا غیرفلزی مانند پلیمرها، چوب یا بتن استفاده می‌گردد.
دروس تخصصی گرایش تکنولوژی و علوم رنگ:
مهندسی رزینهای صنعتی، تکنولوژی تولید رنگ، شیمی و تکنولوژی مواد رنگزا، کنترل رنگ، تکنولوژی جوهرهای چاپ. (بسیاری از درس‌های این گرایش همراه با آزمایشگاه است.)
توانایی‌های لازم :
واحدهای کارگاه و آزمایشگاه در هر دو گرایش مهندسی پلیمر اهمیت بسزایی دارد. به همین دلیل دانشجوی این رشته باید قوی بوده و تحمل ساعت‌ها کار در آزمایشگاه را داشته باشد. دانشجوی گرایش تکنولوژی و علوم رنگ نیز نباید حساس باشد و باید بوی مواد شیمیایی مختلف را تحمل کند و بیماری کوررنگی نیز نداشته باشد تا هنگام ساخت رنگ دچار مشکل نگردد. در کل یک دانشجوی مهندسی پلیمر لازم است شیمی را بداند تا بتواند پلیمر را بفهمد. همچنین این رشته مثل همه رشته‌های مهندسی نیاز به ریاضیات قوی دارد و بالاخره دانشجوی این رشته باید به زبان انگلیسی مسلط بوده و طریقه استفاده از رایانه را نیز بداند.
موقعیت شغلی در ایران :
امروزه بیش از ۵۰% قطعات خودروها از مواد پلیمری ساخته میشود. در صنایع برق، الکترونیک و مخابرات نیز پلیمرهای مصنوعی به عنوان عایق‌های الکتریکی جایگاه بسیار مهمی دارند. در صنعت پوشاک نیز پلیمرها مؤثر هستند. در صنایع حمل و نقل، صنایع نظامی، پزشکی، کشاورزی و بسته‌بندی کاربرد مواد پلیمری بسیار گسترده است. فارغ‌التحصیلان مهندسی پلیمر گرایش تکنولوژی و علوم رنگ نیز می‌توانند در کارخانجات رنگ‌سازی به تولید رنگینه‌های مصنوعی بپردازند. از سوی دیگر امروزه صنعت پوشش‌دهی بسیار گسترش یافته است تا جایی که در کنار هر صنعت مادر حتماً یک صنعت پوشش‌دهی حضوری فعال دارد؛ از دگمه‌های یک پیراهن و سگک کفش گرفته تا دستگیره درها، پوشش‌های صنعتی مثل ضد خوردگی و پوشش‌های تزئینی. در حال حاضر در بسیاری از شرکتها یک لیسانس شیمی کار یک مهندس پلیمر را انجام میدهد اما هر شرکتی که یک مهندسی پلیمر استخدام کرده تازه به کارآیی فارغ‌التحصیلان این رشته پی برده است.
بشر با تلاش برای دستیابی به مواد جدید, با استفاده از مواد ألی (عمدتا هیدروکربنها) موجود در طبیعت به تولید مواد مصنوعی نایل شد. این مواد عمدتا شامل عنصر کربن , هیدروژن, اکسیژن, نیتروژن و گوگرد بوده و به نام مواد پلیمری معروف هستند. مواد پلیمری یا مصنوعی کاربردهای وسیعی , از جمله در ساخت وسایل خانگی , اسباب بازیها, بسته بندیها , کیف و چمدان , کفش , میز و صندلی , شلنگها و لوله های انتقال أب , مواد پوششی به عنوان رنگها برای حفاظت از خوردگی و زینتی , لاستیکهای اتومبیل و بالاخره به عنوان پلیمرهای مهندسی با استحکام بالا حتی در دماهای نسبتا بالا در ساخت اجزایی از ماشین ألات, دارند.پلیمرها خواص فیزیکی و مکانیکی نسبتا خوب و مفیدی دارند . أنها دارای وزن مخصوص پاییین و پایداری خوب در مقابل مواد شیمیایی هستند. بعضی از أنها شفاف بوده و می توانند جایگزین شیشه ها شوند. اغلب پلیمرها عایق الکتریکی هستند. اما پلیمرهای خاصی نیز وجود دارند که تا حدودی قابلیت هدایت الکتریکی دارند . عایق بودن پلیمرها به پیوند کووالانسی موجود بین اتمها در زنجیرهای مولکولی ارتباط دارد. اما تحقیقات انجام شده در سالهای اخیر نشان داد که امکان ایجاد خاصیت هدایت الکتریکی در امتداد محور مولکولها وجود دارد. این نوع پلیمرها اساسا از پلی استیلن تشکیل شده اند. با نفوذ دادن عناصری مانند فلزات قلیایی یا هالوژنها (فرایند دوپینگ) به زنجیرهای مولکولی پلی استیلن به ترتیب نیمه هادیهای پلیمری از نوع N و P به دست می أیند. افزودن عناصر یا دوپینگ سبب می شود که الکترونها بتوانند در امتدا د اتمهای کربن در زنجیر حرکت کنند. تفلون از مواد پلیمری است که به دلیل ضریب اصطکاک پایینی که دارد به عنوان پوشش برای جلوگیری از چسبیدن مواد غذایی در وسایل پخت و پز لستفاده می شود.ساختار پلیمرهااغلب پلیمرهای متداول از پلیمریزاسیون مولکولهای ساده ألی به نام منومر به دست می أیند. برای مثال پلی اتیلن (PE) پلیمری است که از پلیمریزاسیون با افزایش (ترکیب) چندین مولکول اتیلن به دست می أید. هر مولکول اتیلن یک منومر نامیده می شود. با ترکیب مناسبی از حرارت, فشار و کتالیزور , پیوند دوگانه بین اتمهای کربن شکسته شده و یک پیوند ساده کووالانسی جایگزین أن می شود. اکنون دو انتهای أزاد این منومر به رادیکالهای أزاد تبدیل میشود, به طوری که هر اتم کربن یک تک الکترون دارد که می تواند به را دیکالهای آزاد دیگر افزوده شود. از این رو در اتیلن دو محل ( مربوط به اتم کربن) وجود دارد که مولکولهای دیگر می توانند در آنجا بدان ضمیمه شوند . این مولکول با قابلیت انجام واکنش , زیر بنای پلیمرها بوده و به (مر) یا بیشتر واحد تکراری موسوم است. واحد تکراری در طول زنجیر مولکول پلیمر به تعداد دفعات زیادی تکرارمیشود. طول متوسط پلیمر به درجه پلیمرزاسیون یا تعداد واحدهای تکراری در زنجیر مولکول پلیمر بستگی دارد. بنابراین نسبت جرم مولکولی پلیمر به جرم مولکولی واحد تکرای به عنوان (درجه پلیمریزاسیون) تعریف شده است . با بزرگتر شدن زنجیر مولکولی ( در صورتی که فقط نیروهای بین مولکولی سبب اتصال مولکولها به یکدیگر شود) مقاومت حرارتی و استحکام کششی مواد پلیمری هر دو افزایش می یابند.
به طور کلی فرایند پلیمریزاسیون می تواند به صورتهای مختلفی مانند افزایشی , مرحله ای و …. انجام گیرد.در پلیمریزاسیون افزایشی , تعدادی از واحدهای تکراری به یکدیگر اضافه شده و مولکول بزرگتری را به نام پلیمر تولید می کنند. در این نوع پلیمریزاسیون ابتدا در مرحله اول رادیکال آزاد, با دادن انرژی (حرارتی , نوری) به مولکولهای اتیلین با پیوند دوگانه و شکست پیوند دوگانه , به وجود می آید. سپس رادیکالهای آزاد با اضافه شدن به واحدهای تکراری مراکز فعالی به نام آغازگر شکل میگیرند و هر یک از این مراکز به واحدهای تکراری دیگر اضافه شده و رشد پلیمر ادامه می یابد . از نظر تئوری درجه پلیمریزاسیون افزایشی می تواند نامحدود باشد, که در این صورت مولکول زنجیره ای بسیار طویلی از اتصال تعداد زیادی واحدهای تکراری به یکدیگر شکل می گیرد. اما عملا رشد زنجیر به صورت نامحدود صورت نمی گیرد.هر چه قدر تعداد مراکز فعال یا آغازگرهای شکل گرفته بیشتر باشد , تعداد زنجیرها زیادتر و نتیجتا طول زنجیرها کوچکتر میشود و بدین دلیل است که خواص پلیمرها تغییر می کند. البته سرعت رشد نیز در اندازه طول زنجیرها موثر است . هنگامی که واحدهای تکراری تمام و زنجیرها به یکدیگر متصل شوند, رشد خاتمه می یابد.
از دیگر روشهای پلیمریزاسیون, پلیمریزاسیون مرحله ای است که در آن منومرها با یکدیگر واکنش شیمیایی داده و پلیمرهای خطی را به وجود می اورند. در بسیاری از واکنشهای پلیمریزاسیون مرحله ای مولکول کوچکی به عنوان محصول فرعی شکل می گیرد . این نوع واکنشها گاهی پلیمریزاسیون کندنزاسیونی نیز نامیده می شوند.
پلیمر در صنایع گوناگونی چون خودرو،صنایع نظامی، هواو فضا، پزشکی ، ارتوپدی، کشاورزی، دامپروری،پتروشیمی، کامپیوتر وصنایع الکترونیکی و . . . کاربرد دارد.
نخستین پلیمرهای استفاده شده، محصولات طبیعی بودند، به خصوص پنبه،نشاسته،پروتئین و پشم. با شروع قرن ۲۰ میلادی پلیمرهای مصنوعی ساخته شدند. اولین پلیمرهای مهم باکالیت و نایلون بودند.با شروع جنگهای جهانی استفاده پلیمرها ورشد دانش وتکنولوژی پلیمرها، شتاب گرفت.در طی چند دهه اخیر مواد پلیمری از گسترش بسیار چشمگیری برخوردار بوده اند. از جمله دلایل موثر دراین امر میتوان به سبکی، خواص فیزیکی و مکانیکی مناسب و هزینه های نسبتا” پایین تولید قطعات اشاره نمود.
کاربرد مواد پلیمری در صنعت خودرو نیز همگام و گاهی بیش از صنایع دیگر، توسعه یافته است.در خصوص صنعت خودرو شایان ذکر است که کاهش وزن ناشی از جایگزینی قطعات پلیمری به جای قطعات فلزی، به کاهشمصرف سوخت می انجامد که علاوه بر صرفه جویی اقتصادی، در حفظ منابع انرژی و محیط زیست موثر می باشد.یکی از جنبه های مورد توجه محققین در بکارگیری مواد پلیمری در صنعت، مساله بازیافت می باشد.اهمیت این امر از مقاومت خوردگی و به طورکلی مقاومت خوب در شرایط محیطی این گروه از مواد ناشی میشود.
صندلی(فوم، پارچه و دیگر اجزاء غیر پلیمری)، نمد، موکت، فرش لاستیکی، داشبورد، بخاری، سقف کاذب، تودریها،تایر، عایقها، واشرها، چسبها، بستها، اتصالات، ضربگیرها، روکش سیمها، قطعات الکتریکی، سپر و. . . نمونه هایی از کاربرد پلیمر در خودرو می باشد.
تخمین زده می شود که پلاستیکها %۱۰ وزن خودروهای جدید را تامین کنند و این مقدار در حال افزایش است. (۱) بخشهای گوناگون خودرو این قابلیت را دارد که از کامپوزیت ساخته شوند . از جمله: بدنه(چهار چوب سقف و اتاق بار وانت)، شاسی(میله های اتصال و اعضای مورب جلویی)، سیستم انتقال قدرت(میله گاردان و محفظه پمپ آب) و قسمتهای داخلی(جک خودرو،میل فرمان، قاب پنجره و صندلی)(۲)
پلیمر(polymer) از ترکیب دو کلمهmerوpoly تشکیل شده است.واژه”poly” پیشوندی است به معنی “چند” و “بس” و”mer” به معنی “پاره” میباشد. مونومر( (mono-mer یعنی تک پاره.پلیمر یا بسپار درواقع از به هم پیوستن تعداد بسیار زیادی مونومر به یکدیگر به دست می آید.برای مثال،پلی متیلن از به هم پیوستن تعداد زیادی مولکول متان به دست می آید. متان (گاز طبیعی) از یک اتم کربن و ۴ اتم هیدروژن تشکیل شده است و به شکل ۴CH نوشته میشود.حال اگر تعداد بسیار زیادی از این مولکول(حدود ۱۸۰۰ عدد) به صورت پی در پی با یکدیگر اتصال شیمیایی برقرار کنند، یک زنجیر پلیمری یا بزرگ مولکول تشکیل می شود: ~~~~CH4-CH4-CH4-CHA-CH4-…-CH4~~~~
در اینجا CH4 یک مونومر یا تکپار می باشد.یعنی کوچکترین جزء که با تکرار آن،زنجیر پلیمر تشکیل می شود.مجموعه ای از این زنجیرها،تشکیل پلیمری به نام پلی متیلن را میدهد که در محصولات مختلف مانند انواع کیسه های پلاستیکی کاربرد دارد.درواقع فرق پلیمر با دیگر مواد این است که از بزرگ مولکولها تشکیل شده است و مواد دیگر چون آب،فلزات و… از مولکولها و اتمهایی که مجزا هستند ـ یعنی تشکیل بزرگ مولکول نمی دهند ـ تشکیل شده است.
در اینجا به تعریف مختصر برخی از انواع پلیمرها می پردازیم.
لاستیک(rubber):یک ویژگی مهم قطعات لاستیکی این است که منعطف هستند و دارای خاصیت ارتجاعی و برگشت پذیری میباشند. قطعات لاستیکی معمولا” به تنهایی قابل مصرف نیستند. بلکه با افزودن موادی چون گوگرد در اثرحرارت، به اصطلاح پخت می شوند. یعنی گوگرد بین زنجیرها اتصال برقرار میکند و آن را به حالت شبکه ای در می آورد.لاستیک خام در واقع یک پلاستیک است . یعنی می تواند ذوب شود و یا به هر شکلی در بیاید.ولی در اثر پخت یا شبکه ای شدن، ذوب نمیشود و در مقابل تغییر شکل مقاومت می کند.لاستیک پخته شده الاستومر نام دارد.مشخصه الاستومر این است که تحت نیروی نسبتا” کم می تواند تا %۱۰۰ طول اولیه خود کشیده شوند ـ بدون اینکه دچار پارگی شوند ـ و با برداشته شدن نیرو به طول اولیه باز میگردند.
پلاستیک(plastic): پلاستیکها در اثر حرارت می توانند ذوب شوند وبه شکلهای گوناگون درآیند. پلاستیکها به دو گروه عمده تقسیم می شوند . یک دسته از آنها ترمو پلاستیک هستند یعنی در اثر حرارت می توانند ذوب شوند.مانند بسیاری از ظروف پلیمری. دسته دیگرترموست هستند که به صورت شبکه ای می باشند.مانند پریز برق و ظروف ملامینی.ترموستها قبل از حالت نهایی می توانند شکلهای گوناگونی را به خود بگیرند ولی پس از اعمال حرارت و فشار،نمی توانند ذوب شوند.
کامپوزیت(composite)،از ترکیب یک جزء پلیمری با جزئی دیگر(مانند الیاف شیشه) به دست می آید.مانند قطعات فایبر گلاس .
فوم(foam): هرگاه لاستیک یا پلاستیک به صورت متخلخل تهیه شود به گونه ای که بسیار سبک باشد (مثلا” ۵صدم وزن آب یعنی حدود Kg/m3 50)، فوم نامیده می شود.
چسب(adhesive):پلیمرها می توانند به گونه ای باشند که قابلیت اتصال دو ماده را با یکدیگر،به صورت فیزیکی یا شیمیایی داشته باشند.مثلا” پی وی سی قابلیت آن را دارد که هم به شکل چسب باشد و هم به صورت قطعه ای صلب و سخت.
الیاف(fiber):پلیمرها می توانند با سطح مقطع کم و طول زیاد تهیه شوند که دراینصورت الیاف نام دارند.
آلیاژ(blend)،از ترکیب دو یا چند پلیمر با یکدیگر به دست می آید.فرق آن با کامپوزیت در این است که در آلیاژ کلیه اجزاء پلیمری هستند ولی در کامپوزیت جزء دیگر می تواند پلیمری نباشد،مثلا”الیاف شیشه باشد.فرق دیگر به طور کلی این است که اجزاء در کامپوزیت تفکیک شده اند و می توان با چشم غیر مسلح هر دو جزء را دید ولی در آلیاژ اجزاء به گونه ای با یکدیگر ممزوج شده اند که با چشم غیر مسلح قابل تفکیک نیستند.
کوپلیمر(copolymer):هرگاه لااقل دو نوع پلیمر به گونه ای با یکدیگر ترکیب شوند که زنجیرها یا مونومر آنها با یکدیگر اتصال شیمیایی بر قرار کنند، کوپلیمر تشکیل می شود.پلیمر به تنهایی همو پلیمر نیز گفته می شود.
نتیجه گیری :
با توجه به مزایا و معایب قالبهای فشاری به این نتیجه می رسیم که فرایند قالبگیری فشاری یک روش کاملا مناسب برای تولید قطعات فشرده،طویل وقطعاتی که دقت زیادی ندارند ، میباشد.از طرفی از این فرایند بطور عمده برای تولید قطعات ترمو ستی استفاده میشود.
