Categories: اخبار فرش ماشینی

آشنایی با مواد پلی استایرن ‏

پلی استایرن که به غلط در میان پلاستیک کاران به کریستال معروف شده است یکی از ترموپلاستیک های سخت و شفاف می باشد که بنابر دلایل متعدد نظیر ارزانی قیمت، خاصیت قالب پذیری خوب، مقاومت در برابر جذب رطوبت، پایداری ابعاد، عایق الکتریسیته، خاصیت رنگ پذیری و مقاومت در برابر برخی از مواد شیمیایی، به صورت بسیار وسیع و گسترده در قالب گیری تزریقی و وکیوم مورد استفاده قرار گرفته و توانسته است جای خود را در صنایع بسته بندی، الکتریکی، کفش سازی، ساختمانی، لوازم خانگی و غیره …. باز نماید. ‏

‏۱- مقدمه‏
پلی استایرن یکی از موادی بود که کاربرد آن در خلال جنگ جهانی دوم (در صنایع نظامی) مورد توجه قرار گرفت، زیرا به عنوان یک عایق الکتریسیته خوب شناخته شده بود. اولن بار این ماده به نام “استیرول” در سال ۱۸۳۹ توسط شخصی به نام “سایمون” ساخته شد. تهیه تجاری منومر استایرن و پلیمریزاسیون آن به سال ۱۹۳۴ بر می گردد که کمپانی “داو” توانست استایرن را از فرآورده های نفتی سنتز نماید و سپس آن را پلیمریزه کند. در همان زمان مشابه این فرآیند مراحل تکمیلی خود را در آلمان غربی می گذراند. تجربیات به دست آمده از این محصول در زمان جنگ جهانی دوم موجب گردید تا در سال های بعد از جنگ، پلی استایرن نه تنها به عنوان یک عایق الکتریسیته گران قیمت شناخته نشود، بلکه به عنوان یک پلاستیک گرمانرم، ارزان و با خواص خوب معرفی شود.‏

‏۲- تهیه منومر‏
‏ استایرن به دو صورت آزمایشگاهی و تجارتی قابل سنتز می باشد. به صورت آزمایشگاهی اسید سینامیک را تحت شرایط تقطیر خشک قرار می دهند که با متصاعد شدن گاز “اکسید دو کربن” اسید مزبور به استایرن تبدیل می شود. اسید سینامیک را نیز با حرارت دادن ” بنز آلدئید” با انیدرید استیک در مجاورت استات سدیم می توان به دست آورد. تولید تجارتی این منومر که به روش “داو” معروف است، بر پایه واکنش دو فرآورده نفتی بنزن و گاز اتیلن قرار دارد. گاز اتیلن و بنزن توسط کاتالیزور (کاتالیست فریدل – کرافت) به اتیل بنزن تبدیل می شوند که بعد از عمل هیدروژن گیری به استایرن تبدیل می گردد. گاز اتیلن بایستی تا ۹۵% و بنزن تا ۹۹% خالص باشند تا بتوان اتیل بنزن حاصله را تا ۹۹% بعد از تقطیر “جزء به جزء” به صورت خالص به دست آورد. اتیل بنزن را می توان هنگام پالایش نفت به صورت محصول جانبی از فرآیندهای ریفورمینگ کاتالیستی به دست آورد. در این نوع فرآیندها هیدروکربورهای آلیفاتیک به مخلوطی از هیدروکربورهای آروماتیک تبدیل می شوند، اتیل بنزن حاصل از این نوع فرآیند توسط کاتالیزور (اکسید منیزیم و آهن) هیدروژن گیری می شود، ولی بازدهی آن در حدود ۳۷% استایرن، ۶۱% اتیل بنزن و ۲% بنزن و تولوئن است. از آنجا که در راکتور واکنش، مخلوطی از استایرن و اتیل بنزن وجود دارد و نقطه جوش این دو نزدیک به هم می باشد و همچنین استایرن در درجه حرارت معمولی نیز آمادگی آن را دارد تا پلیمریزه شود، لذا لازم است قبل از عمل جداسازی ماده کند کننده ای که معمولاً سولفور است به مخلوط اضافه شود تا از پلیمریزاسیون منومر استایرن جلوگیری به عمل آید. بعد از این عمل چنانچه مخلوط واکنش تحت خلاء نسبی (۳۵ میلی متر جیوه) توسط ستون های تقطیر مخصوصی جداسازی شود، استایرن به دست آمده از آن با مقداری سولفور همراه است که با تقطیر مجدد می توان آن را کاملاً خالص نمود. ‏

لازم است برای جلوگیری از پلیمریزاسیون استایرن خالص در هنگام نگهداری و انبار نمودن، به آن یک ماد? کند کننده دایمی اضافه شود. معمولاً از “ترشلی بوتیل کتکول” برای این منظور استفاده می شود. منومر استایرن مایعی بی رنگ، روغنی شکل و غیر محلول در آب، الکل و اتر بوده و بوی ترکیبات حلقوی آروماتیک را می دهد. چنانچه منومر مزبور بطور پیوسته در معرض هوا قرار گیرد، به علت اکسیداسیون، ترکیبات آلدئیدی و کتونی به وجود می آید که با بوی زننده توام است. این منومر به عنوان حلالی برای پلی استایرن و کائوچوی اس بی آر (‏SBR‏) مورد استفاده قرار می گیرد. نقطه جوش آن در حدود ۱۴۵ درجه سانتی گراد و نقطه اشتعال آن ۳۱ درجه سانتی گراد می باشد. از آنجا که تنفس آن انسان را مسموم کرده و آتش گیر نیز می باشد، لذا طبق قوانین حمل و نقل بین المللی بایستی توسط کشتی یا قطار حمل گردد.‏

‏۳- پلیمریزاسیون ‏
استایرن را به چهار روش مختلف می توان پلیمریزه نمود:‏
‏- پلیمریزاسیون توده ای‏
‏- پلمریزاسیون حلالی ‏
‏- پلیمریزاسیون تعلیقی‏
‏- پلیمریزاسیون امولسیونی‏

دو روش اول برای تهیه پلی استایرن کاربرد بیشتری دارد و روش چهارم برای موارد مصرف بخصوصی قابل استفاده می باشد. از آنجا که پلی استایرن تهیه شده به وسیله هر یک از روش های فوق، از نقطه نظر خواص، دارای مزایا و معایبی است لذا با توجه به نوع خواص مورد نیاز می توان بهترین روش را برای پلیمریزاسیون استایرن انتخاب نمود. به عنوان مثال اگر منومر استایرن به روش توده ای پلیمریزه شود، پلیمر حاصله بسیار شفاف بوده و عایق الکتریسیته بسیار خوبی می باشد، ولی به علت گرمازا بودن واکنش پلیمریزاسیون، کنترل گرمای واکنش در این روش مشکل است و با توزیع وزن مولکولی وسیع همراه می باشد.‏
جنانچه از پلیمریزاسیون به روش حلالی در تهیه پلی استایرن استفاده شود، گرمای واکنش پلیمریزاسیون به راحتی قابل کنترل است، اما خطر مسمومیت و آتش گیری به علت وجود حلال تشدید خواهد شد و همچنین وزن مولکولی پلیمر نیز کاهش خواهد یافت. از طرفی روش مزبور با برخی عملیات اضافی نظیر جداسازی حلال از پلیمر و احیاء دوباره آن همراه خواهد بود. در پلیمریزاسیون به روش تعلیقی گرچه اکثر مشکلاتی که با دو روش پیشین همراه بود برطرف خواهد شد ولی امکان آلوده شدن پلیمر به وسیله آب و ماده تعلیق کننده وجود دارد که موجب کاهش کیفیت خواص پلی استایرن می گردد، لذا قبل از جمع آوری و انبار نمودن پلیمر، عملیات جداسازی و خشک نمودن بایستی دقیقاً تحت کنترل قرار گیرد. در آخرین روش که به روش امولسیونی معروف است، از آنجا که مقدار زیادی صابون جهت امولسیون مصرف می گردد، لذا شفافیت و خاصیت عایق الکتریکی پلی استایرن کاهش می یابد، در نتیجه این روش در مواقعی کاربرد دارد که پلی استایرن به صورت لاتکس مورد نیاز باشد.برای آشنایی بیشتر با روش های پلیمریزاسیون استایرن توضیحات زیر ضروری به نظر می رسد.‏

‏۱/۳ – پلیمریزاسیون توده ای ‏
در پلیمریزاسیون توده ای، منومر با کمک شروع کننده در غیاب هرگونه حلالی پلیمریزه می شود ولی به علت گرمازا بودن واکنش، کنترل گرمای واکنش قابل اهمیت می باشد. بدین منظور ابتدا یک مخلوط اولیه را که حدود ۳۳-۳۵ درصد پلیمریزه شده باشد، تهیه کرده و سپس مخلوط پلیمر و منومر را از بالا وارد برج مخصوصی می کنند که در آن سیستم های خنک کننده در دیوار? برج و سیستم های گرم کننده به صورت مارپیچ در داخل برج تعبیه گردیده است، و درجه حرارت آن از بالا به پایین افزایش می یابد. در انتهای برج یک اکسترودر تعبیه گردیده است که پلی استایرن به صورت رشته ای از آن خارج گردیده و پس از خنک شدن وارد دستگاه خرد کن شده و سپس جمع آوری و در انبار نگهداری می گردد.‏

‏۲/۳ – پلیمریزاسیون حلالی‏
پلیمریزاسیون استایرن به روش توده ای در پلیمریزاسیون حلالی، روش کلی بدین صورت است که منومر در یک حلال مناسب حل شده و در نتیجه انتقال حرارت ناشی از واکنش پلیمریزاسیون به سهولت انجام می شود. پلیمر تشکیل شده را می توان از محلول بازیابی نمود. در این روش ابتدا منومر استایرن و حلال در محفظه ای مخلوط شده و سپس در راکتور اول از بالا پمپاژ می گردد. قسمت بالای راکتور حرارت داده می شود تا واکنش پلیمریزاسیون شروع گردد ولی از آنجا که این واکنش گرمازا می باشد، مواد به راکتوری که در آن مارپیچ های خنک کننده ای تعبیه گردیده، وارد می شود. در این راکتور درجه حرارت پلیمریزاسیون کنترل شده و تنظیم می گردد تا قدری مرحله انتشار پلیمر آهسته گردد. این مواد دوباره در راکتور دیگری حرارت داده می شوند تا واکنش پلیمریزاسیون مجدداً فعال شود. مواد حاصل از این واکنش را وارد محفظه دیگری می نمایند تا حلال، منومر باقی مانده و پلیمرهای با وزن مولکولی پایین تر از پلیمر جدا شوند. پلیمر حاصله پس از عبور از اکسترودر، تحت عملیات شستشو قرار می گیرد، سپس خرد شده و به آن مواد روان کننده جهت مصارف بعدی اضافه می گردد.‏

‏۳/۳- پلیمریزاسیون به روش تعلیقی‏
استفاده از این روش به صورت تجارتی بسیار معمول است. در این روش منومر استایرن به وسیله کلوئیدهای محافظ مانند پلی وینیل الکل و یا تالک با همزدن سریع آب، در آب معلق می مانند. از بنزوئیل پراکساید که در منومر محلول است به عنوان شروع کننده استفاده می شود. پلیمریزاسیون با تولید رادیکال آزاد شروع شده و پلیمر به صورت دانه ظاهر می گردد. شکل دانه ها، اندازه و توزیع آنها به نوع سیستم پخش کننده و سرعت مخلوط کن بستگی دارد. پس از پایان پلیمریزاسیون، منومرهایی که وارد واکنش نشده اند، از محیط عمل خارج و پلیمر حاصله پس از شستشو، خشک گردد. از مزایای این روش آن است که حرارت حاصل از واکنش با استفاده از ایجاد قطرات کوچک منومر نامحلول در آب کنترل می شود و پلیمر حاصله نیز دارای دانه بندی منظم می باشد، گرچه شفافیت و عایق الکتریسیته بودن محصول کاهش می یابد.‏

‏۴/۳- پلیمریزاسیون امولسیونی‏
در این روش منومر را در آب با استفاده از مقادیر زیادی امولسیفایر به صورت امولسیون در آورده و شرایط همزدن نیز آرام تر می باشد. از املاح بازی و آلکیل سولفونات ها به عنوان ماده امولسیفایر استفاده می شود و به علت این که امکان خارج نمودن کامل امولسیفایر وجود ندارد، لذا شفافیت و خاصیت عایق الکتریسیته آن نیز کاهش می یابد. پلی استایرن تجارتی که با استفاده از هریک از روش های فوق به دست می آید، معمولاً دارای وزن مولکولی بین ۵۰،۰۰۰ تا ۲۰۰،۰۰۰ می باشد. قدرت ضربه پذیری و نقطه نرم شدن پلی استایرن به ناخالصی موجود در پلیمر و همچنین مواد افزودنی (از قبیل لغزان کننده ها) همراه آن بستگی دارد.‏

‏۴- درجه بندی پلی استایرن‏
موارد مصرف فراوان صنعتی پلی استایرن، موجب شده است که این پلیمر در درجه بندی های بسیار متنوعی ساخته شود، که می توان اکثر آن ها را به چهار گروه تقسیم نمود.‏

‏۱/۴ – پلی استایرن جهت مصارف عمومی (‏GPS‏)‏
پلی استایرینی که جهت مصارف عمومی مورد استفاده قرار می گیرد، معمولاً بایستی دارای خواص نظیر مقاومت خوب در برابر حرارت، قدرت ضربه پذیری مناسب و سیالیت خوبی در هنگام فرآیند باشد.‏

‏۲/۴ – پلی استایرن با وزن مولکولی بالا‏
اگر وزن مولکولی پلی استایرن کمتر از ۵۰،۰۰۰ باشد، دارای قدرت کششی پایینی می باشد ولی با افزایش وزن مولکولی به بیش از ۱۰۰،۰۰۰، افزایش چشمگیری در قدرت کششی آن ایجاد خواهد شد. ادامه روند افزایش وزن مولکولی گرچه در افزایش قدرت کششی موثر می باشد ولی می تواند بر روی سیالیت پلیمر اثر معکوس بگذارد. چنین افزایش وزن مولکولی، قدرت ضربه پذیری پلیمر را افزایش خواهد داد بدون آن که تغییری در شفافیت آن ایجاد گردد.‏

‏۳/۴- پلی استایرن مقاوم در برابر حرارت ‏
با بالا بردن نقطه نرم شدن پلی استایرن می توان آن را در برابر حرارت مقاوم نمود. برای این منظور با کاهش مقدار مواد قابل تبخیر در پلیمر می توان درجه حرارت نقطه نرم شدن را افزایش داد. برای مثال چنانچه منومر موجود در پلی استایرن که معمولاً در حدود ۵ درصد به عنوان ناخالصی در پلیمر موجود است، کاملاً خارج گردد، نقطه نرم شدن از ۷۰ به ۱۰۰ درجه سانتی گراد افزایش می یابد. نوع تجارتی این پلی استایرن دارای نقطه نرمی معادل ۷ درجه سانتی گراد بالاتر از پلی استایرن جهت مصارف عمومی می باشد.‏

‏۴/۴ – پلی استایرن با سیالیت زیاد‏
سیالیت پلی استایرن را می توان با اضافه کردن روان کننده های داخلی از قبیل بوتیل استئارات و یا پارافین مایع، روان کننده های خارجی از قبیل استئارات روی، استفاده از پلیمرهای با وزن مولکولی پایین تر و همچنین با کنترل شکل و اندازه ذرات پلیمر، بهبود بخشید، بدون آن که اثر چندانی برروی سایر خواص بگذارد. البته اضافه شدن این گونه روان کننده ها به میزان ۱۰ درجه سانتی گراد از نقطه نرم شدن مواد می کاهد ولی با وجود کلیه مزایایی که دارد، نتوانسته جایگزین پلی استایرن از نوع قابل مصرف برای مصارف عمومی گردد. این نوع مواد در قالب گیرهایی که جداره محصول بسیار نازک و یا قالب دارای شکل پیچیده می باشد، مورد استفاده قرار می گیرد.‏

‏۵- ساختار و خواص پلی استایرن‏
پلی استایرن پلیمری خطی است که در طول زنجیره آن هیچ گونه پیوند دو گانه ای موجود نبوده و حلقه های بنزنی به صورت یکی در میان به روی کربن های زنجیره قرار گرفته اند. مانند پلی پروپیلن، پلی وینیل کلراید و سایر ترکیبات وینیلی، موقعیت های مختلف حلقه بنزن موجب می شود که زنجیره پلیمری فرم های فضایی خاصی به خود بگیرد، به زبان ساده چنانچه حلقه بنزنی در یک طرف زنجیر پلیمری قرار گیرند، به آن “ایزو تکتیک” و اگر یک در میان در دو طرف زنجیر پلیمری جای بگیرند، به آن “سیند یوتکتیک” و در نهایت اگر به صورت درهم و غیر منظم اطراف زنجیره پلیمری را اشغال نمایند، “اتکتیک” گویند. اگر منومر استایرن از طریق تشکیل رادیکال آزاد پلیمریزه شود، قسمتی از پلیمر سیندیوتکتیک و قسمتی دیگر اتکتیک خواهد شد که در نهایت پلیمری آمورف حاصل می شود. چنانچه از کاتالیست های کمپلکس (آلکیل آلومنیوم – تیتانیم ها لاید) در پلیمریزاسیون استایرن استفاده شود، پلی استایرن ایزوتکتیک به دست می آید که وزن مولکولی و نقطه ذوب بالایی دارد و در نتیجه قبل از فرآیند بسیار سخت است. فرآیند پلی استایرن اتکتیک توسط قالب گیری می تواند به محصولی با سطح براق و کاملاً شفاف ختم شود. ‏

وجود حلقه بنزنی به صورت یک در میان بر روی کربن های زنجیره موجب می گردد تا این ماده نسبت به پلی اتیلن در برابر حلال های شیمیایی مقاومت کمتری از خود نشان دهد. پلی استایرن در برخی از هیدروکربورها مانند بنزن، تولوئن، اتیل بنزن، تترا کلراید، کلروفرم، دی کلرو بنزن، در برخی از کتون ها (به غیر از استن)، استرها و برخی از روغن ها قابل حل می باشد. برخی از اسیدها و الکل ها و کرم های آرایشی و مواد غذایی موجب ترک خوردگی و در بعضی مواقع موجب تجزیه شیمیایی پلی استایرن می گردند. میزان ترک خوردگی و تجزیه پذیری شیمیایی به عوامل زیادی بستگی دارد. مثلاً نوع پلی استایرن، نوع و غلظت مواد، مدت زمان و درجه حرارت نگهداری مواد و تنش های وارده به نقاطی از محصول که تحت واکنش های مختلفی قرار می گیرد. ‏

پلی استایرن، پلیمری است بدون بو و مزه که با شعله ای مداوم و یکنواخت می سوزد. چگالی آن پایین و در حدود ۰۵۴/۱ می باشد. این ماده ترموپلاستی سخت، شفاف، عایق الکتریسیته، مقاوم در برابر جذب رطوبت و رنگ پذیر است، همچنین دارای قدرت کششی، ضربه پذیری و عایق حرارتی خوبی نیز می باشد. فرآیند آن توسط دستگاههای تزریقی و وکیوم با هزینه ای کم امکان پذیر است . آنچه که کاربرد پلی استایرن را محدود می سازد، شکنندگی، مقاوم نبودن در برابر درجه حرارت جوشش آب و همچنین عدم مقاومت در برابر برخی از روغن ها می باشد.‏

یکی از مهمترین خواص نوری پلی استایرن، انتقال تمام طول موج های مریی و ضریب انکسار بالای آن می باشد که موجب شفافیت و جلای آن می گردد. بعضی از عوامل، خواص نوری آن را تغییر داده و موجب تیره و یا زرد شدن محصول می گردند. تیرگی ممکن است از گرد و غبار و یا جهت گیری ناهمگون مولکول ها (درهنگام فرآیند) ناشی شود و زرد شدن به علت ناخالصی های موجود در منومر و یا در اثر ایجاد واکنش های جانبی در هنگام پلیمریزاسیون ممکن است اتفاق افتد. فرسایش زمانی یکی دیگر از عواملی است که موجب زردی پلی استایرن می شود. وجود منومر مقادیر بسیار کمی از سولفور در پلیمر نیز ممکن است در اثر واکنش های اکسیداسیون، زردی پلی استایرن را موجب شوند، لذا برای افزایش مقاومت پلی استایرن در برابر عوامل جوی از ترکیباتی نظیر آمین های آلیفاتیک، آمین های حلقوی و آمینو الکل ها استفاده می کنند. پلی استایرن عایق الکتریسیته بسیار خوبی است.‏
‏ ‏
منبع: ماهنامه صنایع پلاستیک ‏

———————————————————————————–