استابلایزر پی وی سی، مکانیسم و انواع آن

13 اسفند 1399 ساعت 13:52

پی وی سی به طور کلی به لحاظ گرمایی در فرآیند ناپایدار است، از این رو استفاده از موادی که به آن خاصیت پایداری ببخشد ضروری است. استابلایزر همان ماده‌ای است که این خاصیت را ایجاد می‌کند.

پی وی سی برخلاف بسیاری از پلاستیک‌های صنعتی در دمایی که فرآیند انجام می‌شود ( در واقع در دمایی که نیاز است تا پی وی سی به فیوژن و یکنواختی مناسب برسد) دچار تخریب و دگرشوی می‌شود.

از نگاه دقیق‌تر شیمی انرژی لازم برای رسیدن پی وی سی (در فرآیندهای متداول) به مذاب هموژن، بیشتر از انرژی لازم برای شکست پیوندهای (پیوندهای با انرژی کمتر و حساس‌تر) پی وی سی است.

در ادامه بیشتر به این موضوع پرداخته خواهد شد.

استابلایزر پی وی سی چیست؟

پی وی سی برای پایداری در فرآیند و همچنین پایداری حرارتی هنگام کاربرد پی وی سی، به افزودنی پایدارکننده حرارتی نیاز دارد؛ پایدارکننده‌های حرارتی در صنعت معمولا با نام استابلایزر شناخته می‌شوند.

در نتیجه قبل از هموژن شدن مذاب پی وی سی این پلاستیک تخریب می‌شود. (انرژی لازم برای شکستن این پیوندها در پی وی سی در حدود ۲۶ کیلوکالری بر مول است در حالی که در پلی استایرن ۵۶ و در پلی پروپیلن ۶۵ می‌باشد.)

از سال ۱۹۳۰ تحقیقات وسیعی بر روی توسعه پایدارکننده‌های حرارتی پی وی سی صورت گرفت و استابلایزرهای پایه  سرب، استابلایزر قلع و برخی صابون‌های فلزی از اولین پایدارکننده‌های توسعه داده شده برای PVC بودند.

امروزه طیف گسترده‌ای از استابلایزرها برای کاربردهای مختلف پی وی سی توسعه داده شده‌اند بیشتر استابلایزرها در یک سیستم با قرار گرفتن در کنار افزودنی‌های دیگر از جمله روان کننده پی وی سی ( استابلایزر وان پک)  به بازار عرضه می‌شوند.

در فرمولاسیون PVC  در اثر دمای فرآیند برخی افزودنی‌ها نیز از جمله پلی اتیلن کلرینه شده، پارافین کلره و همچنین برخی اصلاح کننده‌های پایه لاستیک برای پی وی سی نیز در اثر حرارت تخریب می‌شوند.

بررسی مکانیسم تخریب پی وی سی

پارافین کلره و پلی اتیلن کلرینه شده در اثر حرارت به مانند پی وی سی دِهیدروکلره می‌شوند و پیوند دوگانه در آن‌ها ایجاد می‌شود.(در اصلاح کننده‌های لاستیکی پیوند دوگانه تخریب و یا شکسته می‌شوند.)

دگرشوی پی وی سی در اثر حرارت به پی وی سی و آزاد شدن گاز هیدروژن کلراید آغاز شده که در طی این فرآیند رنگ پی وی سی از سفید به زرد سپس زرد پر رنگ، قهوه ای و در نهایت در صورت تخریب کامل سیاه می‌شود. در ادامه به بررسی دگرشوی پی وی سی از نظرشیمیایی پرداخته می شود.

دی هیدروکلردار شدن پی وی سی از دمای حدود ۱۰۰ درجه سانتی گراد آغاز شده و به علت حضور گاز HCl این فرآیند کاتالیست شده و سرعت بیشتری می‌گیرد.

مکانسیم دقیق دگرشوی (تخریب پی وی سی) PVC هنوز دقیقا مشخص نیست اما تصور می‌شود که در اثر شکستن پیوند های C-H  و C-Cl  مجاور گاز HCl  ایجاد شده و در نتیجه پیوندهای دوگانه  مزدوج شکل می‌گیرد که سبب زردی رنگ پی وی سی می‌شوند.

در شکل زیر فرآیند تخریب pvc نشان داده شده است.(بهتر است بگوییم دگرشوی نه تخریب!)

تخریب پی وی سی

اگر تخریب پی وی سی به طور کامل انجام شود در کنار تولید HCL مقداری زغال سیاه، بنزن و مواد آروماتیک نیز تولید خواهد شد. پس از اینکه مرحله‌ی رشد تخریب تا حد معینی پیش رفت، مرحله‌ی اختتام تخریب انجام می‌شود.

این مرحله به دلیل رسیدن طول مولکول‌های پلی‌انی مقداری بحرانی و یا در اثر تشکیل شبکه‌های شیمیایی درون مولکولی یا بین مولکولی صورت می‌گیرد. سرعت تخریب پی وی سی در حضور اکسیژن، HCL و برخی از نمک‌های کلرید افزایش می‌یابد.

مکانیسم تخریب پی وی سی نرم به علت مهاجرت و اکسیداسیون نرم کننده ممکن است اندکی متفاوت باشد.

مقاله پیشنهادی: پلیت اوت چیست و راه‌های جلوگیری از آن

بررسی پایداری پی وی سی و مراکز حساس در زنجیره پی وی سی

مشخص شد که پی وی سی از ناپایداری ذاتی برخوردار است، اما آیا همه گریدهای پی وی سی از یک میزان ناپایداری برخوردار هستند؟ برای پاسخ به این سوال باید عوامل ناپایداری پی وی سی را بررسی کرد.

اثر سایتهای فعال در ناپایداری پی وی سی

تحقیقات صورت گرفته نشان داده‌اند که پی وی سی گرید آزمایشگاهی، بدون حضور مراکز فعال (کلر مجاور پیوند دوگانه) مقاومت بیشتری در برابر حرارت نسبت به گریدهای تجاری پی وی سی دارد.

به طور کلی دو مرکز فعال در پی وی سی در نظر گرفته شده که بیشترین نقش را در مکانیسم تخریب پی وی سی دارند؛ این مراکز شامل موارد زیر می‌باشند:

  1. کلر آلیلی (کلر مجاور پیوند دوگانه) (-CH=CH-CHCl-)
  2. کلر نوع سوم یا tertiary chlorine (کلر متصل به کربن نوع سوم)

تحقیقات صورت گرفته نشان داده است که کلر نوع سوم حدود ۷۰ تا ۸۰ درصد در فرآیند دی هیدورکلراسیون پی وی سی و کلر آلیلی حدود ۱۰ تا ۱۵ درصد در فرآیند دی هیدروکلراسیون پی وی سی نقش دارند.

به طور کلی تخمین زده می‌شود که حدود ۱ تا ۲ درصد واحد کلر نوع سوم به ازای هر ۱۰۰۰ مونومر برای ایجاد ناپایداری در پی وی سی کافی می‌باشد.

اثر وزن مولکولی در ناپایداری پی وی سی

به طور کلی پی وی سی با وزن مولکولی بالاتر پایداری حرارتی بیشتری نسبت به پی وی سی با وزن مولکولی کمتر دارد. دلیل این موضوع می‌تواند ناشی از بیشتر بودن گروه‌های انتهایی در پی وی سی با وزن مولکولی کمتر یا بیشتر بودن حرارت فرآیند پلیمریزاسیون در آن‌ها باشد.

نکته: در فرآیند تولید پی وی سی با استفاده از پی وی سی با وزن مولکولی پایین (به علت ویسکوزیته مذاب پایین‌تر) نیاز به گرمای برشی کمتری است و این موضوع تا حدی سبب جبران ضعف پایین بودن پایداری حرارتی آن‌ها می‌شود.

 به طور کلی پایداری حرارتی به ترتیب از پلیمریزاسیون توده به پلیمریزاسیون سوپانسیون و درنهایت پلیمریزاسیون امولوسیون کاهش می‌یابد.

تخریب نوری پی وی سی چیست؟

پیوندهای زنجیره پی وی سی در حالت ایده‌آل و  با فرض اینکه همه پیوندها اشباع باشند، شامل پیوندC-Cl ، C-C و C-H می باشد که به ترتیب انرژی برابر ۷۸، ۸۱ و ۹۸ کیلوکالری بر مول برای شکستن این پیوندها نیاز است.

مقاله پیشنهادی: معرفی و بررسی انواع افزودنی پی وی سی

از طرفی طول موج های نوری یو وی محدوده بین ۲۹۰ تا ۴۰۰ متر را شامل می‌شود که انرژی این طول موج از نوری به مقداری است که در عمل می‌تواند سبب شکستن پیوندها در پی وی سی و در نتیجه تخریب و دگرشوری پی وی سی شود.

مکانیسم تخریب نوری

تخریب نوری پی وی سی از بسیاری لحاظ ممکن است مشابه با تخریب حرارتی پی وی سی باشد؛ چرا که در اثر حرارت پیوند دوگانه و دی هیدروکلراسیون اتفاق می افتد. با این وجود بررسی‌های انجام شده امکان مکانیسم رادیکالی را نیز داده است.

محصولات ایجاد شده در اثر تخریب نوری پی وی سی در عدم حضور اکسیژن non-oxidative photodegradation- پلی ان، پیوندهای کراس لینک شده و ... می‌باشند، ولی در اثر تخریب نوری پی وی سی در حضوری اکسیژن oxidative photodegradation امکان تشکیل هیدورپراکسید و گروه کربونیل و... نیز وجود دارد.

مکانیسم عملکرد و ویژگی انواع استابلایزرهای PVC  

به طور کلی استابلایزر حرارتی به منظور جلوگیری و یا متوقف کردن واکنش‌هایی که سبب تخریب پی وی سی می‌شوند به کار گرفته می‌شوند. در مجموع مهم‌ترین مکانسیم‌های ارائه شده را می‌توان به صورت زیر دسته‌بندی نمود.

  • خنثی کردن ترکیباتی که سبب تخریب حرارتی PVC  می‌شوند. (از جمله HCl و...)
  • غیر فعال کردن سایت‌های فعال در پی وی سی ( کلر آلیلی و...)
  • مختل کردن تشکیل پلی انPVC
  • خنثی کردن رادیکال‌های آزاد
  • غیرفعال کردن گروه‌های حاوی اکسیژن

معرفی ویژگی‌های عمده و مشخصات مهم استابلایزر

  • پراکنش راحت و مناسب در پی وی سی
  • سازگاری با سایر اجزای فرمولاسیون پی وی سی
  • عدم plate-out در فرآیند
  • غیر سمی بودن (با توجه به نوع کاربرد)
  • عدم تاثیر منفی در شفافیت
  • اثر گذاری در دوز مصرف پایین
  • نداشتن بو
  • عدم Migration یا مهاجرت به سطح

به همین علت استابلایزرها باید دارای چندین هدف و ويژگی در فرمولاسیون پی وی سی باشند، این مواد معمولا از چندین جزء ساخته می‌شوند و توسعه استابلایزرهای وان پک نیز در همین راستا صورت گرفته است.

به طور کلی استابلایزر‌ی که همه مشخصات فوق را با هم داشته باشد وجود ندارد و لازم است در ساخت یک محصول با توجه به نوع فرآیند تولید قطعه، کاربرد و شرایط سرویس دهی از استابلایزر ویژه‌ای که به همان منظور ساخته شده است، استفاده شود.

در پلینو ببینید:  فیلم آموزشی انتخاب استابلایزر پی وی سی کلیک کنید

تقسیم بندی انواع استابلایزرهای حرارتی

  • پایه سرب
  • پایه قلع
  • پایه کلسیم/زینک
  • پایه باریم/کادیم/زینک
  • پایه ارگانیک

مشخصات انواع استابلایزر پی وی سی در شکل زیر نمایش داده شده است.

 

استابلایزر pvc

 

استابلایزر پی وی سی

برخی از مهم‌ترین انواع پایدارکننده  PVC چه مشخصاتی دارند؟

  • استابلایزر سرب پی وی سی

دارای ویژگی‌هایی چون پایداری حرارتی خیلی خوب به‌ویژه در طولانی مدت می باشد، این استابلایزر در محصولاتی از جمله  لوله، اتصالات، کابل و پروفیل استفاده می‌شود. بدون بو بوده و برای محصولات مات و غیر شفاف استفاده شده و برای محصولات بهداشتی توصیه نمی شود.

سمی بودن این استابلایزر به این معنی است که برای محصولاتی که در تماس با غذا یا دارو هستند توصیه نمی‌شوند. دوز مصرف استابلایزر سرب معمولا بین ۲ تا ۴ phr است.

  • استابلایزر باریم/کادمیم پی وی سی

دارای پایداری حرارتی خوب در پی وی سی می‌باشد. این پایدارکننده برای محصولاتی چون پارچه‌های چرمی، محصولات کلندرینگ شده و کفش استفاده می‌شود.

پایدارکننده باریم/کادمیم برای محصولات بهداشتی که در تماس با غذا و دارو هستند توصیه نمی شود. این پایدارکننده قابلیت استفاده در محصولات شفاف پی وی سی را دارد و دوز مصرف آن بین ۱.۵ تا ۲.۵ phr می‌باشد.

  • استابلایزر باریم/زینک پی وی سی

 دارای پایداری حرارتی خوب در پی وی سی می‌باشد. سمی بودن پایدار کننده باریم/زینک به این معنی است برای محصولات بهداشتی که در تماس با غذا و دارو هستند توصیه نمی‌شود. این پایدار کننده قابلیت استفاده در محصولات شفاف پی وی سی را دارد و دوز مصرف آن بین ۲ تا ۳ phr می‌باشد.

  • استابلایزر کادمیم/زینک پی وی سی

دارای پایداری حرارتی متوسط در پی وی سی است. از این پایدار کننده برای محصولاتی چون پارچه‌های فوم چرمی استفاده می‌شود. پایدار کننده کادمیم/زینک به دلیل سمی بودن برای محصولات بهداشتی که در تماس با غذا و دارو هستند، توصیه نمی‌شود. این پایدار کننده قابلیت استفاده در محصولات شفاف پی وی سی را دارد و دوز مصرف آن بین ۲ تا ۳ phr می‌باشد.

  • استابلایزر کلسیم/زینک پی وی سی

پایداری حرارتی متوسط در پی وی سی است. از این استابلایزر در محصولاتی مانند کابل‌های ROHS، لوله‌ها و اکستروژن‌ها استفاده می‌شود. پایدار کننده کلسیم/زینک سمی نیست و برای محصولاتی که در تماس با غذا و دارو هستند توصیه می‌شود. استابلایزر کلسیم/زینک قابلیت استفاده در محصولات شفاف پی وی سی را دارد و دوز مصرف آن بین ۳ تا ۴ phr است.

  • استابلایزر قلع پی وی سی

پایداری حرارتی عالی در پی وی سی است. از این استابلایزر در محصولاتی چون لوله‌های شفاف و ورق، لوله‌های با کیفیت بالا و تجهیزات پزشکی استفاده می‌شود. پایدار کننده قلع دارای بوی بسیار زیاد است.

این پایدار کننده دارای دو نوع سمی و غیر سمی است و برای بعضی از محصولات که در تماس با غذا و دارو هستند توصیه می‌شود. این استابلایزر قابلیت استفاده در محصولات بسیار شفاف پی وی سی را دارد.

کلام آخر

همان طور که گفته شد استابلایزر سبب پایداری حراراتی پی وی سی در فرآیند می‌شود و از این رو وجود آن لازم است؛ این در حالی است که بسیاری از فرآیندهای پی وی سی فاقد این ماده بوده که در نهایت کیفیت نامرغوبی را برای قطعات تولیدی به وجود می‌آورد.

در نهایت تولید کنندگان باید از ضرورت استفاده از آن در فرآیندها آگاه بوده و استفاده از آن را در برنامه‌ تولیدی خود قرار بدهند.

تهیه و تنظیم: سایت پلینو

منابع:  www.elsevier.com ، گروه مشاوران پلینو

 

 

ثبت نظر


( نظر خود را درباره این مقاله ثبت نمایید )