افزودنی‌های موثر در دمای نرم شدگی PVC

پلی وینیل کلراید (PVC)، یکی از ارزشمندترین ترموپلاستیک‌هاست که در طیف وسیعی از کاربردها استفاده می‌شود. این پلیمر به دلیل قیمت مناسب، فرآیندپذیری آسان، تنوع خواص فیزیکی و مکانیکی (از طریق اضافه کردن انواع افزودنی‌ها) و طول عمر بالا، در صنایع مختلفی مانند ساختمان، خودرو، تجهیزات پزشکی و بسته‌بندی کاربرد دارد.

فهرست مطالب

PVC در کنار ویژگی‌های فوق دارای مشکلاتی همچون حساسیت به نور UV (تغییر رنگ در اثر نور خورشید) و نقطه نرم شدگی پایین است که کاربری آن را در برخی از صنایع محدود می‌نماید. خوشبختانه این مشکلات می‌تواند با افزودن برخی از ترکیبات تا حدودی قابل حل است.

یکی از فاکتورهای مهم در خواص پلیمرها نقطۀ نرم شدگی است و به محدودۀ دمایی که در بالاتر از آن پلیمر نرم می‌شود، اطلاق می‌گردد. نقطۀ نرمی پلیمرها با دو فاکتور دمای نرم شدگی ویکت (Vicat softening point) و دمای تغییر شکل گرمایی (Heat distortion temperature) گزارش می‌شود. برای نشان دادن این خاصیت حرارتی در PVC، عمدتاً از تست دمای نرم شدگی Vicat استفاده می‌کنیم.

مطابق شکل ۱، نمونۀ پلیمری را زیر سوزنی قرار می‌دهند که روی آن وزنه‌ای قرار دارد. این سیستم درون حمام مایعی قرار گرفته و دمای حمام به تدریج افزایش می‌یابد. دمایی که در آن سوزن به اندازه ۱mm در نمونه نفوذ کرده باشد، دمای نرمی Vicat و طی استانداردهای ASTM D 1525 و ISO 306 گزارش می‌شود.

شکل ۱: نمونه‌ای از یک دستگاه Vicat

همان طور که اشاره شد، به منظور دستیابی به خواص دلخواه فیزیکی، مکانیکی و حرارتی PVC از ترکیب کردن آن ها با برخی از افزودنی‌های موجود، تاثیر آن در بهبود دمای نرم شدگی PVC در ادامه بررسی می‌شود:

۱- تاثیر پر کننده‌ها

همان طور که در شکل ۲ مشاهده می‌شود، پرکننده‌هایی همچون کربنات کلسیم می‌تواند دمای نقطه نرم شدگی پلیمرها را بهبود می‌بخشند.

شکل ۲: تاثیر درصدهای مختلف CaCO₃ بر نقطۀ نرم شدگی پلی وینیل کلراید [۱]

طبق این نمودار و داده‌های جدول ۱ می‌توان دریافت که افزایش میزان کلسیم کربنات، در کنار افزایش دمای Vicat پلیمر PVC، باعث کاهش استحکام کششی و کشیدگی در نقطه‌ی شکست این پلیمر می‌شود.

جدول ۱: تاثیر درصدهای مختلف CaCO₃ بر خواص کششی پلی وینیل کلراید [۱]

همچنین در شکل ۳، به منظور مقایسۀ تاثیر پرکننده‌های مختلف، تاثیر گریدها و سایزهای مختلف کربنات کلسیم و تالک بر HDT پلیمر PVC نشان داده شده است.

شکل ۳: تاثیر گریدها و سایزهای مختلف پرکننده بر نقطه نرم شدگی پلی وینیل کلراید [۲]

در نمودار فوق SP-FG کربنات غیر پوشش دار GCC با متوسط سایز ذرات ۳ میکرون، SPFG-C کربنات پوشش دار GCC با متوسط سایز ذرات ۸ میکرون، SM90 کربنات غیر پوشش دار GCC با متوسط سایز ذرات ۷ میکرون، PC100 کربنات غیر پوشش دار رسوبی PCC با متوسط سایز ۱ میکرون، NPCC کربنات رسوبی در ابعاد نانومتری و تالک با متوسط سایز ۶ میکرون است. همان گونه که مشاهده می‌شود تالک در مقایسه با کربنات کلسیم تاثیر بیشتری بر روی خواص نرم شدگی PVC دارد.

۲- تاثیر واکس‌ها

واکس‌ها یکی از روان کننده‌های رایج در صنعت PVC هستند. در شکل ۴ تاثیر انواع واکس‌های شرکت Clarient بر دمای نقطۀ نرم شدگی PVC مشاهده می‌شود:

شکل ۴: تاثیر واکس های مختلف بر نقطه نرم شدگی PVC

واکس‌ها عمدتاً باعث کاهش دمای نقطه نرم شدگی PVC می‌شوند. این اثر، متناسب با طول زنجیر واکس و گروه‌های عاملی واکس‌ها متفاوت است.

۳- افزودن جزء پلیمری با دمای نقطۀ نرم شدگی بالاتر به PVC

رویکردی موثرتر در افزایش دمای نرم شدگی محصولات پی وی سی، آلیاژسازی آن با پلیمرهایی با دمای نقطۀ نرم شدگی بالاتر است. این پلیمرها باید از نقطه نظر قطبیت (پارامتر حلالیت) با PVC مشابهت داشته باشند تا در فرآیند آلیاژسازی، اختلاط خوبی حاصل شود. اختلاط مناسب در دستیابی به خواص مکانیکی و حرارتی بهتر نقش موثری دارد. این فاکتور باعث می‌شود تا در انتخاب پلیمرها به منظور آلیاژ سازی، طیف محدودی از پلیمرها قابل برگزیدن باشند که در ادامه به تعدادی از آنها اشاره می‌شود.

۱-۳- پلی الفا متیل استایرن کواکریلو نیتریل

این پلیمر به عنوان بهبود دهنده ضربه به پی وی سی اضافه می‌شود، ضمن سازگاری مناسب با PVC می‌تواند خصوصیاتی همچون دمای انتقال شیشه‌ای بالاتر و مقاومت ضربه‌ای بیشتر را به PVC بخشد. از طرف دیگر، مشکل این مخلوط آن است که اشکالات ناخواسته‌ای در فرآیند خوراک دهی، انبارداری و همچنین قیمت تمام شده بالا ایجاد می‌کند.

۲-۳- ABS دما بالا (High heat ABS)

این پلیمر ترکیبی از استایرن، آکریلو نیتریل و رابر بوتادین بوده و در واقع کوپلیمری با خواص متناسبی از مقاومت ضربه، سختی، و قابلیت فرآیندپذیری است. کوپلیمر ABS بر خلاف کربنات کلسیم، در اختلاط با PVC می‌تواند خواص حرارتی آن را بدون تاثیر بر مقاومت ضربه‌ای افزایش می‎‌دهد. از سوی دیگر، ترکیب بوتادین موجود در ABS در برابر گرما و نور UV ناپایدار است و به تدریج الاستیسیتۀ خود را از دست داده و در طول زمان، به مرور زرد می‌شود. در صورت اختلاط مناسب PVC با ABS ترکیبی حاصل می‌شود که هم زمان با بهبود نقطۀ نرم شدگی، مقاومت ضربه‌ای و چقرمگی را در مقایسه با PVC به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. این کامپاند، گزینۀ مناسبی برای ماتریس کامپوزیت‌های فیبرهای طبیعی با استحکام فوق العاده است. با این وجود، اضافه کردن ABS به PVC باعث کاهش مقاومت در برابرنور UV، پلیمر PVC می‌شود. هنگامی که این مخلوط پلیمری برای مدت زیادی خارج از منزل یا زیر نور افتاب به کار برده شود، زردی سطح یا زوال خواص اتفاق می‌افتد.

۳-۳- اصلاح کننده‌های اکریلیکی

بهبود دهنده‌های ضربۀ اکریلیکی، کوپلیمرهایی با ساختار هسته و پوسته هستند که به منظور افزایش استحکام ضربۀ PVCهای سخت UPVC به فرمولاسیون اضافه می‌شوند. این ترکیبات پلیمری با وجود آن که مقاومت خوبی در برابر UV دارند، اما نقطۀ نرم شدگی UPVC را اندکی کاهش می‌دهند. تاثیر برخی از نمونه‌های تجاری بهبود دهنده‌های ضربۀ اکریلیکی بر نقطۀ نرم شدگی PVC در جدول ۲ نشان داده شده است:

جدول ۲: اثر برخی نمونه‌های تجاری بهبود دهندۀ ضربۀ اکریلیکی بر نقطۀ نرم شدگی PVC

۴-۳- اکریلونیتریل استایرن آکریلات (ASA)

این پلیمر ترموپلاستیکی چند فازی است و ساختاری شبیه ABS دارد. اما مزیت اصلی آن در مقایسه با ABS این است که به جای فاز بوتادین حساس به UV موجود در ABS، حاوی لاستیک اکریلیکی است. این ماده علاوه بر فراهم سازی خواص ضربه پذیری PVC، در مقابل تخریب و زرد شدگی به شدت مقاوم است. از پوشش‌های لایه‌دار ASA/PVC اغلب برای محافظت رنگی PVC استفاده می‌شود. در شکل ۵، اثر افزودن درصدهای مختلف ASA در دمای تغییر شکل گرمایی HDT (دایره) و نقطۀ نرم شدگی Vicat (مربع) PVC مورد بررسی قرار گرفته است: