پلاستیک ها و لاستیک های صنعتی – قسمت اول

پلیمر:

 

هنگامی که تعداد زیادی مولکول در یک قالب منظم به یکدیگر بپیوندند، پلیمر تشکیل می شود. پلی به معنای چند و مر به معنای واحد است. یک پلیمر از چندین واحد تکرار شونده در یک قالب بخصوص ساخته شده است. این واحد تکرار شونده (مر) باید دو عاملی باشد، یعنی دارای دو موقعیت پیوندی فعال باشد. یک مر از پلیمر خطی، یک مولکول نیست بلکه فقط بخشی از زنجیره مولکولی است. تعداد دفعاتی که واحد مر در پلیمر تکرار می شود درجه پلیمریزاسیون (DP) خوانده می شود. مونومر، مولکول اولیه در تشکیل پلیمر است و می تواند به تنهایی هم وجود داشته باشد. مکانیسم یا واکنش شیمیایی که مونومرها را به یکدیگر متصل می کند پلیمریزاسیون به معنای اتصال چند مر خوانده می شود.

 

 

 

 

پلیمرها یا به طور طبیعی یافت می شوند یا کاملاً سنتزی اند و توسط بشر ساخته می شوند. سلولزهای گیاهی، پروتئین، نشاسته، آنزیم های زیستی بدن و لاستیک های طبیعی از جمله پلیمرهای طبیعی هستند.

در صنعت، پلیمرها را به سه گروه اصلی پلاستیک ها، لاستیک ها یا الاستومرها و الیاف پلیمری دسته بندی می کنند. الیاف، پلیمرهای خطی با تقارن زیاد و نیروی بین مولکولی قوی هستند که معمولاً از وجود گروه های قطبی ناشی می شوند. الیاف دارای مدول بالا، استحکام کششی زیاد و گسترش پذیری (ازدیاد طول) کمتر از ۲۰ درصد هستند. پایداری گرمایی خوبی دارند و قابلیت ریسندگی یا تبدیل به رشته را دارند. در سوی دیگر این طیف، الاستومرها مولکول هایی با ساختار نامنظم، نیروی جاذبه بین مولکولی ضعیف و زنجیرهای پلیمری بسیار انعطاف پذیر هستند. الاستومرها گسترش پذیری زیاد تا ۱۰۰۰ درصد دارند و با برداشته شدن تنش اعمالی به سرعت به حالت اولیه باز می گردند. پلاستیک ها بین دو حد الیاف و الاستومرها قرار دارند. برخی پلیمرها مثل پلی آمید و پلی پروپیلن را می توان هم به صورت الیاف و هم به صورت پلاستیک به کار برد.

در یک دسته بندی مفید، پلیمرها را بر اساس پاسخ گرمایی آن ها به دو گروه گرمانرم (ترموپلاست) و گرماسخت (ترموست) تقسیم می کنند. پلیمرهای گرمانرم در اثر گرما و فشار نرم می شوند، جریان می یابند و در اثر سرما سخت شده و شکل قالب را به خود می گیرند. گرمانرم ها وقتی با مواد مناسب آمیزه سازی شوند، چندین چرخه گرم و سرد شدن را بدون اینکه دچار شکست ساختاری شوند تحمل می کنند. این قابلیت باعث چند بار مصرف بودن این پلیمرها می شود. این رفتار شبیه رفتار موم شمع یا کره است که با گرما دیدن نرم و مایع می شوند و سپس با سرما دیدن منجمد می شوند و شکل قالب را به خود می گیرند. در مقابل گرمانرم ها، پلیمرهای گرماسخت وقتی گرم می شوند در تغییرات شیمیایی شرکت می کنند، پیوندهای عرضی در آن ها ایجاد می شود و پلیمر جامد می شود. آن ها را می توان به دلخواه با اعمال گرما و فشار شکل داد، اما این مواد نمی تواند در چرخه های تکراری نرم و سخت شدن شرکت کنند. بنابراین گرماسخت ها قابلیت استفاده و قالب گیری مجدد پس از قالب گیری اول را ندارند.

در قسمت اول از این نوشته، در خصوص لاستیک یا الاستومرها توضیحاتی ارائه می شود.

 

 لاستیک یا الاستومر

 

در تعریف ارائه شده توسط ASTM، الاستومر یک ماده پلیمری است که می تواند در دمای اتاق بیش از دو برابر طول اولیه خود افزایش طول یابد و با آزاد شدن نیرو سریعاً به طول اولیه خود باز گردد. لاستیک یا الاستومرها دارای جهندگی یا قابلیت کشش و انقباض سریع هستند. الاستومرها قابلیت کش آمدن زیاد، محدوده ۱۰۰ تا ۵۰۰ درصد، را بدون پاره شدن دارند. حد بالاتر این کشسانی برگشت پذیر ۱۰۰۰ درصد افزایش طول خطی است. مواد لاستیکی معمولاً مخلوط پیچیده ای از اجزای سازنده قابل وولکانش، پر کننده، نرم کننده، آنتی اکسیدان و رنگدانه هستند، ولی خصوصیات لاستیکی آن ها به وجود یک یا چند ماده پایه در مخلوط مربوط است که از نظر ماهیت لاستیکی هستند یا در مجاورت نرم کننده مناسب خاصیت لاستیکی پیدا می کنند. این مواد پایه معمولاً آلی هستند. لاستیک ها به دو صورت طبیعی و سنتزی وجود دارند. منظور از لاستیک طبیعی، لاستیکی است که در طبیعت معمولاً به صورت سوخت و ساز برخی درختان یا گیاهان به ویژه صمغ درختان گونه هوآ (Hevea Brasiliensis) یافت می شوند. لاستیک طبیعی کائوچو هم نامیده می شود و ساختار آن شامل سیس-۱، ۴-ایزوپرن با وزن مولکولی زیاد است. برای تولید فراورده های لاستیک طبیعی، صمغ یا شیرابه درختان صمغی یا کائوچو را با انواع افزودنی های لازم آمیزه کاری مثل دوده، گوگرد یا ترکیبات گوگردی، عوامل ولکانیزه، آنتی اکسیدان، روغن و غیره مخلوط کرده و در ادامه به محصول نهایی تبدیل می کنند.

 

 

امروزه علاوه بر لاستیک های طبیعی، لاستیک سنتزی هم توسط بشر تولید می شود. اولین لاستیک سنتزی از تحقیقات بر روی ایزوپرن تولید شد. این لاستیک سنتزی که در شرکت دوپونت (DUPONT) تولید شد، از پلیمر شدن خودبخودی و تصادفی ایزوپرن در حضور اسید کلریدریک حاصل شد و به دلیل جایگزین شدن اتم کلر در مولکول منومر آن به جای یک گروه متیل، کلروپرن نام گرفت. شرکت دوپونت این لاستیک را با نام تجاری نئوپرن در حدود سال ۱۹۳۰ روانه بازار کرد.

 

 

مواد اولیه ی تولید لاستیک یا الاستومرها:

 

مواد اولیه ای که به طور عمده در تولید لاستیک های سنتزی مورد استفاده قرار می گیرد عبارتند از:

 

• بوتا دی ان (Butadiene):

مونومر بوتا دی ان با فرمول _۲(CH₂=CH)  گاز بی رنگی است که می تواند به آسانی تبدیل به مایع شود. بخش عمده بوتا دی ان به عنوان محصول جانبی از کراکینگ نفت با بخار آب در تولید اتیلن به دست می آید. علاوه بر آن، در هیدروژن زدایی از بوتان (C₄H₁₀) یا بوتادین (بوتن) (C₄H₈) هم تولید می شود.

 

• استایرن (Styrene):
  مونومر استایرن با فرمول C₆H₅CH=CH₂ مایعی بی رنگ و با بویی همانند مواد آروماتیک است که بیشتر در فرآوری پلیمرهای پلی استایرن به کار می‌رود. استایرن اغلب توسط هیدروژن زدایی کاتاليزوري از اتيل بنزن توليد مي شود.

 

• اکریلونیتریل (Acrylonitrile):
  مونومر اکریلونیتریل با فرمول CH2CHCN مایعی بی رنگ یا شفاف با بویی شبیه به هلو و فرار است. برخی نمونه های تجاری آن ممکن است به دلیل ناخالصی ها زرد رنگ نیز دیده شود. امروزه بیش از ۹۰%  آکریلونیتریل مصرفی در جهان طی فرآیند اکسایش پروپیلن با آمونیاک در فرایندی مشهور به سوهیو تولید می شود.

 

• ایزوپرن (Isoprene):
  مونومر ایزوپرن یا ۲-متیل ۱، ۳-بوتا دی ان با فرمول CH2=C(CH3)−CH=CH2 مایعی فرار و بی رنگ است و در آب حل نمی شود. ایزوپرن از اجزای اصلی لاستیک های طبیعی است. تولید صنعتی ایزوپرن به روش های مختلفی انجام می گیرد، از جمله سنتز از ایزوبوتیلن و فرمالدئید، هیدراتاسیون ایزوپنتان، سنتز از پروپیلن، سنتز از استیلن و استون، اکسیداسیون فاز مایع هیدروکربن ها، شکست حرارتی نفتا و غیره.

 

• کلروپرن (Chloroprene):

مونومر کلروپرن با فرمول CH₂=CCl−CH=CH₂ مایعی بی رنگ، بسیار فرار، قابل اشتعال و با بویی تند شبیه اتر است. کلروپرن در سه مرحله از بوتادی ان تولید می شود: کلرینه شدن بوتا دی ان با افزودن کلرین، ایزومریزاسیون یکی از محصولات حاصل از کلرینه شدن و در نهایت هیدرو هالوژن زدایی از تک محصول کلرینه شدن و ایزومریزاسیون و تولید محصول ۲-کلروبوتا-۱، ۳-دی ان که کلروپرن نامیده می شود. کلروپرن اولین بار از واکنش استیلن و هیدروژن کلرید به دست آمد. در این فرایند، ابتدا استیلن (C₂H₂) به وینیل استیلن (C₄H₄) دیمر می شود (دیمریزاسیون)، سپس در واکنش با کلرید هیدروژن به کلروپرن تبدیل می شود.

 

• ایزو بوتیلن (Isobutylene):
  ایزوبوتیلن یا ایزوبوتن با فرمول C₄H₈ در دما و فشار استاندارد گاز قابل اشتعالی است و بوی زغال سنگ می دهد. ایزو بوتیلن از تقطیر مشتقات گازی نفت به دست می آید.

 

• اتیلن (Ethylene):

اتیلن ساده‌ترین هیدروکربن غیر اشباع با فرمول C₂H₄  و اولین عضو از گروه آلکن ها است که بین دو اتم کربن آن پیوند دوگانه(C=C)  وجود دارد. اتیلن گازی بی رنگ و آتش‌ گیر است و در صنايع پتروشيمي با روش کراکينگ با بخار آب توليد مي‌شود. در اين فرآيند هيدروکربن هاي گازي و محلول هاي سبک هيدروکربن حاصل از نفت به مدت بسيار کوتاه در دماي ۹۵۰ – ۷۵۰ درجه سانتي‌گراد حرارت داده مي‌شوند. محصول اين واکنش مخلوطي از انواع هيدروکربن ها است که اتيلن عمده ترين آن مي‌باشد. از جمله روش هاي ديگر تولید اتیلن، هيدروژن‌دار کردن استيلن با استفاده از کاتاليزور و آبگيري از اتانول است. اتیلن ماده اولیه مهم برای تولید بسیاری از ترکیبات آلی پر مصرف در صنعت به ‌شمار می‌رود و به طور گسترده در صنعت پلاستیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. اتیلن با پلیمریزه شدن، پلی اتیلن را تولید می‌کند که یک پلاستیک بسیار مهم است. با تکرار شدن، پیش ماده پلی وینیل کلرید (PVC) را تولید می‌کند. با ترکیب شدن بنزن، اتیل بنزن ایجاد می‌کند که ماده اصلی پلی استر می‌باشد.

 

• پروپیلن (Propylene):

پروپن یا پروپیلن با فرمول C₃H₆ گازی بی رنگ و سومین ماده پر مصرف در صنعت پتروشیمی پس از آمونیاک و اتیلن است. پروپیلن به روش های مختلفی تولید می شود، از جمله ی این روش ها عبارتند از: تولید پروپیلن به عنوان محصول جانبی تولید اتیلن از طریق کراکینگ بخار، بازیابی پروپیلن از جریان های پالایشگاهی، هیدروژن‌زدایی از پروپان، تولید پروپیلن در روش تحول اولفین‌ ها از طریق واکنش تبدیل شکست اتیلن به همراه مقداری مخلوط بوتیلن و تبدیل از متانول در تکنولوژی‌ های رو به رشد MTP و MT.

 

• وینیل دین فلوراید (Vinylidene Fluoride):

مونومر وینیل دین فلوراید یا ۱،۱-دی فلورو اتیلن با فرمول C₂H₂F₂ یا  CH₂=CF₂ در دمای اتاق گاز بی رنگی است که در تولید گروهی از الاستومرهای فلورکربنی استفاده می شود.

 

• هگزا فلورو پروپیلن (Hexafluoropropylene)

مونومر هگزا فلورو پروپیلن (HFP) با فرمول C₃F₆ گازی بی رنگ و بی بو است که در آن همه اتم های هیدروژن پروپیلن با اتم های فلوئور (Fluorine) جایگزین شده است. این مونومر در تولید گروهی از الاستومرهای فلورکربنی استفاده می شود.

 

 

از این مونومرها به همراه سایر افزودنی ها در ساخت الاستومرها استفاده می شود.

 

 

الاستومرهای مهم و پر کاربرد صنعتی:

 

الاستومرهای مهم و پر کاربرد صنعتی عبارتند از:

 

• بوتیل رابر، Butyl Rubber ، با نام اختصاری IIR

 

• نیتریل بوتادین (بوتا دی ان)، Nitrile Butadiene، با نام متداول NBR

 

• نیتریل بوتادین (بوتا دی ان) هیدروژنی، Hydrogenated Nitrile، با نام متداول HNBR

 

• فلورو کربن، Fluorocarbon، با نام استانداردی FKM و FPM، بیشتر با نام تجاری وایتون (Viton) شناخته می شود.

 

• سیلیکون رابر، Silicone Rubber

 

• اتیلن پروپیلن دی ان، Ethylene-Propylene-Diene rubber، با نام متداول EPDM

 

• پلی اکریلیت، Polyacrylate، با نام استانداردی ACM

 

• کلروپرن یا نئوپرن، Chloroprene/Neoprene Rubber

 

• پلی اورتان، Polyurethane، با نام استانداردی EU و AU

 

• پر فلورو الاستومر، Perfluoroelastomer، با نام متداول FFKM، بیشتر با نام تجاری کالرز (Kalrez) شناخته می شود.

 

• فلورو سیلیکون، Fluorosilicone، با نام استانداردی FVMQ و FMQ

 

• تترا فلورو اتیلن پروپیلن ، Tetrafluoroethylene-Propylene، با نام متداول Aflas

 

• کلرو سولفونیتد پلی اتیلن، Chlorosulphonated Polyethylene، با نام استانداردی CSM و نام تجاری هایپالون (Hypalon)