پرکننده و تقویت کننده ها در تولید لاستیک و پلاستیک

تولید پلاستیک

پلاستیک شامل طیف گسترده ای از محصولات مختلف است که نقش مهمی در فناوری و زندگی روزمره دارند. به عنوان مواد، آنها اغلب از محصولات سنتی مانند چوب و فلز برتر هستند. پلاستیک ها دارای خاصیت چگالی و مکانیکی کمی هستند که به راحتی قابل کنترل هستند. آنها در برابر خوردگی مقاوم هستند و توانایی قالب آنها به آنها امکان می دهد تا از لحاظ اقتصادی به محصولات کالایی از اشکال و رنگ های مختلفی تبدیل شوند.

طبقه بندی پلاستیک ها

برای طبقه بندی پلاستیک ها روش های مختلفی وجود دارد. از نظر شیمیایی با توجه به نوع واکنشی که زمینه ساز تشکیل پلیمرها از مونومرهای آن است طبقه بندی می شوند.
- پلی کوندنزات Polycondensates (فنولیک ها، آمینو رزین ها، پلی آمیدها، پلی استرها، سیلیکون ها و ...)
- پلیمرها Polymerisates (PE ، PP ، پی وی سی PVC، پلی استایرن، ترکیبات اکریلیک و ...)
- پلی اداکت Polyadducts (PUR ، رزین اپوکسی و ...)
پلاستیک ها معمولاً مطابق رفتار مکانیکی - حرارتی خود به سه گروه طبقه بندی می شوند: ترموپلاستیک (thermoplastic)، ترموست (thermoset) و الاستومرها (elastomer)، اما این گروه ها کل طیف مواد پلیمری را پوشش نمی دهند، زیرا از نظر شیمیایی ، پلیمرها شامل درزگیرها ، چسب ها، الیاف شیمیایی و لاستیک می شوند. حتی رزین های مصنوعی (رنگ ها و پوشش ها، پراکندگی ها و مواد افزودنی) به راحتی نمی توانند از پلاستیک به دلایل شیمیایی متمایز شوند.

پرکننده ها یا تقویت کننده ها در صنعت لاستیک و پلاستیک

پرکننده ها و مواد تقویت کننده معمولاً مواد افزودنی به شکل ثابت را تشکیل می دهند که از نظر ترکیب و ساختار از ماتریس پلیمر متمایز است. حباب های هوا در پلاستیک های فوم را می توان مورد خاصی برای پرکننده دانست. تفکیک واضح بین پرکننده ها و تقویت کننده ها دشوار است. طبقه بندی آنها با توجه به ترکیب شیمیایی آنها یا تمایز بین مواد طبیعی و مصنوعی فقط باعث سردرگمی می شود. با طبقه بندی پرکننده ها و مواد تقویت کننده با توجه به عملکرد آنها ، تصویری بسیار واضح تر حاصل می شود. به طور کلی ، اصطلاح عوامل تقویت کننده برای توصیف کلیه مواد افزودنی که مقاومت کششی نهایی را بهبود می بخشند ، استفاده می شود. از طرف دیگر پرکننده ها این خصوصیات را کاهش داده و برای اهداف دیگر اضافه می شوند. به عنوان مثال ، پرکننده ها (به استثنای هوا) منجر به تغییرات خاص در ترموپلاستیک می شوند؛ آنها چگالی و سفتی را افزایش می دهند، انبساط حرارتی را کاهش می دهند و هدایت حرارتی را افزایش می دهند و از این طریق پایداری قسمت های نهایی را بهبود می بخشند.

تاثیر شکل ذرات پرکننده بر خواص پلاستیک و لاستیک

به عنوان یک شاخص نسبت ابعادی ، نسبت طول یک ذره به ضخامت آن را توصیف می کند. برای پرکننده های مورد استفاده در پلیمرهای غیر قطبی یا نیمه قطبی ، مانند پلی اتیلن ، پلی پروپیلن و پلی وینیل کلراید (PVC) ، مهمترین پارامتر فیزیکی شکل ذرات پرکننده است و تعیین می کند که آیا یک ماده افزودنی به عنوان ماده تقویت کننده یا پرکننده عمل می کند یا خیر. پنج نوع متمایز شکل ذرات به عنوان پرکننده ها وجود دارد که به نوبه خود می توانند به دو گروه تقسیم شوند. پرکننده های کروی، مکعبی شکل به عنوان پرکننده هایی عمل می کنند و جدا از افزایش سختی معمولاً باعث بهبود خواص مکانیکی پلاستیک نمی شوند. اگر بین سطح پرکننده و زنجیره های پلیمری نیروهای چسبی بسیار قوی وجود داشته باشد، با این وجود، یک افزودنی با نسبت ابعاد کوچک (کره یا مکعب) می تواند اثر تقویت کننده ای از جمله افزایش مقاومت کششی داشته باشد. نمونه بارز اثر تقویت کننده کربناتهای کلسیم بدون پوشش در پلی آمیدها است. از طرف دیگر ساختارهای صفحه ای و الیافی با نسب ابعادی بالا در تمام پلاستیک ها به عنوان تقویت کننده استفاده می شوند. برای مثال تالک، با شکل صفحه ای و ورقه ای به عنوان ماده تقویت کننده در ضربه گیرهای ماشین که باید در برابر بارهای شدید مکانیکی مقاومت کند، مورد استفاده قرار می گیرد.در کامپوزیت های مدرن، ماتریس پلیمری اهمیت کمتری دارد. بارهای مکانیکی وارد شده بر رزین های اپوکسی تقویت شده با فیبر کربن تقریباً کاملا توسط فیبرکربن تحمل می شوند. پلیمرها عمدتاً برای جداسازی فیبرهای جداگانه از یکدیگر و انتقال نیروی برشی به سطح فیبر عمل می کنند.

تاثیر نسبت ابعادی ذرات پرکننده به خواص پلاستیک ها

اثر نسبت ابعادی پرکننده توسط سختی پلی پروپیلن های پرشده نشان داده شده است. الیاف شیشه ای به طور قابل توجهی سفتی (به عبارت دیگر مدول الاستیسیته پلاستیک تولیدی) را افزایش می دهند. در مورد تالک، با ساختار صفحه ای اثر کمتری دارد و در مورد کربنات کلسیم با ساختار مکعبی این مقدار کمتر است. در پرکننده های با محتوی بیشتر این اختلاف بیشتر است: برای مثال با 10 درصد محتوای پرکننده اثر تقویت کننده الیاف شیشه ای 1.5 برابر بیشتر از کربنات کلسیم است. در پرکننده های با 30 درصد این فاکتور 2.5 برابر بیشتر است. با این حال افزایش سفتی معمولاً با شکنندگی و کاهش مقاومت به ضربه حاصل می شود.

تاثیر منحنی دانه بندی ذرات پرکننده بر خواص پلاستیک ها

اکثر پرکننده ها با منحنی های توزیع دانه بندی ذرات دقیقاً مشخص تولید و فروخته می شوند. شیب منحنی توزیع دانه بندی ذرات امکان پیش بینی دقیق اثر پرکننده در ماتریس پلیمر را فراهم می کند. شیب منحنی نه تنها نشان می دهد که متوسط انحراف معیار چقدر است، بلکه میزان ذرات درشت و ریز را نیز تعیین می کند که تاثیر مهمی بر خواص مکانیکی و نوری ناحیه پر شده دارد. در پرکننده های با دانه بندی بسیار ریز، تنش برشی بیشتری در اکسترودر اتفاق می افتد که ممکن است منجر به آسیب حرارتی پلیمر و همچنین بر ظاهر آن تاثیر بگذارد.به عبارت دیگر اگر ذرات دانه ریز از پرکننده حذف شود، هیچ خرابی در پلاستیک حتی در محتویات پرکننده بسیار زیاد وجود ندارد.

تاثیر شاخص مساحت ویژه بر خواص پرکننده ها

مساحت ویژه که به صورت مترمربع بر گرم بیان می شود یک پارامتر فیزیکی بسیار مهم است که اهمیت آن برای استفاده صحیح از پرکننده غالباً دست کم گرفته می شود. این شاخص در حقیقت بررسی می کند چه تعداد از نقاط پیوند از نظر تئوری بین زنجیره های پلیمری و مواد افزودنی قرار گرفته است. پرکننده با مساحت ویژه بالا تعداد زیادی نقاط اتصال ایجاد می کند لذا خواص مکانیکی بهتر از یک پرکننده با مساحت ویژه پایین را نتیجه می دهد. به طور کلی، افزایش در سطح خاص پرکننده ها یا مواد تقویت کننده، خواص زیر را بهبود می بخشند:
- سفتی بیشتر (مدول الاستیسیته بالاتر)
- کشش بهتر و مقاومت کششی نهایی بالاتر
- ضربه پذیری بهتر و افزایش مقاومت به ضربه
- ایجاد سطح پلاستیک براق تر
با این وجود محدودیت هایی در میزان افزایش مساحت ویژه وجود دارد، زیرا یک سطح ویژه بیشتر به معنای سهم بیشتری از ذرات دانه ریز است و هرچقدر میزان پرکننده دانه ریز بیشتر شود تمایل بیشتری به متراکم شدن دارند. این رفتار به فیزیک مربوط است زیرا یک ذره جامد در معرض دو نیروی متضاد قرار دارد. نیروی گرانش، ذرات را از یکدیگر دور می کند، در حالی که نیروهای واندروالسی باعث جذب ذرات می شوند. هرچه ذرات کوچکتر باشند، تاثیر نیروی جذب واندروالسی بیشتر و اثر نیروی گرانش کمتر خواهد بود. ذرات با قطر متوسط 1 میکرون توسط نیروهای واندروالسی ده میلیون برابر بیشتر از نیروهای دافعه گرانشی، جذب می شوند. بنابراین سطح خاص پرکننده ها و مواد تقویت کننده باید با شرایط پردازش احتمالی (نیروهای برشی) مطابقت داشته باشد. مساحت سطح نباید خیلی بزرگ باشد.

مواد معدنی پرکننده و تقویت کننده

مواد معدنی مختلفی به عنوان پرکننده و تقویت کننده در صنایع مختلف از جمله تولید لاستیک و پلاستیک استفاده می شود. مواد معدنی شامل سیلیس کروی، کربنات کلسیم، سیلیس میکرونیزه، باریت (سولفات باریم)، میکا ، تالک، کائولن، گرافیت، آزبست، ولاستونیت، فیبرهای شیشه ای و فیبرهای سلولزی تاکنون در صنایع مختلف استفاده شده است. این مواد معدنی باتوجه به شکل ذرات (نسبت ابعادی)، منحنی توزیع دانه بندی ذرات، ذرات درشت دانه، مساحت ویژه، سطح انرژی/ کشش سطحی ، پوشش سطحی، خواص فیزیکی و شیمیایی مختلفی را تولید می کند که شناخت صحیح و انتخاب درست از این مواد معدنی ضروری است.