پیرشدگی پلیمرها

پیرشدگی پلیمرها:
امروزه در بسیاری از کاربردهای مهندسی به ترکیبی از خواص مختلف فیزیکی، مکانیکی و حرارتی نیاز است اما امکان به کار گیری از یک نوع ماده که همه خواص مطلوب را ایجاد نماید عملا وجود ندارد.

به عنوان مثال در صنعت خودروسازی نظیر تولید داشبورد به کامپاندی نیاز است که ضمن داشتن استحکام کششی مناسب و ضدخش بودن، مقاومت ضربه و مقاومت در برابر شرایط جوی نظیر نورخوشید (UV) را به خوبی داشته باشند و در دمای بالا، استحکام خود را از دست ندهند.

از آن جایی که نمی توان ماده ای یافت که همه خواص مزبور را در عین واحد دارا باشد، باید به دنبال روشی برای ترکیب خواص مواد بود. این تکنیک، آمیزه سازی پلیمر نامیده می شود. کامپاندهای پلیمری عمدتا شامل یک یا چند فاز غیرپیوسته (دیسپرس) در یک فاز پیوسته (ماتریس) می باشند. فاز غیرپیوسته معمولاً قوی تر از فاز پیوسته است. لذا به آن فاز تقویت کننده گفته می شود مانند الیاف، پرکننده های نانورس، نانوتیوب های کربنی، گرافن و غیره.

اغلب درگستره کاربرد کامپاند­های پلیمری مشکلات عدیده ای مربوط به پایداری و دوام آن ها مشاهده می­ گردد. به ویژه با توجه به این که دوام این مواد در بدترین شرایط استفاده طولانی مدت، 10 یا حتی 40 سال است.

این مشکلات مرتبط با شرایط محیطی مورد استفاده و نوع استفاده (شامل نگهداری، تعمیر و اصلاح) می باشد. پایداری و دوام هر نمونه، مقصد اصلی در اقتصاد صنایع مختلف است. در برخی موارد، تنها مدت کوتاهی پس از قرار گرفتن در شرایط نامساعد محیطی، نقص فاجعه بار در پیوستگی ساختاری نمونه ظاهر می گردد.

پیرشدگی امروزه از چالش های اساسی در کاربردهایی نظیر عایق های پلیمری است. موضوع اصلی در پیرشدگی شامل پیش بینی چگونگی، زمان و سرعت رخ دادن نقص و همچنین شرایطی است که می ­تواند منجر به ایجاد نقص گردد و علاوه بر موارد یاد شده، تعیین میانگین عمر مفید برای عایق های پلیمری است.

مفهوم پیرشدگی پلیمرها:
پیرشدگی اصطلاحی است که در بسیاری از شاخه های علوم و مهندسی پلیمر هنگامی که خصوصیات پلیمر در طی یک دوره زمانی تغییر کند (به صورت افت خواص مکانیکی یا تغییر رنگ ظاهری)، استفاده می شود.

این تغییرات ممکن است در خواص مکانیکی نظیر استحکام کششثی و چقرمگی، در خصوصیات فیزیکی مانند چگالی و یا در ویژگی های شیمیایی مانند واکنش نسبت به مواد شیمیایی خورنده مشاهده شود. منشا این تغییرات ممکن است مستقل از محیط اطراف بوده و یا دارای منشا شیمیایی باشند مانند پخت تدریجی یک ماده ترموست ( فرایند ولکانیزاسیون) و یا دارای منشا فیزیکی مانند خنک شدن سریع پلیمر تحت شرایط رهایش حجمی. در موارد دیگر تغییرات ممکن است نتیجه تعامل با محیط زیست باشد مانند زمانی که اکسیداسیون منجر به شکست زنجیره ­ای می شود.

در این مقاله انواع مختلفی از مفهوم پیرشدگی پلیمرها مورد بررسی قرار می گیرد و به بخش های اصلی مربوط به پیری فیزیکی، پیری حرارتی و هوازدگی نیز اشاره می شود.

انواع پیرشدگی
پیرشدگی فیزیکی:
پیرشدگی فیزیکی یکی از رایج ترین انواع پیرشدگی است. این نوع پیری معمولا در کنار سایر پیرشدگی هایی که در زیر شرح داده شده است رخ می دهد. به همین دلیل لازم است اول با این نوع از پیرشدگی مقابله کرد.

پیرشدگی فیزیکی به عنوان یکی از دسته بندی های پیرشدگی مواد پلیمری مطرح است که به طور معمول با افزایش در چگالی و کاهش در انرژی ساختاری مولکولی از مواد نیمه بلوری یا آمورف، هنگامی که برای مدت زمان طولانی زیر دمای انتقال شیشه ای قرار گیرند همراه است.

پیری حرارتی:
اگر در دمای بالا، عامل شیمیایی مخربی (اغلب اکسیژن) به یک پلیمر اعمال شود در این صورت ممکن است واکنش های شیمیایی ایجاد کند. این واکنش ­ها می توانند به آهستگی رخ دهند و یا در دمای محیط اصلا رخ ندهند.

بسیاری از این تغییرات، در مجموع به عنوان تخریب گرمایی شناخته می­ شوند و این امر پدیده ای است که درعلم پلیمر بسیار مورد مطالعه قرار گرفته است. در برخی موارد استفاده از پلیمرها در کاربردهای مختلف نظیر قالب گیری فشاری به منظور تولید قطعات مناسب، می تواند مورد توجه قرار گیرد. ذکر این امر ضروری است که پایداری حرارتی پلیمر بایستی با استفاده از پایدارکننده های حرارتی مناسب بهبود یابد به نحوی که از تخریب پلیمر در حین دمای بالا جلوگیری شود.

هوازدگی:
از هوازدگی گاهی اوقات به عنوان پیرشدگی طبیعی نیز یاد می شود. پلیمرهایی که در فضای باز قرار دارند توسط چندین عامل از جمله اشعه ماورابنفش(UV)، آب، آلاینده ها (به شکل گازها یا باران اسیدی)، افزایش درجه حرارت و تغییرات دمایی می توانند تخریب شوند.

در بسیاری از موارد علت اصلی تخریب، اکسایش در اثر نور خورشید است که با تابش اشعه فرابنفش آغاز می شود. در نتیجه آزمایش های زیادی برای پیرشدگی پلیمرها ناشی از نور خورشید وجود دارد که باعث بررسی میزان دوام پلیمر می شوند.

پایدار کننده هایی نیز برای مقاومت پلیمر در برابر آب و هوا وجود دارند. از رایج ترین منابع مصنوعی نور فرابنفش نیز می توان لامپ زنون و لوله های فلورسنت را نام برد.

اشعه فرابنفش (UV) انرژی کافی برای تخریب پیوندهای شیمیایی پلیمرهای مختلف مانند پلی الفین، پلی استر، پلی استایرن و … را دارد. تخریب توسط اشعه فرابنفش در حضور حرارت و سیالات مهاجم شدیدتر شده و سرعت بیش تری دارد.

انرژی این اشعه در مناطق جغرافیایی مختلف و هم چنین باتوجه به میزان ابرناکی هر محدوده متفاوت است. برای جلوگیری از این تخریب افزودنی های جاذب و پایدارکننده در برابر اشعه UV، به ترتیب جاذب نور فرابنفش (UVA) وتثبیت کننده نور آمین بامانع (HALS) تجاری سازی شده اند. گروه اول، UVA، با جذب اشعه UV و تبدیل آن به گرما و گروه دوم نه با جذب، بلکه با متوقف نمودن واکنش تخریب پلیمر منجر به پایدار سازی پلیمر در برابر این اشعه می شوند.

جاذب ­های مورد استفاده برای جلوگیری از تخریب توده پلیمر، رنگدانه و سایر افزودنی های حساس استفاده شده در پلیمر، و محافظت از خود ماتریس پلیمر (برای مثال در بسته بندی ها) مناسب هستند. از طرف دیگر خانواده HALS برای پایدارسازی قطعات با سطوح زیاد و ضخامت کم مانند فیلم های پلیمری مناسب هستند. استفاده همزمان از UVA و HALS در بسیاری از کاربردها اثر هم افزایی دارد و معمولا این قبیل افزودنی های آنتی یوی با نسبت مشخصی در مستربچ های مورد نظر استفاده می شوند.

در حین انتخاب ترکیب بهینه برای پایدارسازی پلیمر در برابر نور، بایستی عواملی چون نوع پلیمر، ضخامت قطعه تولیدی، حضور سایر افزودنی ها و به خصوص رنگدانه ها، در نظر گرفته شوند. افزودنی های پایدارکننده در برابر نور UV به صورت مستربچ در بسیاری ازکاربردها مانند قطعات خودرو، فیلم های کشاورزی و گلخانه، الیاف، منسوجات و سایر قطعات پلیمری که در معرض تابش نور خورشید هستند، به کار می روند.