از جمله گروه های مهم پلیمری، گروه های الاستیک یا شبه پلاستیک معروف به الاستومر هستند. در حقیقت، الاستومر یک پلیمر با خاصیت الاستیسیته به شمار می آید.
به عبارت دیگر، این ماده، تحت «تنش» (Stress)، تغییر شکل می دهد و زمانی که این تنش حذف شود، به حالت اصلی خود باز می گردد. واژه الاستومر از ترکیب دو واژه «پلیمر الاستیک» (Elastic Polymer) به وجود آمده است.
الاستومرها انواع متنوعی دارند که بیشتر آن ها از نوع «رابر» (Rubber) هستند. به همین دلیل، به طور معمول از عبارات الاستومر و رابر به جای یکدیگر استفاده می کنند. سایر الاستومرهایی که در اثر حرارت، ذوب می شوند را در دسته ترموپلاستیک ها جای می دهند.
خواص الاستومر:
الاستومرها، پلیمرهای آمورفی هستند که به طور قابل توجهی، «حرکت قطعه ای» (Segmental Motion) دارند.
شکل مولکولی این مواد، شبیه به ساختار ماکارونی ذکر می شود که در این ساختار، گوشت های داخل ماکارونی به صورت اتصال عرضی (کراس لینک) بین رشته های پلیمری یا همان ماکارونی قرار دارند.
هر زنجیر پلیمری از تعداد بسیاری «زیرواحد» (Subunit) مونومری تشکیل شده است که شامل اتم های کربن، هیدروژن، اکسیژن و سیلیکون هستند.
بیشتر الاستومرها به صورت ترموست (گرماسخت) هستند به این معنی که نیاز به فرآوری از طریق حرارت، واکنش شیمیایی یا پرتودهی دارند. در فرآیند فرآوری، پلیمر زنجیره طویل از طریق پیوند کووالانسی به کراس لینک تبدیل و ماده، مستحکم تر می شود.
در اثر این استحکام، ماده را نمی توان به طور مجدد ذوب و قالب گیری کرد. برخی از الاستومرها به صورت ترموپلاستیک هستند به این معنی که به هنگام گرم شدن، مایع می شوند و در اثر سرد کردن مناسب، سخت و شکننده خواهند شد.
در الاستومر ترموپلاستیک، اتصال عرضی زنجیره های پلیمری در اثر پیوندهای ضعیف تری همچون پیوند هیدروژنی یا برهم کنش های دوقطبی-دوقطبی به وجود می آیند.
پلیمر A نشان دهنده یک پلیمر بدون اعمال تنش و پلیمر B نشان دهنده همان پلیمر تحت تنش است. زمانی که تنش حذف شود، پلیمر B به شکل A برمی گردد. نقطه ها بیانگر اتصال عرضی هستند.
خاصیت الاستیسیته ناشی از توانایی زنجیره های طویل برای بازآرایی مجدد جهت توزیع نیروی اعمال شده است. کراس لینک های کووالانسی به طور ویژه سبب می شوند تا در اثر حذف تنش اعمال شده، الاستومر به شکل اصلی خود بازگردد.
در نتیجه چنین انعطاف پذیری، بسته به نوع ماده، الاستومرها بین 5 تا 700 درصد خاصیت الاستیسیته خواهند داشت. در غیاب کراس لینک، تنش وارد شده سبب تغییر شکل دائمی خواهد شد. دمای پلیمر نیز بر الاستیسیته آن تأثیر دارد.
الاستومرهایی که از طریق سردسازی به فازهای بلوری یا شیشه ای رسیده اند، زنجیره هایی با تحرک کمتر و به دنبال آن، الاستیسیته کمتری دارند.
فرآیند پخت الاستومر:
در سال های 1832-1834، دانشمندان به این موضوع پی بردند که زمانی که «رابر» (Rubber) را با گوگرد فرآوری کنند، خاصیت چسبناک خود را از دست می دهد.
این روند در نهایت موجب بکارگیری روش پخت رابر شد که در نهایت، «توماس هنکوک» (Thomas Hancock) این روش را ثبت اختراع کرد. «پخت گوگردی» (Sulfur Vulcanization)، فرآیندی شیمیایی بمنظور تبدیل کائوچوی طبیعی یا سایر پلیمرها به موادی با دوام بیشتر است.
این فرآیند در اثر حرات دادن پلیمرها با گوگرد یا سایر «شتاب دهنده ها» (Accelerators) انجام می گیرد.
گوگرد بین قطعات زنجیر پلمیری، اتصالات عرضی ایجاد می کند که در نهایت، استحکام و دوام آن ها را بالا می برد و تغییراتی در خواص مکانیکی مواد پدید می آورد. محصولات بسیاری به کمک پخت (ولکانش) الاستومرها تولید می شوند که از آن جمله می توان به تایر خودروها، شلنگ ها، کفی های کفش و تسمه نقاله اشاره کرد.
عبارت ولکانش ریشه ای رومی دارد و از «ولکان» (Vulcan)، خدای آتش رومیان گرفته شده است. اصلی ترین پلیمرهایی که تحت پخت قرار می گیرند عبارتند از:
فرآیند پخت در الاستومرها به طور کلی فرآیندی برگشت ناپذیر به شمار می آید که تلاش های زیادی برای توسعه روش های معکوس برای بازیافت پسماندهای این مواد انجام شده است.
در تصویر زیر، شمای کلی از فرآیند ولکانش و ایجاد اتصال عرضی بین دو زنجیر پلیمری را مشاهده می کنید.
با توجه به اهمیت الاستومرها در صنعت پلیمر، «فرادرس» اقدام به انتشار فیلم آموزش مهندسی الاستومر در صنعت پلیمر در قالب آموزشی 7 ساعته کرده که در ادامه متن به آن اشاره شده است.
الاستومر ترموپلاستیک:
الاستومرهای ترموپلاستیک (TPE) را به طور معمول از طریق سختی، مقاومت در برابر «سایش» (Abrasion)، برش، خراش، کرنش محلی و فرسودگی مشخصه سازی می کنند.
روش معمول برای اندازه گیری سختی به صورت «شور» (Shore) از A تا D انجام می شود که در تصویر زیر، نمونه ای از آن را مشاهده می کنید.
شور A، نرم و شور B، ترموپلاستیک سخت خواهد بود. با وجود این که سختی را به طور معمول به عنوان معیاری برای سنجش درجه های مختلف الاستومرها در نظر می گیرند اما این خاصیت نمی تواند مقایسه ای بین خواص فیزیکی، مکانیکی، شیمیایی و الکتریکی ارائه دهد.
زمان خشک شدن این نوع الاستومرها وابسته به جذب رطوبت رزین مورد نظر است. دما و فشار فرآیند به وسیله خواص رئولوژی، نقطه ذوب رزین و تجهیزات تعیین می شود. در ادامه به طور خلاصه به سه مورد از پرکاربردترین الاستومرهای ترموپلاستیک اشاره می کنیم.
استایرنیک:
بلوک های کوپلیمر استایرنیک، معمول ترین نوع TPE مورد استفاده هستند که در حدود 45 درصد مصرف جهانی TPE را به خود اختصاص داده اند. این مواد با ساختار مولکولی خود شناخته می شوند که دارای دو بخش (بلوک) سخت ترموپلاستیک و نرم الاستومری هستند.
TPO:
الاستومرهای ترموپلاستیک به طور معمول از اتیلن پروپیلن رابر (EPR) یا اتیلن پروپیلن دین ام (EPDM) به عنوان بخش الاستومری و پروپلین به عنوان بخش ترموپلاستیک تشکیل شده اند. الاستومرهای TPO به لحاظ وزنی، دومین نوع از الاستومرهای مصرفی در دنیا هستند که 25 درصد کل مصرف جهانی را تشکیل می دهند.
الاستومرهای پلی اورتان ترموپلاستیک (TPU)، سومین TPE است که در حدود 15 درصد مصرف جهانی را شامل می شود. معیار سختی شور برای این نوع از الاستومر بسته به «نسبت بخش » (Segment Ratio)
قرار دارد.
سایر خواص مکانیکی همچون وزن مخصوص نیز به این نسبت وابسته است. الاستومرهای TPU در برابر پارگی و سایش، مقاوم هستند.
ترمودینامیک الاستومر:
برای بررسی ترمودینامیک در الاستومر نیاز داریم که مولکول ها به سرعت به تعادل برسند و در دامنه تنش مورد نظر، از قانون هوک پیروی کنند.
به چنین الاستومری، الاستومر ایده آل می گویند. الاستومر ایده آل ما را به یاد گاز ایده آل می اندازد. به هنگام بررسی ترمودینامیک گازها، باید انحراف آنها از رفتار ایده آل را نیز در نظر بگیریم. گازها در فشارهای بالا، به دلیل نیروهای بین مولکولی غیر صفر و محدودیت های شعاع اتمی، از رفتار ایده آل خود انحراف پیدا می کنند.
الاستومرها نیز چنین رفتار غیر ایده آلی را در اثر «کشش» (Extension) نشان می دهند که ناشی از کشش زنجیره مولکولی، اتصالات عرضی و تبلور بخش های مولکولی تا حد نهایی خود است.
رفتار الاستومرها ناشی از حرکات قطعه ای و وابسته به حجمِ آزادی خواهد بود که این قطعات (بخش ها) در آن حرکت می کنند. حرکات قطعه ای شامل «دوران پیوند» (Bond Rotation) هستند اما به دلیل وجود اتصالات عرضی، «حرکات انتقالی» (Translational Motion) نخواهیم داشت.
آنتروپی گاز، بی نظمی است که به دلیل انبساط گاز ایجاد می شود زیرا مولکول های گاز، فضای بیشتری را برای اشغال کردن در اختیار دارند. زمانی که یک گاز، متراکم می شود، از میزان این فضا کاسته خواهد شد و در نتیجه، آنتروپی افزایش می یابد.
آنتروپی الاستومر به بی نظمی ناشی از انقباض الاستومر می گویند که موجب افزایش آنتروپی خواهد بود چراکه تعداد کانفورماسیون محتمل در هر درشت مولکول، به بی نهایت نزدیک می شود.
این درحالیست که در اثر کشیدگی الاستومر، تعداد کانفورماسیون ها به 1 کاهش پیدا می کند و درشت مولکولی خطی با حداقل آنتروپی خواهیم داشت.
در ترمودینامیک گازها، می توانیم یک موتور را به کمک تغییرات حجم و فشار به حرکت درآوریم اما در ترمودینامیک الاستومر، این موتور به کمک نیرو و تغییر طول حرکت خواهد کرد.
ترمودینامیک گازها اینطور پیش بینی می کند که با حرارت دادن گاز در حجم ثابت، فشار آن افزایش پیدا می کند.
ترمودینامیک الاستور به طور مشابه پیش بینی می کند که اگر یک الاستومر کشیده شده را حرارت دهیم، طول آن کاهش می یابد. اگر گازی را فشرده کنیم، دمای آن افزایش پیدا می کند درحالی که اگر یک الاستومر، کشیده شود، دمای آن افزایش می یابد.
سینتیک الاستومرها:
سینتیک الاستومرها ناشی از رفتار غیر ایده آل در آن ها است. از نتایج دیگر سینتیک الاستومرها باید به «گذار شیشه ای» (Glass Transition) پلیمر آمورف یا ناحیه آمورف در پلیمرهای نیمه بلوری اشاره کرد.
ساختار الاستومرها:
ساختار مولکولی یک الاستومر شامل اشکال تصادفی مارپیچی است که به وسیله اتصالات عرضی (کراس لینک) به یکدیگر متصل شده اند.
این حالت مارپیچی برای جلوگیری از «بلورینگی» (Crystallinity) لازم است. چنین حالتی به دلیل ایزومرهای هندسی به وجود می آید. در این شرایط، ایزومرهای «سیس» (cis)، بهترین خواص الاستومری را به دست می دهند.
توصیف آماری الاستیسیته پلیمر بر اساس توزیع تصادفی اتصالات زنجیری صورت می گیرد که کانفورماسیون پیچیده تصادفی را در درشت مولکول تشکیل می دهند.
پلیمریزاسیون در الاستومرها:
سنتز الاستومرها به طور کلی از طریق پلیمریزاسیون مرحله ای انجام می شود چراکه جرم مولی بالا از ویژگی های این نوع سنتز به شمار می آید.
الاستومرها را با مکانیسم آغاز رادیکالی سنتز می کنند. الاستومرهایی که با مکانیسم مرحله ای به تولید می رسند شامل پلی اورتان ها، پلی سولفیدها و پلی سیلوکسان یا الاستومرهای سیلیکونی هستند.
الاستومرهای آلیفاتیک و آروماتیک:
«کائوچوی طبیعی» (Natural Rubber)، یک الاستومر با مونومر سیس-1و4-ایزوپروپن است. این الاستومر را به کمک فرآوری شیره درخت کائوچو تهیه می کنند که فرآیند آن شامل بخار و ترکیب کردن به کمک عوامل پخت، آنتی اکسیدان و «پرکننده ها» (Fillers) است.
از این ماده زمانی استفاده می شود که نیاز به مقاومت در برابر سایش یا فرسودگی داشته باشیم.
همچنین در عایق های الکتریسیته و محصولاتی بکار می رود که نیاز به مقاومت در برابر ضربات داشته باشیم که از آن جمله می توان به تایر کامیون ها و خودروهای خارج شهر و همچنین لاستیک هواپیما اشاره کرد.
این ماده در برابر اسیدها، مواد قلیایی و الکل ها مقاوم است. البته این الاستومر در برابر عوامل اکسنده، اوزون، روغن ها، نفت خام، بنزن و کتون ها عملکرد مناسبی ندارد.
استایرن بوتادین رابر (SBR)، یک رابر کوپلیمر سنتزی، شامل استایرن و بوتادین است. مقاومت شیمیایی این ماده، مشابه با کائوچوی طبیعی ذکر می شود اما مقاومت بهتری در برابر سایش دارد و به همین دلیل، ماده مناسبی برای لاستیک اتومبیل ها به شمار می آید.
بوتیل رابر (IIR) کوپلیمری از ایزوبوتیلن و ایزوپرن است. این ماده سنتزی نرخ نفوذ پذیری بسیار پایینی دارد به همین دلیل به عنوان ماده عایق مورد استفاده قرار می گیرد. این ماده همچنین خاصیت ضربه گیری مناسبی دارد و به همین دلیل در تیوب لاستیک ها و شلنگ بکار گرفته می شود.
مونومر اتیلن پروپیلن دین (EPDM) نیز نوعی رابر سنتزی شامل اتیلن و پروپیلن است. به دلیل ساختار پلیمری اشباع و پایدار، این ماده از مقاومت فوق العاده ای در برابر حرارت، اوزون و هوازدگی دارد. همچنین، این الاستومر ناقطبی، دارای مقاومت الکتریکی مناسب و همچنین مقاوم در برابر حلال های قطبی همچون آب، اسید، باز، فسفات استرها، بسیاری از کتون ها و الکل ها است.
این الاستومر کاربردهای متفاوتی دارد به گونه ای که از آن در آستر شلنگ های بخار، رادیاتور، عایق های الکتریکی و عایق پشت بام بهره می گیرند. در تصویر زیر، نمودار خواص این نوع از الاستومرها را مشاهده می کنید.
محور عمودی این نمودار خواص آن را در برابر محور افقی نشان می دهد که هرقدر این عدد بالاتر باشد، الاستومر مورد نظر، خواص بهتری خواهد داشت.
|
|
|
|
| نماد اعتماد الکترونیک | نشان ملی ثبت | گواهی شامد ارشاد |
© کلیه حقوق مادی و معنوی این وب سایت متعلق به داده پردازان هومان پویان می باشد.
