معرفی نرم کننده‌های مناسب برای پی وی سی + دوز مصرف

14 اسفند 1399 ساعت 09:56

نرم کننده‌ها یکی از اولین افزودنی‌های توسعه داده شده برای پی وی سی هستند، با این وجود از نظر تئوری هنوز تعریف دقیقی برای آن ارائه نشده است. تعاریف تئوری موجود در استانداردها هنوز به طور کامل و  مفهومی یک تعریف کارآمد برای نرم کننده مربوط به پی وی سی را نشان نمی‌دهند.

در این مقاله سعی شده تا به مفهوم نرم کننده پی وی سی، مکانیسم عملکرد و عنوان موادی که به عنوان نرم کننده در پی وی سی قابل استفاده‌اند، پرداخته شود.

تعریف نرم کننده چیست؟

به ماده‌ای با فراریت کم و ناچیز گفته می‌شود که سازگاری مناسبی با پی وی سی دارد. هدف اصلی از استفاده آن‌ها در واقع بهبود خواص نهایی محصول می‌باشد، اگر چه نرم کننده‌ها بر روی فرآیند پذیری پی وی سی نیز اثر می‌گذارند.

از جمله خواصی که تحت تاثیر نرم کننده قرار می‌گیرد می‌توان به افزایش مقاومت ضربه، کاهش دما انتقال شیشه ( یا به طور کلی نقطه نرم شدگی)، کاهش استحکام و افزایش مقاومت ضربه اشاره کرد. میزان تاثیر گذاری نرم کننده بر این خواص بستگی به دوز مصرف و همچنین ماهیت نرم کننده دارد.

تقسیم بندی انواع نرم کننده‌ها

می‌توان نرم کننده‌ها را به دو گروه نرم کننده خارجی و داخلی تقسیم بندی کرد. نرم کننده داخلی در واقع در اثر یک واکنش شیمیایی در پلیمر و سنتر کوپلیمر ایجاد می‌شود.

وجود واحدهای کوپلیمر از جمله وینیل استات و وینیلدین کلراید در کوپلیمر وینیل کلراید سبب کاهش یکپارچگی مورفولوژی شده و انسجام ساختاری شده و در نتیجه سبب بهبود انعطاف پذیری زنجیره پلیمر می‌شود.

مزایای نرم کننده داخلی کاهش دما فرآیند پذیری و همچنین کاهش ریسک از مهاجرت نرم کننده است از طرفی معایب آن را می‌توان عدم  تاثیر مناسب بر روی استحکام و اثر گذاری در دمای پایین دانست.

نرم کننده‌ خارجی پی وی سی را می‌توان به دو گروه اولیه و ثانویه تقسیم کرد. نرم کننده اولیه سازگاری بالایی با پی وی سی داشته و می‌تواند تا نسب‌های بالایی به طور مثال  ۱۵۰ phr  با پی وی سی تقسیم شوند.

از طرف دیگر نوع  ثانویه سازگاری کمتری با پی وی سی داشته و بیشتر در کنار نوع اولیه و به منظور توازن برخی خواص و همچین کاهش قیمت تمام شده استفاده می‌شود.

بررسی ساختار شیمیایی

بیشتر نرم کننده‌های پی وی سی ترکیبات آلی استری با نقطه جوش بالا هستند. در حدود دو سوم از نرم کننده‌ها بر پایه دی استر هستند که از واکنش انیدیرید فتالات با الکل حاصل می‌شود.

الکلی که با اندیرید فتالات واکنش می‌دهد معمولا طولی در حدود ۴ تا ۸ کربن دارد. الکل‌های ۸ کربنی تعادل بهتری از خواص را برای پی وی سی از خود نشان داده‌اند.

از جمله سایر موادی که به عنوان نرم کننده استفاده می‌شوند می‌توان به تری آریل فسفات‌ها، آلکیل استرها، آلکیل تر ملیتات استر، پلی استر با وزن مولکولی بالا، اپوکسیدها، پارافین کلره و نرم کننده هیدرو کربنی اشاره کرد.( دو مورد آخر بیشتر به عنوان اکستندر مورد استفاده قرار می‌گیرند.)

مقاله پیشنهادی: بررسی عوامل موثر در براقیت پی وی سی

بررسی از نظر وزن مولکولی

از نظر وزن مولکولی نرم کننده‌ها را می‌توان به دو گروه با وزن مولکولی بالا و با وزن مولکولی پایین تقسیم بندی کرد.

نرم کننده با وزن مولکولی بالا می‌تواند از نوع پلیمر ( به طور مثال پلی استر با وزن مولکولی در حدود ۸۰۰۰) یا از نوع غیر پلیمری باشند؛ مانند نرم کننده بر پایه اپوکسی و یا نرم کننده استری با وزن مولکولی بالا

نرم کننده با وزن مولکولی پایین از نوع غیر پلیمری هستند و معمولا  وزن مولکولی در حدود ۳۰۰ الی ۵۰۰ دارند. به طور مثال نرم کننده استری با وزن مولکولی پایین در این دسته قرار می‌گیرند.

مکانیسم عملکرد نرم کننده PVC  

به طور کلی دو تئوری در مورد مکانیسم نرم کننده‌ها مطرح می‌شود.

تئوری اول

بر اساس خاصیت روان کنندگی است در واقع بر اساس کاهش اصطکاک بین زنجیره‌های پلیمری و در نتیجه کاهش مقاومت ماده نسبت به تغییر شکل است.

تئوری دوم

بر اساس برهم کنش بین نرم کننده و مراکز فعال زنجیره است تئوری ژل نام دارد که از اهمیت بالاتری برخوردار است.

در توضیح این مکانیسم باید گفت که مقاومت نسبت به تغییر شکل در اثر تشکیل پیوندها شبه کراسلینک بین مراکز فعال در زنجیره پلیمر کاهش می‌یابد. اگر چه ساختار ایجاد شده در اثر این پیوندهای شبه کراس لینک دائمی نبود و در طی یک تعادل در حال تشکیل و شکسته شدن می‌باشند.

به بیان ساده‌تر پیوند موقت بین نرم کننده و مراکز فعال در زنجیره پلیمری سبب می‌شود که پیوند بین زنجیره‌ها پلیمری کاهش یابد و این خود سبب شل شدن ساختار پلیمری و در نتیجه مقاومت کمتر نسبت به تغییر شکل می‌شود.

در پلینو بخوانید: پلیت اوت چیست و راه‌های جلوگیری از آن

مراکز فعال در زنجیره پلیمری پی وی سی در واقع مراکز قطبی هستند که به دو حالت hinge  که بوسیله موادی چون ترکیبات آروماتیک قطبی و به حالت screen  که بوسیله موادی چون ترکیبات آلیفاتیک استر قطبی ایجاد می‌شود.

تصور می‌شود که ایجاد پیوند شبه کراسک لینک بیشتر در نواحی کریسالی ( ساختار منظم) پلیمر انجام می‌شود. در نتیجه حضور میزان بیشتر نرم کننده سبب افزایش بیشتر نواحی کریستالی شده و نتیجه ایجاد یک ژل از نرم کننده و پلیمر است؛ در واقع ژل ایجاد شده نقش مهمی در تعیین خواص نهایی pvc  خواهد داشت.

در شکل زیر این دو مکانیسم به صورت شماتیک نشان داده شده است.

عملکرد نرم کننده pvc

مکانیسم عملکرد نرم کننده و برهم کنش آن با پلیمر پیچیده بوده و به عوامل مختلفی بستگی دارد. این عوامل به شرح زیر است.

  • وزن مولکولی نرم کننده

با افزایش وزن مولکولی فراریت، مهاجرت و راندمان نرم کنندگی کاهش می‌یابد.

  • قطبیت نرم کننده

با افزایش قطبیت نرم کننده راندمان نرم کنندگی کاهش یافته و سبب افت خواص در دما پایین می‌شود؛ از طرفی باعث بهبود حلالیت و کاهش تمایل به خارج شدن از پلیمر توسط حلال‌های آلیفاتیک می‌شود.

  • طول زنجیره آلکیل

افزایش طول زنجیره سبب بهبود کارایی نرم کننده آلیفاتیک و دی استر فتالیک می‌شود.

  • خطی بودن زنجیره آلکیل

با افزایش خطی شدن زنجیره آلکیل کارایی نرم کننده و انعطاف پذیری در دمای پایین افزایش خواهد یافت اما ممکن است سبب کاهش مقاومت الکتریکی شود.

  • فاصله گروه استر

فاصله گروه‌های استر سبب افزایش حلالیت، کارایی نرم کنندگی و اثر بخشی  می‌شود.

اثر میزان دوز مصرف

استفاده از نرم کننده در دوز مصرف پایین ( در حدود ۱۰ تا ۱۷ phr  بسته به نوع) عملکردی دقیقا برعکس آنچه از یک نرم کننده مورد انتظار است دارد.

به طور مثال سبب افزایش مدول و استحکام کششی می‌شود، در حالی که سبب کاهش استحکام ضربه و کاهش ازدیاد طول در نقطه پارگی می‌گردد. این خواص را گاهی به خواص ضد نرم کنندگی نیز می‌شناسند. به همین دلیل است که دوز مصرف نرم کننده در پی وی سی معمولا بالای ۲۰ phr  است .

مقاله پیشنهادی: آنتی اکسیدان‌ پی وی سی | فرآیند اکسایش

در پی وی سی نیمه سخت به طور معمول بین ۱۷ تا ۲۵ phr  نرم کننده جهت ایجاد خواص مورد نظر استفاده می‌شود و برای پی وی سی نرم از دوز مصرف بالاتری بسته به نوع فرمولاسیون و کاربرد استفاده می‌شود.

در شکل زیر اثر مقادیر کم نرم کننده در خواص پی وی سی نشان داده شده است.

اثر نرم کننده در pvc

 سازگاری نرم کننده و پی وی سی

میزان سازگاری پلیمر و نرم‌کننده به كمك پارامتر حلاليت مشخص مي‌شود. در صورتي نرم‌كننده‌ با پي‌وي‌سي سازگاري دارد كه اختلاف پارامتر حلالیت آنها برابر با(cal/cm 3) 0.5 1.5 باشد.

کلیه اجزای موجود در فرمولاسیون نظیر پایدارکننده، رنگدانه، فیلر، روان‌کننده و... می‌توانند سازگاری مابین پلیمر و نرم‌کننده را تحت تاثیر قرار دهند. در شرايطي نرم‌کننده می‌تواند موثر باشد که برهمکنش‌های پلیمر- نرم‌کننده بر سایر برهم‌کنش‌ها غلبه کند.

اگر نرم‌کننده و پلیمر سازگاري نداشته باشند، جدایی فازی رخ داده و نرم‌کننده به سطح قطعه مهاجرت می‌کند، در این حالت نرم‌کننده به عنوان عامل جدایش از قالب عمل نموده و عملا خواصی که به عنوان نرم کننده از آن انتظار می‌رود را نشان نخواهد داد.

نرم کننده‌های pvc  را می‌توان به چند گروه اصلی تقسیم بندی کرد.

  • بر پایه فتالات
  • بر پایه فسفات
  • بر پایه تری ملیتات
  • پلیمری
  • بر پایه اپوکسی
  • بر پایه پارافین کلره

بر پایه فتالات

نرم کننده بر پایه فتالات بیشترین مصرف را در پی وی سی دارند و در صدر آنها روغن DOP  قرار دارد. این گروه از نرم کننده‌ها را می توان به سه دسته نرم کننده فتالات سبک فتالات خطی و نرم کننده فتالات با کاربرد عمومی تقسیم کرد.

فتالات سبک

 DBP  و DIBP در این دسته قرار می‌گیرند. از ویژگی این گروه می‌توان به راندمان بالا و سرعت بالا ژل شدن برای پی وی سی اشاره کرد.

امروزه استفاده از این نرم کننده‌ها تنها به کاربردهایی محدود شده که ویژگی این گروه برای آن کاربرد ضروری باشد و به دلیل فراریت بالا و تمایل به استخراج بالا سعی شده تا با فتالات‌هایی با وزن مولکولی بالا جایگزین شود.

این گروه از نرم کننده‌ بر روی رشد گیاه اثر منفی داشته و استفاده آنها برای فیلم پی وی سی- شلنگ پی وی سی و سایر کاربردهای باغبانی منع شده است.

عمومی فتالات

نرم کننده‌های بر پایه الکل با ۸ و ۸ کربن از جمله این گروه هستند. نرم کننده‌های C8 از پر کاربردترین نرم کننده‌ها در صنعت پی وی سی هستند. نرم کننده DOP ( بر پایه ۲اتیل هگزانول ) و نرم کننده DIDP  ( بر پایه ایزواکتانول) از مهم‌ترین عضو این گروه هستند.

از نرم کننده C9  می‌توان به DINP  ( دی ایزونونیل فتالات) و DNP اشاره کرد. این نوع مواد از نرم کننده‌هایC8  فراریت کمتر و ویسکوزیته پلاستیزول کمتری برخوردار هستند. ویکسوزیته پلاسیزول پایین برای فرآیندهای چون پوشش‌دهی Dipping  نیمه سخت، قالبگیری اسلش و قالبگیری چرخشی کاربرد هستند.

بر پایه فتالات سنگین

به طور کلی این نرم کننده‌ها راندمان پایین‌تری نسبت به DOP و سایر نرم کننده فتالات C8 دارند، اما از فراریت کمتر و مهاجرت کمتری برخوردارند. از جمله می‌توان به DIDP  و DTDP اشاره کرد.

بر پایه فسفات

گروه بر پایه فسفات را می‌توان به چهار گروه تری آریل فسفات- تری آلکیل فسفات، مخلوط آریل و آلکیل فسفات و آلکیل فسفات هالوژنه تقسیم کرد.

گروه تری آریل فسفات ها در حدود ۹۰ درصد از سهم نرم کننده‌های پایه فسفات را به خود اختصاص داده‌اند در ادامه به بررسی این چهار گروه نرم کننده پرداخته می‌شود.

تری آریل فسفات

 TTP (tricresyl phosphate) و TXP از مهم‌ترین نرم کننده‌های این دسته بندی هستند. مقاومت شعله پذیری خوب، خواص خوب ژل شدن، آنتی میکروبیال بودن از ویژگی‌های این نرم کننده هستند، اما خواص این ماده در دمای پایین ممکن است مطلوب نباشد با این وجود این نرم کننده‌ها معمولا به عنوان مکمل کنار انواع دیگر استفاده می‌شوند که می‌تواند این نقص را جبران کند.

تر آلکیل فسفات‌ها

از سازگاری خوبی برخوردار نیستند و کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند با این وجود به علت بهبود خواص در دمای پایین در بعضی موارد مورد توجه هستند.

مقاله پیشنهادی: رنگ با پایه وینیل کلراید(پی وی سی) اجزاء و فرمولاسیون

ترکیب تری آلکیل/تری آلیل فسفات

خواص این نوع بینابین خواص تری آریل و تری آلکیل فسفات ها است. از جمله می‌توان به ترکیب اکتیل دی فنیل فسفات و ایزودسیل دی فنیل فسفات اشاره کرد.

الکیل فسفات هالوژنه

این نوع سازگاری کمی از خود در پی وی سی نشان می‌دهند و تنها به علت خواص بازدارندگی شعله مورد توجه بوده‌اند.

بر پایه تری ملیتات

نرم کننده تری ملیتات برای کاربرد در دمای بالا استفاده می‌شوند همچنین از مقاومت بالایی نسبت به استخراج توسط آب برخوردارند و برای محصولاتی که مورد شستشو قرار میگیرند استفاده می‌شوند.

بر پایه دی استر آلیفاتیک

این نوع نرم کننده‌ها به عنوان نرم کننده ثانویه مطرح هستند و بیشتر در کاربردهایی مورد استفاده در دمای پایین مصرف دارند.

پلیمری

پر کاربردترین نرم کننده پلیمر در پی وی سی، پلی استرها هستند که از واکنش یک دی ال و دی کربوکسلیک اسید ایجاد می‌شوند. به تشکیل دهنده و همچنین وزن مولکولی  این نرم کننده‌ها دو فاکتور اصلی در تعیین خواص آنها می‌باشد.

به طور مثال با افزایش وزن مولکولی فراریت کاهش یافته، اما در مقابل سبب افزایش ویسکوزیته و کاهش سازگاری با پی وی سی می‌شود. از طرفی نرم کننده با وزن مولکولی بالا فرآیند پذیری سخت تری داشته و ممکن است راندمان کمتری نیز داشته باشند.

اپوکسید

نرم کننده اپوکسید از واکنش یک پر اسید با ترکیب غیر اشباع حاصل می‌شود. این ترکیب غیر اشباع معمولا از روغن ها طبیعی یا آلکیل استر حاصل از اسید چرب طبیعی غیر اشباع حاصل می‌شود. نرم کننده اپوکسید اثر نرم کنندگی اولیه – ثانویه و همچنین خاصیت پایدارکنندگی حرارتی نیز دارند.

پر کاربردترین نرم کننده اپوکسید در پی وی سی روغن سویا اپوکسید شده می‌باشد. در واقع روغن سویا اپکسید یک تر گلریسرید از اسید چرب غیر اشباع است. وزن مولکولی این نوع در حدود ۹۰۰ می باشد در نتیجه مقاومت آن در برابر مهاجرت و استخراج در حد نرم کننده‌های پلیمری با وزن مولکولی کم است.

از معایب این گروه می‌توان به ویسکوزیته بالا و همچنین تمایل به تبلور در دمای پایین اشاره کرد که ممکن است مشکلاتی را در انبارش این مواد ایجاد کند البته روغن ته نشین شده در دمای ۳۰ تا ۴۰ درجه حل می‌شود و مشکلی را در خاصیت نهایی ایجاد نمی‌کند.

آلکیل استرهای اپوکسید شده نوع دیگر اپوکسید پی وی سی هستند اگرچه کاربرد کمتری دارند ولی از سازگاری خوب و همچنین خواص خوب در دمای پایین برخوردارند این مواد از خاصیت پایدارکنندگی حرارتی نیز برخورداند.

روغن هیدروکربنی اکستندر

هیدورکربن اکستندر بیشتر به عنوان کاهش دهنده قیمت تمام شده در کامپاند پی وی سی نرم و پلاستیزول مورد استفاده قرار می‌گیرد. باید توجه داشت که اکستندرها از نظر سازگاری با پی وی سی محدودیت زیادی دارند.

 کلام آخر

نرم کننده‌ها نیز یکی دیگر از افرودنی‌هایی بود که برای بهبود کیفیت محصولات با پایه پی وی سی، مورد استفاده قرار می‌گیرد. همان طور که گفته شد انواع مختلفی داشته که هر کدام ویژگی‌های متفاوتی دارند که درصد استفاده از هر کدام متناسب با نوع محصول متفاوت خواهد بود.

ذکر این نکته ضروری است که دوز مصرف هر نوع تأثیر ویژه‌ای را در خواص محصول خواهد داشت.

 

تهیه و تنظیم: سایت پلینو

منابع: www.elsevier.com، مشاوران پلینو

 

 

 

ثبت نظر


( نظر خود را درباره این مقاله ثبت نمایید )